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Autor Thema: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien  (Gelesen 25293 mal)

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Offline Lynx

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #30 am: 22 May 20, 22:04 »
Hallo Georg

Danke ür das Lob.... Ich filtere die Anregung (aus einer Convoy mit Nichia-Chip) mit einem Schottglass UG1 oder UG11 (bevorzugt UG11). Das entfernt den blauen Anteil (und bei manchen andern Lampen gibt es zusätzlich einen gelben Anteil). Die Kurven dazu finden sich unter der Bezeichnung Schott UG11. Allerdings habe ich die aus Altbeständen und weiß nicht, ob UG11 noch vernünftig zu beziehen ist. Zu B+W 403 habe ich keine Daten gefunden sollte aber UG1 entsprechen und B+W 093 ist eigentlich für den IR-Bereich optimiert. Wie das im UV aussieht weiss ich nicht. Hoya U-330 ist etwa wie UG11. Apropos: UG1 hab ich grad von Heliopan gesehen: (FI4407-27 Heliopan Filter TYP 4407 27x0,5 mm UV-Durchlassfilter UG1 für ca 55 Euro). Aber es gibt tatsächlich billige Filter (etwa UG1) bei Amazon, die sind gar nicht so übel.

In den Emissionspfad würde ich gerne einen UV-Sperrfilter legen - weiss aber noch nicht, wie. Das müsste quasi zwischen Kamera und Balgen sein...
Gruß, Martin


Hallo Uwe,
leider hab ich keinen Apatit  von Ehrenfriedersdorf. Vielleicht jemand anderes?
Grüße, Martin


Offline Lynx

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #31 am: 23 May 20, 15:01 »
Wulfenit

Wulfenit von Los Lamentos, Mexico - genauer habe ich es leider nicht. Unter UV-Licht luminesziert der Wulfenit leicht orange - ja, es ist tatsächlich Lumineszenz, auch wenn die Farbe fast dem Eindruck unter Weißlicht entspricht -, man sieht die pink wiedergegebenen Reflexe des UV-Lichts und einzelne, weißlich oder bläulich lumineszierende Partikel. Da wünsche ich mir noch einen Emissionsfilter... Bildbreite ist ca. 22mm.

Gruß, Martin


Mexiko/Chihuahua/Ahumada, Municipio/Los Lamentos Mts. (Sierra de Los Lamentos)
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
   Mexiko/Chihuahua/Ahumada, Municipio/Los Lamentos Mts. (Sierra de Los Lamentos)
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien





EDIT: ursprünglich hatte ich versehentlich einen Zwischenstand der Bearbeitung hochgeladen. Ist nun ersetzt.
« Letzte Änderung: 23 May 20, 22:48 von Lynx »

Offline Lynx

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #32 am: 29 May 20, 18:47 »
Lumineszenz - Fluoreszenz - Phosphoreszenz - Persistente Lumineszenz: Begrifflichkeiten
Komplexe Phänomene - einfache Begriffe?

1. Vorweg

Heute geht es mir um die Begriffe im Zusammenhang mit Lumineszenz. Die Bezeichnung Lumineszenz selbst geht im übrigen auf Eilhard Wiedemann 1888 zurück (1), der mit der Bezeichnung "Luminescenz" das "kalte Leuchten" gegenüber dem Leuchten heißen Materials (der "Glut", engl. incadescence) unterschied. Valeur und Kollegen bieten eine interessante und gut lesbare Betractung zur historischen Enwicklung der Begriffe (2).

Wozu unterschiedliche Begriffe? Ziel ist, mit dem Begriff den zugrunde liegenden Mechanismus zu beschreiben. Mit dem Wissen um den Mechanismus gehen technische Anwendung einher - und auch Analysetechnik. In diesem Kontext möchte ich auf Datierung geologischer und archeologischer Objekte mit optisch stimulierter Lumineszenz als ein Beispiel unter vielen verweisen (3). Seit einigen Jahren ist hier viel in Bewegung - getrieben durch die Leuchtstoffentwicklung für LEDs und die Entwicklung funktionaler Leuchtstoffe für Spezialanwendungen wie Digitales Röntgen in der Medizin oder Functional Labelling in der Biochemie. Und manche Erkenntnisse auf diesen Gebieten sind tatsächlich erst kürzlich gemacht worden, hierzu später.

Also zunächst ein klein bisschen Physik.
Energie (Licht, elektrische Felder etc) wird von einem  Atom/Ion/Molekül/funktionale Gruppe/photonisches System absorbiert, was ein Elektron anregt. Diese Anregung relaxiert wieder - dabei kann Wärme in Form von Gitterschwingungen entstehen oder/und wiederum Licht abgegeben werden.
Soweit die Grundzüge der Lumineszenz, vereinfacht: Anregungsenergie rein - Licht raus.
Wenn zur Anregung Licht verwendet wird, landet man allgemein bei Photolumineszenz: Licht rein - Licht raus.

