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Lumineszierende Mineralien: Spektroskopie

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Lynx:
Hallo zusammen

Hier in diesem Thread möchte ich Daten (Messungen) und Informationen rund um die Spektroskopie lumineszierender Mineralien versammeln. Unter
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien liegt der Schwerpunkt mehr auf den Bildern.

Gruß, Martin

Lynx:
Scheelit

Das hatten wir schon... Nein. Nur fast. Bevor ich die Daten nochmals zeige, will ich erst ein paar Dinge zu den Messungen sagen. Das Spektrometer, was ich aktuell benutzen darf, ist ein Avantes mit einem nutzbaren Bereich von rund 300nm bis etwa 1000nm. Nominell kann es sogar mehr. Der Eingang ist an eine Faser gekoppelt. Eingestellt wird primär die Messdauer und die Anzahl an Messungen für die Mittelung. Nachdem mir ein Freund das Gerät geliehen hat (Danke sehr!), war ich unsicher, wieviel ich es nutzen würde. Nun. Mehr als gedacht ist schon jetzt die Antwort. Und damit hat es sich gelohnt, die Spektrometerempfindlichkeit zu messen und aus den Spektren herauszurechnen. Dazu habe ich eine bekannte Lichtquelle (Sonne) gemessen und mit den hinterlegten Spektren (ASTM G173-03 Reference Spectra v 2.9.2; mit Atmosphäre) abgeglichen. Die daraus erhaltene (und geglättete) spektrale Empfindlichkeit wird dann mit den Messdaten multipliziert. Tatsächlich wird so, wie ich gemessen habe, Spektrometer, Faser und Faserkopplung mit herausgerechnet.

Der Aufbau ist recht einfach: Von einer Seite wird schräg beleuchtet und das nach oben emittierte Licht gemessen. Das schaut dann so aus wie auf den Bildern:

1) Probe bei Tageslicht, oben ist schon die Anordnung von Filter und Fasereinkopplung (über eine Linse) zu sehen. Natürlich mit Tape fixiert (*)....
Lumineszierende Mineralien: Spektroskopie

3) Wenn ich mit einem (sichtbaren) Laser, also violett 405nm oder blau 450nm beleuchte, dann sieht das so aus, wie auf dem nachfolgenden Bild. Alles viel zu hell, um eine Lumineszenz zu sehen. Oder? Kurios: meine Brille scheint eine Beschichtung zu haben, die bereits bei 405nm effizient filtert. Wenn ich die Brille auf habe, sehe ich zumindest bei einer 405nm Beleuchtung deutlich die Lumineszenz. Ohne Brille nur grelles violett.

Lynx:
...
 
Dann muss das Licht nur noch ins Spektrometer, gute Messbedingungen eingestellt, und los gehts. Die ganzen Feinheiten möchte ich hier nicht besprechen, das ist an jedem Gerät ein bisschen anders, und jede Messaufgabe braucht ihre eigene Aufmerksamkeit.

Was an Spektren rauskommt, zeigen die nächsten Bilder. Also nun:

Scheelit von Iragna im Tessin, spektrometerempfindlichkeitskorrigierte Spektren

Lumineszierende Mineralien: Spektroskopie

Lumineszierende Mineralien: Spektroskopie

Das schöne bei diesem Scheelit ist, dass man gleich was zu sehen bekommt. Nachdem der Scheelit bei 255nm weiß, bei 365nm gelb und bei 405nm rot leuchtet, kann man da auch was erwarten....
Bei Scheelit, CaWO4, bietet sich der Platz von Ca2+ an, um Seltenerdionen RE3+ aufzunehmen. Die Ionenradien passen ziemlich gut. Nur muss die Ladung kompensiert werden, also z.B.2Ca2+ werden ersetzt durch Na+ zusammen mit Sm3+. Statt des Natriums kann auch eine andere Substitution oder eine Vakanz vorliegen. Es können auch ganz andere Ersetzungen auftreten, die z.B. auch WO42- Einheiten betreffen. Jedenfalls bauen sich RE3+ Ionen gerne und gut in das Scheelit-Gitter ein - und leuchten intensiv. Dazu kommt, dass Energie von angeregten WO42- Gruppen auf manche Seltenerdionen übergtragen werden kann. Das macht Scheelit insgesamt zu einem Mineral, was gerne und "bunt" leuchtet: je nach Anregungswellenlänge erwische ich eine andere Kombination von Seltenerd-Leuchtzentren, und je nach Probe variieren deren Zusammensetzungen und die Konzentrationen. Die Zuordnungen zu den Banden habe ich aus der vielfältigen Literatur zu sowohl natürlichem als auch synthetischem Scheelit entnommen

Die Messungen hier waren Scheelit von Iragna. Wie sieht es mit Scheelit von anderen Fundstellen aus? Dazu später mehr.