Hier im Atlas findet sich eine genauere Beschreibung unter Photolumineszenz, bzw für Lumineszenz im allgemeinen. Gerne möchte ich aber an die vielen Lehrbücher zu Lumineszenzerscheinungen verweise.

Randnotitz: Es gibt auch
Thermolumineszenz: Energie rein - Warten (kurzes/langes Warten) - Heizen - Licht raus
oder optisch stimulierte Lumineszenz (OSL): Energie rein - Warten (kurzes/langes Warten) - Licht rein - Licht raus
oder Mehrphotonenprozesse: (Licht rein+Licht rein)=Licht raus
- aber zu diesen Spezialformen später mehr.

2. Fluoreszenz

Damit beleuchten wir den ersten Begriff: Fluoreszenz.  Erfunden hat den Begriff Sir George Gabriel Stokes 1852 in einer Fußnote. Er schreibt (4):
    "I confess I do not like this term (Anm.: er bezieht sich auf die Bezeichnung dispersive reflexion). I am almost inclined to coin a word, and call the appearance fluorescence, from fluor-spar, as the analogous term opalescence is derived from the name of a mineral."

Hier im Lexikon beschreiben wir Fluoreszenz als den Vorgang, "bei dem durch eingestrahltes Licht, in der Regel UV-Licht, ein Elektron auf ein angeregtes Niveau gehoben wird und praktisch unmittelbar darauf in den Grundzustand zurückkehrt und dabei ein Photon im sichtbaren Spektralbereich abgibt".
So etwa fasst es auch die Definition der IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) in ihrem Gold Book: Chemical Terminology (5),  (siehe auch hier).

Dazu folgende Bemerkungen:
"...in der Regel UV-Licht..." - nein. Definitiv nicht. Das Licht muss lediglich geeignet sein, den Prozess auszulösen. Das kann sehr wohl auch durch Gamma, Röntgen, blaues, grünes, gelbes, nahinfrarotes... Licht erfolgen - wenn es denn geeignet ist (vgl. z.B. die Anegbarkeit von Cr3+ in Rubin -was übrigens keine Fluoreszenz ist - oder Szintillatoren, also Gamma/Röntgenphotonen rein und UV...Blau...Grün etc raus). Allerdings ist es für unsere Wahrnehmung bequem, mit UV zu beleuchten: wir sehen UV nicht und deshalb hebt sich dann ein Leuchten sehr deutlich vom Hintergrund ab. Versucht man das mit einer Photokamera ohne geeignete Filterung - da stört auch das UV.

"...ein Photon im sichtbaren Spektralbereich abgibt." - nein. Auch das nicht. Die Emission kann auch im UV oder im Infraroten erfolgen, z.B. bei Cuprorivait oder auch Mn5+-haltigem Apatit (6,7). beide Mineralien zeigen im übrigen keine Fluoreszenz, dazu später mehr. Woher wissen die Elektronen, welchen Energieunteschied wir sehen? Warum sollten sie unsere Sehgewohnheiten denen von z.B. Bienen bevorzugen? Also: die Emission entspricht dem Energieunterschied bei der strahlenden Relaxation des angeregten Zustands minus der nichtstrahlend über Phononen (Gitterschwingungen) abgegebenen Energie.

"...praktisch unmittelbar darauf..." Das wiederum ist meiner Meinung nach eine sehr gelungene Formulierung, die viele andere Versuche einer Beschreibung schlägt - aber sie ist leider nicht sehr präzise. Gelungen ist sie, weil auch Fluoreszenz eine Lebensdauer hat und eben nicht direkt mit den Ausschalten der anregenden Lichtquelle aufhört, wie es vielfach heißt. Gegenüber der Pulsdauer von, sagen wir, 10 fs kommerziell erhältlicher Lasersysteme sind Lebensdauern von, sagen wir, 2.5 ns fast eine Ewigkeit - da liegt mehr als ein Faktor 100000 dazwischen. Aber unser Auge ist zu langsam. Wer das Flackern von Energiesparlampen gesehen hat, dessen Augen können vielleicht Prozesse auf der Skala von 10 ms trennen. Auch zwischen 2.5 ns und 10 ms liegt ein Faktor von mehr als 100000 dazwischen. Und das ist der Grund, warum die Beschreibung leider nicht gut weiterhilft.

Stützen wir den Begriff auf die physikalischen Mechanismen, die dem Phänomenen zugrunde liegen. Für die Fluoreszenz bedeutet dies:

Fluoreszenz ist die Lumineszenz einer Paritäts- und Spin-erlaubten Relaxation (in der Regel in den Grundzustand). (8)

Das wiederum hat viel mit Quantenmechanik zu tun. Elektronen als Fermionen müssen sich in einer Quanteneigenschaft unterscheiden.  Nur deshalb gibt es im übrigen die Niveaus... Andererseits gibt es nicht nur für Energie sondern auch für Drehimpulse Erhaltungssätze. Spin ist (sowas wie) der Eigendrehimpuls des Elektrons und wegen der Erhaltungssätze gibt es Auswahlregeln, die besagen, wer wie wohin hüpfen darf... Salopp gesagt.

Charakteristisch für Fluoreszenz sind Lumineszenzlebensdauern im Bereich von ps bis einigen ns (10-12...10-9 s) bei  exponentiellem Abklingen der Lumineszenz und in der Regel ohne (bzw. nicht meßbarem) Anklingen der Lumineszenz. Insbesondere sind die Übergänge lokal begrenzt, es finden keine Transportphänomene wie lichtinduzierte Leitfähigkeit oder dergleichen statt.

Jetzt ist in einem Mineral typischerweise die Situation wesentlich komplexer, als in einem (organischen) Molekül. Da der Kristall eine hohe Ordnung hat, aber kein Elektron in allen Quanteneigenschaften einem zweiten gleichen darf, muss mehr berücksichtigt werden. Symmetrien und gebrochene Symmetrien verändern ebenfalls die Übergänge. Und dann schlägt sich auch noch die kristalline Ordnung an den jeweiligen Einbaupositionen nieder, Stichwort Crystal Field.  Kompliziert.

Strenggenommen gibt es in anorganischen Festkörpern (wie den meisten Mineralien) deswegen keine Fluoreszenz, sondern nur andere Formen der Lumineszenz. Weniger strenggenommen, und wenn wir uns auf Spin-erlaubte Übergänge reduzieren, könnte für die Leuchtzentren Ce3+ und Eu2+ - mit etwas Kopfweh - von Fluoreszenz gesprochen werden (9, 10): diese weisen Spin-erlaubte Übergänge auf.

Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
  Frankreich/Provence-Alpes-Côte d'Azur, Region/Hautes-Alpes, Département/Gap, Arrondissement/Garde-Colombe/Saint-Genis
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien

Deutschland/Bayern/Oberbayern, Bezirk/Rosenheim, Landkreis/Raubling/Moor zwischen Bad Feilnbach und Raubling
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
  Pakistan/Belutschistan (Baluchistan), Provinz/Kalat, Division/Khuzdar, Distrikt/Bela Ophiolith/Wadh
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien


Konkret ein paar Beispiele. Man könnte vielleicht sagen: Fluorit fluoresziert blau (Eu2+-Emission). Um aber nicht in die Verlegenheit zu kommen den Nachweis führen zu müssen, dass dieser Fluorit tatsächlich fluoresziert und nicht aufgrund anderer Mechanismen leuchtet, bevorzuge ich dennoch den Satz: Fluorit luminesziert blau.
Die lumineszierenden organischen Einschlüsse, die Georg und Norbert zeigen, dürften ebenfalls mit Fluoreszenz korrekt beschrieben sein, ebenso wie die Lumineszenz organischer Kristalle (z.B. der Refikit von Stefan).

Und sonst? So ohne weiteres sieht man einem leuchtenden Mineral den zugrunde liegenden Mechanismus nicht an.#

(nächster Begriff: Phosphoreszenz)

--------

(1) Wiedemann, E. (1888). Ueber Fluorescenz und Phosphorescenz I. Abhandlung. Annalen der Physik, 270(7), 446-463. Wörtlich:
"Neben dieser Art der Lichtentwicklung kennen wir aber eine andere, bei der durch äussere Ursachen ohne entsprechende Steigerung der Temperatur ein Leuchten erzeugt wird. [...] Ich möchte für diese zweite Art der Lichterregung, für die uns eine einheitliche Benennung fehlt, den Namen Luminescenz vorschlagen, und Körper, die in dieser Weise leuchten, luminescierende nennen. Wir würden dann das durch auffallendes Licht erregte Leuchten als Photoluminescent bezeichen, welche sich je nach seiner Instantaneität oder längeren Dauer in Fluorescenz oder Phosphorescenz trennen würde." so Wiedemann 1932.
(2) Valeur, B., & Berberan-Santos, M. N. (2011). A brief history of fluorescence and phosphorescence before the emergence of quantum theory. Journal of Chemical Education, 88(6), 731-738.
(3) Preusser, F., Degering, D., Fuchs, M., Hilgers, A., Kadereit, A., Klasen, N., ... & Spencer, J. Q. (2008). Luminescence dating: basics, methods and applications. Eiszeitalter & Ggenwart Quaternary Science Journal, 57(1/2), 95-149.
(4) George G. Stokes, On the Change of Refrangibility of Light, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 142 (1852) pp463-562
(5) IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. ISBN 0-9678550-9-8. https://doi.org/10.1351/goldbook.
(6) Accorsi, Gianluca, et al. "The exceptional near-infrared luminescence properties of cuprorivaite (Egyptian blue)." Chemical Communications 23 (2009): 3392-3394.
(7) Reiche, I., et al. "Comparative analysis of odontolite, heated fossil ivory and blue fluorapatite by PIXE/PIGE and TEM." Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 161 (2000): 737-742.
(8) Baryshnikov, G., Minaev, B., & Ågren, H. (2017). Theory and calculation of the phosphorescence phenomenon. Chemical reviews, 117(9), 6500-6537.
(9) Bünzli, J. C. G., & Eliseeva, S. V. (2010). Basics of lanthanide photophysics. In Lanthanide Luminescence (pp. 1-45). Springer, Berlin, Heidelberg.
(10) Gaft, Michael, Renata Reisfeld, and Gerard Panczer. "Modern luminescence spectroscopy of minerals and materials." (Buch) Springer, 2015.