Viele Grüße,
Martin

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Literatur:

- Uspensky, E., Brugger, J., & Graeser, S. (1998). REE geochemistry systematics of scheelite from the Alps using luminescence spectroscopy: from global regularities to local control. Schweizerische mineralogische und petrographische Mitteilungen, 78(1), 31-54.
- Brugger, J., Bettiol, A. A., Costa, S., Lahaye, Y., Bateman, R., Lambert, D. D., & Jamieson, D. N. (2000). Mapping REE distribution in scheelite using luminescence. Mineralogical Magazine, 64(5), 891-903.
- Czaja, M., Bodył, S., Głuchowski, P., Mazurak, Z., & Strek, W. (2008). Luminescence properties of rare earth ions in fluorite, apatite and scheelite minerals. Journal of alloys and compounds, 451(1-2), 290-292.
- Gaft, M., Panczer, G., Uspensky, E., & Reisfeld, R. (1999). Laser-induced time-resolved luminescence of rare-earth elements in scheelite. Mineralogical Magazine, 63(2), 199-210.
- Gaft, Michael, Renata Reisfeld, and Gerard Panczer. (2015) "Modern luminescence spectroscopy of minerals and materials." (Buch) Springer.

Lynx:
Hoi zusammen

nach Franks Hinweis habe ich mir meine Brille nochmal angeschaut: auch die Lesebrille (bei der es mich verwundert) ist wohl Plastik mit Coating.... Anbei die Transmission. Bei 405nm kommt nur noch 1-2% des Lichts durch... Das Signal unterhalb 410nm ist ziemlich verrauscht, weil kleine verrauschte Zahlen durcheinander geteilt werden.

Lynx:
Scheelit

Von irgendwo kam die Frage, ob das bei Scheeliten generell so sei, dass sie unter verschiedenen Anregung verschiedenfarbig leuchten würden. Daraufhin habe ich Scheelite von fünf unterschiedlichen Fundorten (Grube Clara, kimmeria/Xanthi, Iragna, Pingwu und Zinnwald) vermessen, und zwar bei Anregung mit 255 nm (ohne Filter), 365 nm (lp442), 405 nm (lp442) und 450 nm (lp488). Tatsächlich sind die Unterschiede kleiner, als gedacht.

In allen Spektren finden sich Linien, die Seltenerdionen zugeordnet werden können, insbesondere Sm3+, Pr3+ und Nd3+, letzteres im nahen Infraroten. Die relativen Intensitäten der Beiträge variieren aber deutlich.

Beim Scheelit von Kimmeria/Xanthi fehlt die Dy3+-Bande bei 450 nm Anregung fast vollständig. Zudem zeigt sich bei den Stücken von Pingwu und Kimmeria/Xanthi bei Anregung mit 255nm noch eine interessante Besonderheit. Anstelle einer Emission um 570 nm ist dort eine strukturierte Absorption zu sehen, die ich allerdings nicht zuordnen konnte.

Was auffällt ist, dass bei 405 nm Anregung alle Scheelite orange leuchten: die Sm3+-Emission ist bei allen untersuchten Stücken sehr ausgeprägt. Zur Erinnerung: 405 nm Anregung eignet sich extrem gut, Sm3+ anzuregen.

In den Bildern habe ich die wichtigsten Linien versucht zu identifizieren. Sichtbares Licht reicht von etwa 380 nm bis rund 780 nm (je nach Definition wird auch manchmal 400nm-700 nm angegeben).

Fazit: In den Emissionsspektren von Scheeliten von sehr unterschiedlichen Fundorten finden sich Beiträge der Lumineszenz von Seltenerdionen, vorallem Sm3+, Pr3+, Nd3+ und Dy3+. Der reine visuelle Eindruck der Lumineszenz hängt damit von der Anregungswellenlänge und der genauen Zusammensetzung ab. Am Farbeindruck der Lumineszenz lassen sich Scheelit und Powellit nicht sicher unterscheiden, da unterschiedliche Beiträge der Seltenerdionen bereits eine Farbverschiebung des visuellen Eindrucks bewirken können.

Hier nochmals Fotos von den Stücken.

Lumineszierende Mineralien: SpektroskopieLumineszierende Mineralien: SpektroskopieLumineszierende Mineralien: Spektroskopie

Und die zugehörigen Spektren.

Lumineszierende Mineralien: Spektroskopie
Lumineszierende Mineralien: Spektroskopie

Wenn Interesse besteht, kann ich auch noch genauer auf einzelne Details eingehen - ich möchte aber vermeiden, dass es zu technisch wird.

Gruß, Martin

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