EDIT 1: Nochmals präzisiert.
EDIT 2: Um Links ergänzt, die Beschreibung erweitert und Beispiele eingefügt.
EDIT 3: Weitere Hinweise und Literatur eingefügt und Zitat Wiedemanns zum Begriff Lumineszenz ergänzt 05.06.2020.
« Letzte Änderung: 05 Jun 20, 18:04 von Lynx »

Offline Fabian99

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #33 am: 29 May 20, 19:02 »
Hallo,

Zitat: ""...in der Regel UV-Licht..." - nein. Definitiv nicht. Das Licht muss lediglich geeignet sein, den Prozess auszulösen. Das kann sehr wohl auch durch blaues, grünes, gelbes, nahinfrarotes Licht erfolgen - wenn es denn geeignet ist (vgl. z.B. die Anegbarkeit von Cr3+ in Rubin)."

Es ist richtig. Streng genommen gilt es z.B. auch bei der Röntgenfloureszenz. Also Röntgenlicht rein - Röntgen/UV-Licht etc raus.
Wie siehst du aber dann Tribolumineszenz oder Kathodenlumineszenz (der gute alte Fernseher). Da ist es "Anregung rein und Licht raus", oder?

die angesprochene Lumineszenz-Datierung erfolgt doch meines Wissens per thermisch induzierte Relaxation des Gitters nach Teilchenbeschuß, passt das in diesen Kontext?

Ich begrüsse deine Erklärungen sehr! Es ist wichtig, dass wir hier eine vernünftige Basis aufbauen.

LG

Offline Lynx

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #34 am: 29 May 20, 19:21 »
Hoi Fabian

Jo. Du hast schon Recht. Ich werds gleich präzisieren.
Lumineszenz: Anregung rein-Licht raus
Photolumineszenz: Licht rein Licht raus.
Und natürlich gilt z.B. bei Szintillatoren : Röntgen (Gamma)-Strahlung rein Licht ( UV...sichtbares Licht...Infrarot ) raus.

Für die Lumineszenzdatierungen gibt es Thermolumineszenz-Datierungen und optisch-stimulierte Lumineszenz (OSL) als Möglichkeit.- Der Mechanismus ist beide Male, dass durch hochenergetische Strahlung (Teilchen und/oder Photonen) Elektronen freigeschlagen und in Fallenzuständen gespeichert werden. Durch Ausheizen (per Thermolumineszenz) oder optisch stimuliert (per optisch stimulierter Lumineszenz) können die gespeicherten Ladungsträger ausgelesen und für eine Datierung weiter analysiert werden. Tatsächlich gibt es auch Mischformen.
Thermolumineszenz ist im übrigen soetwas wie der hierarchisch übergeordnete Mechanismus zu persistenter Lumineszenz und OSL.

Wenn das mehr interessiert, kann ich später auch genaueres dazu schreiben.

Gruß, Mrtin

Offline etalon

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #35 am: 29 May 20, 19:54 »
Hallo Martin,

sehr fein, dass du versuchst, mal einige Grundlagen näher zu bringen! Gefällt mir gut.

Wollte nur auch mal ein Lob weiter geben... :)

Grüße Markus

Offline Fabian99

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #36 am: 29 May 20, 19:59 »
Hallo,

Röntgenfloureszenz geht auch bei Atomen - XRF auf Englisch, RFA auf deutsch. Röntgenfluoreszenzanalyse.
Ist die Thermolumineszenz der Spaltspuren wirklich auf Elektronenfallen oder Gitterrelaxationen?

LG

Offline Lynx

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #37 am: 29 May 20, 20:21 »
Hoi Fabian

Hallo,

Röntgenfloureszenz geht auch bei Atomen - XRF auf Englisch, RFA auf deutsch. Röntgenfluoreszenzanalyse.
Ist die Thermolumineszenz der Spaltspuren wirklich auf Elektronenfallen oder Gitterrelaxationen?

LG

Jo, klar. Szintillatoren sind auch nur als Beispiel gedacht.

Thermolumineszenz setzt voraus, dass Ladungsträger so gespeichert sind, dass sie thermisch freigesetzt werden können - und dann rekombinieren und ableuchten. Insofern - ja.  Durch den radioaktiven Zerfall werden Elektronen ausgeschlagen (Ionisierung) und können an Defekten (Fallenzentren, traps, Hafstellen) gespeichert werden. Das macht dann die Grundlage für eine Thermolumineszenz. Gitterrelaxationen können Licht abgeben - aber auch da brauchst Du einen Mechanismus, wie daraus ein Photon wird. Ich würde hier vermuten: Aufheizen - Gitter relaxiert - Defekte werden angehoben, wodurch das darin gefangene Elektron ins Leitungsband kann - dort migriert es und findet schließlich ein Leuchtzentrum zum Ableuchten.


Tribolumineszenz ist mit den Gitterrelaxationen verwandt, ist aber verzwickt. Da gibt es (durch den mechanischen Stress) ebenfalls die Möglichkeit, dass Elektronen ins Leitungsband können und ableuchten - aber da kann auch durch (im Nahfeld geometrisch verstärkte) elektrische Felder ein Plasma erzeugt werden, das leuchtet. So kannst Du mit einer Tesa-Rolle Röntgenstrahlung erzeugen (die Literatur muss ich noch suchen). Ist aber nicht mein Gebiet.
Gruß, Martin

EDIT: Noch  zur Spaltspur-Datierung:

Ganz spontan - die Kernspaltung als geologische Uhr von Ursula Weber

https://www.evolution-mensch.de/thema/datierung/spaltspur-datierung.php oder hier http://www.ged.rwth-aachen.de/index.php?cat=Education&subcat=Alps_Excursion_2011&page=Hebungsgeschichte_der_Alpen_anhand_von_Spaltspurendaten

Literatur:
Ault, A. K., Gautheron, C., & King, G. E. (2019). Innovations in (U–Th)/He, fission track, and trapped charge thermochronometry with applications to earthquakes, weathering, surface‐mantle connections, and the growth and decay of mountains. Tectonics, 38(11), 3705-3739.

Durrani, S. A., Amin, Y. M., & Alves, J. M. (1984). Studies of radiation damage in crystals using nuclear-track and thermoluminescence methods. Nuclear Tracks and Radiation Measurements (1982), 8(1-4), 79-84.

Amin, Y. M. (1989). A study of the effect of natural radiation damage in a zircon crystal using thermoluminescence, fission track etching and X-ray diffraction. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 280(2-3), 314-317.

Westgate, J., Sandhu, A., & Shane, P. (1997). Fission-track dating. In Chronometric dating in archaeology (pp. 127-158). Springer, Boston, MA.
« Letzte Änderung: 30 May 20, 09:08 von Lynx »

Offline Lynx

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #38 am: 29 May 20, 20:28 »
Achja, da fällt mir im Zusammenhang mit Spaltspuren noch die Dosimetrie ein.

Thermolumineszenz und OSL basierte Dosimeter sind Keramiken, in denen eben genau das passiert: Strahlung schlägt Elektronen frei, die gespeichert werden und dann thermisch oder mit Licht wieder ausgelesen werden. Auf die Schnelle z.B. Al2O3:C, siehe

McKeever, S. W. S., Akselrod, M. S., & Markey, B. G. (1996). Pulsed optically stimulated luminescence dosimetry using alpha-Al2O3: C. Radiation Protection Dosimetry, 65(1-4), 267-272.

Gruß Martin

Offline etalon

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #39 am: 29 May 20, 21:09 »
Zitat
Achja, da fällt mir im Zusammenhang mit Spaltspuren noch die Dosimetrie ein.

Thermolumineszenz und OSL basierte Dosimeter sind Keramiken, in denen eben genau das passiert: Strahlung schlägt Elektronen frei, die gespeichert werden und dann thermisch oder mit Licht wieder ausgelesen werden. Auf die Schnelle z.B. Al2O3:C, siehe

Da kann ich vielleicht auch was dazu beitragen:

Die in der Personendosimetrie oder Umgebungsüberwachung eingesetzten TLDs sind meistens Phosphatglasdosimeter. Diese enthalten Gläser in Trägern (siehe Foto) aus Alkali- und Erdalkaliphosphaten mit einem Zusatz von 8% Silbermetaphosphat.
Weiters kommen selten auch TLDs zum Einsatz, welche mit Kristallen aus CaF2, MgF2 oder LiF als detektoraktives Medium arbeiten. (1)

Gruß Markus

(1) Strahlung und Strahlungsmesstechnik in Kernkraftwerken, Elmar Schrüfer, Elitära-Verlag

Offline Lynx

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #40 am: 30 May 20, 09:05 »
Hallo zusammen

Danke Markus für Deine Ergänzungen.
Ich habe nochmals den Beitrag zu Fluoreszenz erweitert und auch zur Spaltspurdatierung Literatur angegeben (für alle die es genauer interessiert).

Gruß, Martin

Offline Lynx

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #41 am: 30 May 20, 20:45 »
Hallo zusammen

jetzt wieder ein paar Bilder, diesmal Stufen von den den Aris-Steinbrüchen (Namibia).

Villiaumit
Gelb bis rosafarbener Villiaumit, NaF, leuchtet unter UV rot. Damit auch die begleitenden Kristalle nicht ganz verschwinden, habe ich das UV-Licht (LW 365 nm) nicht gefiltert - das blaue Licht ist also Teil der Beleuchtung und keine Lumineszenz.

Thornasit
Klare Krsitalle von Thornasit, Na12Th3(Si8O19)4 ·18H2O, leuchten unter UV (LW,365 nm). Typischerweise sind Uranyl-Gruppen UO22+ mit eingebaut, die das grüne Leuchten verursachen.

Villiaumit, Makatit und Fluorit in einer interessante Paragenese
Die letzte Serie Bilder zeigt eine Druse im Phonolith, in der Villiaumit mit Makatit und Fluorit sowie klaren Kristallen (Natrolith?) gemeinsam vorhanden sind. Vom roten Leuchten des Villiaumits ist nicht veil zu sehen, da Makatit (blauweisse haarige Aggregate, siehe vergrößertes Detailbild) und Fluorit (? gelbe Lumineszenz) deutlich heller sind.  P.S: Das Übersichtsbild hat eine ziemlich hohe Auflösung, es lohnt sich, dieses Bild in Originalgröße anzuschauen.
Gerne würde ich dieser Bilder nicht Makatit zuordnen, sondern einem Mineralnamen "Paragenese". Ich denke, es wäre sinnvoll, diesen einzurichten.

Viele Grüße, Martin

Villiaumit

Namibia/Khomas, Region/Windhoek-Land, Kreis/Aris/Aris-Steinbrüche (Ariskop Quarry; Railway Quarry)
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
  Namibia/Khomas, Region/Windhoek-Land, Kreis/Aris/Aris-Steinbrüche (Ariskop Quarry; Railway Quarry)
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien


Thornasit

Namibia/Khomas, Region/Windhoek-Land, Kreis/Aris/Aris-Steinbrüche (Ariskop Quarry; Railway Quarry)
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
  Namibia/Khomas, Region/Windhoek-Land, Kreis/Aris/Aris-Steinbrüche (Ariskop Quarry; Railway Quarry)
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien


Interessante Paragenese

Namibia/Khomas, Region/Windhoek-Land, Kreis/Aris/Aris-Steinbrüche (Ariskop Quarry; Railway Quarry)
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
  Namibia/Khomas, Region/Windhoek-Land, Kreis/Aris/Aris-Steinbrüche (Ariskop Quarry; Railway Quarry)
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien


Namibia/Khomas, Region/Windhoek-Land, Kreis/Aris/Aris-Steinbrüche (Ariskop Quarry; Railway Quarry)
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
  Namibia/Khomas, Region/Windhoek-Land, Kreis/Aris/Aris-Steinbrüche (Ariskop Quarry; Railway Quarry)
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien



« Letzte Änderung: 31 May 20, 13:47 von Lynx »

Offline guefz

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #42 am: 30 May 20, 20:58 »
Wenn mehrere Minerale nach deiner Beschreibung deutlich zu erkennen sind, kannst du einfach alle erkennbaren Minerale zuordnen. Dann taucht das Foto eben an mehreren Stellen im Lexikon auf.

bis denn

Günter

Offline Lynx

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #43 am: 30 May 20, 21:01 »
Hallo Günter,

ja ich weiss. Manchmal fände ich es dennoch geschickt, das Mineral "Paragenese" anwählen zu können...

Gruß, Martin

Offline Lynx

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Re: Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
« Antwort #44 am: 04 Jun 20, 23:43 »
3. Phosphoreszenz

Der Begriff der Phosphoreszenz(#) ist schwieriger zu fassen, gerade weil sich in den letzten rund 15 Jahren sehr viel im Verständnis der Prozess rund um "verzögerte Lumineszenz"  getan hat. Eine sehr einfache Definition fußt genau auf dem zeitlichen Verlauf:

Laut Wikipedia, aufgerufen am 4.6.2020:
"Phosphoreszenz ist die Eigenschaft eines Stoffes, nach Bestrahlung mit (sichtbarem oder UV-) Licht im Dunkeln nachzuleuchten."
Diese oder ähnlich Definitionen finden sich leider weit verbreitet - sie sind mindestens unzureichend und streggenommen falsch:

(i) "..nach Bestrahlung mit (sichtbarem oder UV-) Licht..."  - diese Einschränkung ist unnötig. Auch Röntgen- oder Infrarotstrahlung kann das Leuchtzentrum so anregen, dass Relaxationen mit phosphoreszentem Charakter auftreten.

(ii) "..im Dunkeln nachzuleuchten."  Was meint das? Wenn es hell ist, findet keine Phosphoreszenz statt? Wie lange meint "nachzuleuchten"? Gilt das für schnelle und empfindliche Einzelphotonen-Detektoren genauso wie für das durch Hornhauttrübung beeinträchtigte menschliche Auge? Und: wenn das das Kriterium sein soll, wo liegt der Unterschied zu einer Fluoreszenz, die "praktisch unmittelbar darauf [...] ein Photon [..] abgibt."? "Nachleuchten" im Vergleich zu "praktisch unmittelbar darauf"? Wie gesagt, das menschliche Auge hat eine Zeitauflösung im Bereich von 10 ms. Spezifische Detektoren gehen in den Bereich von ps, mit speziellen Messaufbauten (Stichworte Streak-Camera, Pump-Probe-Spectroscopy) gelangt man in den Bereich von sub fs. Was ist "praktisch unmittelbar darauf" und was ist "Nachleuchten"? Was will uns obige Definition also sagen?

(iii) Der Prozess, der hier mit dem Begriff Phosphoreszenz belegt wird, ist eigentlich etwas anderes, nämlich Thermolumineszenz bei Raumtemperatur - und die funktioniert ganz anders. Dazu aber erst im nächsten Kapitel.

Kurzum, die oben genannte Definition und ihre Varianten sind ungeeignet, um Mechnismen zu trennen.

Versuchen wir es anders, wiederum über den Mechnismus, der dem Phänomen zugrund liegt. Die Definition von Phosphoreszenz, die die IUPAC gibt, lautet (1):

..., the term designates luminescence involving change in spin multiplicity, typically from triplet to singlet or vice versa. The luminescence from a quartet state to a doublet state is also phosphorescence.
IUPAC Gold Book:Chemical Terminology, 04.06.2020

Übersetzt etwa:  "... der Begriff bezeichnet Lumineszenz, die mit Änderungen der Spin-Muliplizität einhergeht, typischerweise von Triplett zu Singulett oder umgekehrt. Auch die Lumineszenz aus einem Quartett Zustand in einen Dublett Zustand ist Phosphoreszenz."(*)

Auch aus theoretischer Sicht beschreibt Phosphoreszenz "spinverbotene" Übergänge, also solche Übergänge, die aus quantenmechanischen Gründen nur geringe Wahrscheinlichkeit haben (2). Um doch noch relaxieren zu können, obwohl die Wahrscheinlichkeit gering ist, braucht das Elektron im angeregten Triplettzustand viele Anläufe - und das dauert. Also gibt es doch einen Zusammenhang zur Zeit? Ja, schon (3). Nur ist das alles nicht so eindeutig.
Hier ein paar typische Werte.

Fluoreszenzlebensdauer von Biomolekülen (z.B. in Hautzellen): ca. 1 ns..10 ns
Lebensdauer des angeregten (Spin-erlaubten) Übergangs von Ce3+ bzw. Eu2+: 10 ns... 1µs
Phosphoreszenzlebensdauer (ja, das ist Phosphoreszenz) von Cr3+ in Rubin: 2 ms (und das ist lang).

Bitte vergleicht dies mit der Wahrnehmungsgeschwindigkeit unserer Augen, die im Bereich von 10 ms liegt:
Ist das anregende Licht aus, sehen wir keine Fluoreszenz mehr - und auch keine Phosphoreszenz! Jedenfalls nicht ohne Hilfsmittel und nicht bei anorganischen Festkörpern wie Mineralien. Ein paar Beispiele:

Seltenerd-Lumineszenz hat (bis auf Ce3+, Eu2+, Yb2+, Sm2+) überwiegend phosphoreszenten Chrakter, fast egal in welchem Gitter (4,5).
Die rote Lumineszenz von Rubin, Smaragd, Grossular/Uwarowit, Disthen, Spinell, Alexandrit oder Topas, die auf Übergängen von Cr3+ basiert - ist Phosphoreszenz (6,7).
Für Scheelit und Powellit, Cerussit, Willemit, Uranyl-Lumineszenz, Apatit ... hat die Lumineszenz meist den Charakter von Phosphoreszenz (8).

Und damit ist der Teil der Lumineszenz gemeint, der per Augenschein aus ist, sowie die anregende Lichtquelle nicht mehr leuchtet - genauso, wie es auch bei Fluoreszenz der Fall ist!

Aber auch hier gilt: so unbedingt sehe ich der Lumineszenz ihre Ursache nicht an. Und: eine Phosphoreszenz - wie eben auch eine Fluoreszenz(+)-  im strikten Sinn gibt es im (anorganischen) Festkörper eigentlich nicht, weil durch zusätzliche Einflüsse wie lokales Kristallfeld in Verbindung mit der Einbaulage oder Symmetrien und gebrochene Symmetrien die Spin-Auswahlregeln - die ja letztlich Grundalge für die Bezeichnung des Übergang bilden - mischen und verändert werden (2,4,5). Für organische Moleküle funktioniert die Unterscheidung in Fluoreszenz und Phosphoreszenz, solange sie keinen geordneten Festkörper bilden. Für Ionen/Atome in Lösung oder im Gas ebenso, weil dort die Umgebungen homogen und isotrop sind. Im Kristall ist das anders. Deshalb bevorzuge ich persönlich  die Aussagen "Mineral xy luminesziert" oder "Mineral xy zeigt Lumineszenz".

Dennoch - und unter dem oben genannten Vorbehalt - hier Beispiele von lumineszenten Mineralien mit dem Charakter von Phosphoreszenz: Calcit mit Mn2+ leuchtet rot, Mn2+ in Apatit leuchtet gelb, Er3+ im synthetischen Zirkonia (rechts, gegenüber dem synthtischen Rubin)  ist für die grüne Lumineszenz zuständig. Cr3+ stellt nicht nur bei Rubin sondern auch im Smaragd das Leuchtzentrum dar. Wichtig: obwohl die Lumineszenz jeweils phosphoreszenten Charakter hat, liegen die Lebensdauern deutlich unter 10 ms. Für unsere Wahrnehmung endet die Leuchterscheinung scheinbar mit dem Ausschalten der UV-Lampe!

Deutschland/Sachsen/Erzgebirgskreis/Marienberg, Revier/Marienberg/Lauta/Schacht 139 (Abrahamhalde)
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
Deutschland/Sachsen/Sächsische Schweiz-Osterzgebirge, Landkreis/Dippoldiswalde/Sadisdorf
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien

Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
Österreich/Salzburg/Zell am See, Bezirk (Pinzgau)/Bramberg am Wildkogel/Habachtal/Leckbachgraben (Leckbachrinne)/Smaragdlagerstätte
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien


Und was ist mit dem intensiven roten Nachleuchten von Calcit von Franklin, dem oben erwähnten Aragonit oder dem oben gezeigten Leuchtpulver? Was ist mit dem Stein von Bologna und all den anderen Mineralien, die so schön leuchten, auch wenn schon lange - einige Sekunden oder gar Minuten oder Stunden - die Anregung ausgeschaltet ist?

Der Mechanismus dahinter ist nicht Phosphoreszenz, sondern eben Thermolumineszenz bei Raumtemperatur, was auch als persistente Lumineszenz bezeichnet wird (9,10). Und das ist das Thema des nächsten Kapitels.


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Fußnoten
(#) Zwar steht das Element Phosphor Pate für den Begriff, allerdings ist das Leuchten, das im Kontext mit weißem Phosphor aufritt auf Chemolumineszenz zurückzuführen, sieh z.B. Wikipedia, 05.06.2020
(*) Meine Übersetzung holpert, vielleicht findet jemand einen besseren deutschen Satz?
(+) Wer je versucht hat, anorganische Szintillatoren (also Detektoren für hochenergetische Strahlung, die z.B. Gammastrahlung in sichtbares Licht wandeln - ohne Geisterbilder zu produzieren, weil die Lumineszenz-Lebensdauern zu lange sind) zu designen weiß, wie schwierig es ist, Fluoreszenz in einem anorganischen Festkörper zu realisieren!

Literatur
(1) IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. ISBN 0-9678550-9-8. https://doi.org/10.1351/goldbook.
(2) Baryshnikov, G., Minaev, B., & Ågren, H. (2017). Theory and calculation of the phosphorescence phenomenon. Chemical reviews, 117(9), 6500-6537.
(3) Ropp, R. C. (2004). Luminescence and the solid state. 2.Ed. Elsevier Amsterdam. Siehe insbesondere p. 397-398.
(4) Bünzli, J. C. G., & Eliseeva, S. V. (2010). Basics of lanthanide photophysics. In Lanthanide Luminescence (pp. 1-45). Springer, Berlin, Heidelberg.
(5) Bünzli, J. C. G., & Piguet, C. (2005). Taking advantage of luminescent lanthanide ions. Chemical Society Reviews, 34(12), 1048-1077.
(6) Deutschbein, O. (1932). Die linienhafte Emission und Absorption der Chromphosphore. I. Annalen der Physik, 406(6), 712-728.
(7) Deutschbein, O. (1932). Die linienhafte Emission und Absorption der Chromphosphore. II. Annalen der Physik, 406(7), 729-754.
(8) Gaft, Michael, Renata Reisfeld, and Gerard Panczer. "Modern luminescence spectroscopy of minerals and materials." (Buch) Springer, 2015.
(9) Hölsä, J. (2009). Persistent luminescence beats the afterglow: 400 years of persistent luminescence. Electrochem. Soc. Interface, 18(4), 42-45.
(10) Xu, J., & Tanabe, S. (2019). Persistent luminescence instead of phosphorescence: History, mechanism, and perspective. Journal of Luminescence, 205, 581-620.
« Letzte Änderung: 05 Jun 20, 20:10 von Lynx »

 

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