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Lumineszenz

Lumineszenz ist der Sammelbgriff für Leuchterscheinungen bei Mineralen, die nicht durch starkes Erhitzen hervorgerufen werden. Dazu geht typischerweise ein Leuchtzentrum von einem angeregten elektronischen Zustand unter Aussendung (Emission) von Licht in den elektronischen Grundzustand über - das Leuchtsystem relaxiert in den Grundzustand.


Übersicht der verschiedenen Leuchterscheinungen


Beschreibung

Photolumineszenz. Bestrahlt man Mineralien mit geeignetem Licht (häufig ultraviolettes Licht), so kann man feststellen, dass einzelne Mineralproben mehr oder weniger stark in den verschiedensten Farben leuchten. Diese Erscheinung nennt man allgemein Photolumineszenz, d.h. in einfachen Worten "Aussendung von Licht nach Anregung mit Licht".


Fluoreszenz. Als Fluoreszenz wird Lichtemission bezeichnet, die bei Spin-erlaubten Übergängen entsteht und deshalb sehr kurzlebeig ist, d.h. im Bereich (ps..µs). Anschaulich: Weil keine weitere Wechselwirkung nötig ist, um Photonen-Spins anzupassen, ist dieser Übergang wahrscheinlich und läuft deshalb schnell ab.

Sir George Gabriel Stokes war es, der 1852 in einer Fußnote das Phänomen der "Lichtumwandlung" taufte. Er schreibt (Stokes, 1852, Fußnote p 479):

"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." - in Analogie zur Bezeichnung Opaleszenz möchte er diese Erscheinung auch nach einem Mineral - dem Fluor-Spat - als Fluoreszenz benennen.


Phosphoreszenz. Bei der Phosphoreszenz weist die Lumineszez ein längeres Abklingen auf (im Bereich von ms), was als Konsequenz der Relaxation aus einem Triplettzuständen (d.h. die soganannten Spin-verbotenen Übergänge) folgt. Anschaulich gesprochen ist der Übergang aus einem Triplettzustand deshalb sehr unwahrscheinlich (und dauert deswegen lange), weil erst der Spin des Photons noch angepasst werden muss. Für die visuelle Wahrnehmung ist dieser Effekt aber üblicherweise zu schnell.


Thermolumineszenz. Unter bestimmten Umständen kann ein Festkörper beim Erwärmen auch deutlich unterhalb der Glühtemperatur zum Leuchten gebracht werden. Dies beruht darauf, dass durch die thermische Energie Ladungsträger aus sogenannten Fallenzuständen im Festkörper freigesetzt werden können, um dann an den Leuchtzentren unter Lichtemission zu relaxieren (siehe z.B. McKeever 1997, Chen 1997). Solche Fallenzustände können beispielsweise durch radioaktive oder kosmische Strahlung oder durch Fremdionen entstehen. Mit Thermolumineszenz verknüpft sind weitere Phänomene, die sich vorallem in der Art und relativen energetischen Lage der Fallenzentren unterscheiden (Chen 1997). Neben der persistente Lumineszenz (das iat Thermolumineszenz bei Raumtemperatur) gibt es die optisch stimulierte Lumineszenz (OSL) und Phänomene wie lichtinduzierte Farbänderung oder lichtinduzierte Leitfähigkeit.


Persistente Lumineszenz. Schaltet man die UV-Quelle aus, so kann man bei einigen Mineralien noch eine besondere Eigenschaft beobachten: Sie leuchten nach dem Ausschalten noch einige Sekunden, eventuell in einer anderen Farbe, nach. Eine solche Eigenschaft nennt man persistente Lumineszenz.


Optisch stimulierte Lumineszenz. Wenn die oben genannten Fallenzentren tief genug liegen, dass die thermische Energie nicht zur Anregung ausreicht, dann sind die Ladungsträger ziemlich stabil gespeichert. Können diese Ladungsträger mit Licht geeigneter Energie (z.B. blaues oder rotes Licht) aus den Fallenzuständen angeregt und zum Relaxieren an Leuchtzentren gebracht werden, wird die zugehörige Lichtemission als optisch stimulierte Lumineszenz (OSL) bezeichnet. Weil bei OSL Ladungsträger in sehr teifen Fallenzuständen (Abstand zum Leitungsband >1eV) adressiert werden können, eignet sich dieses Phänomen z.B. zur geologischen Altersbestimmung von Sedimenten über Zeiträume bis zu einigen 100000 Jahren (siehe z.B. Rhodes 2011). Dies legt umgekehrt nahe, dass in diesen tiefen Fallenzentren Licht über einen Zeitraum von mehreren 100000 Jahren gespeichert werden kann!


Ein Kristall kann auch durch radioaktive Strahlung (Radiolumineszenz) zum Leuchten angeregt werden. Ebenso durch Beschuß mit Elektronen (Kathodenstrahlen - Kathodolumineszenz) - oder bei langsam ablaufenden chemischen Reaktionen bestimmter Stoffe, z.B. Oxidation von Phosphor (Chemo-Lumineszenz) und schließlich noch durch mechanische Einwirkung wie Zerbrechen, Schleifen oder Reiben (Tribo-Lumineszenz, Piezo-Lumineszenz).

Intrinsisch lumineszierend werden Mineralien benannt, die typische Lumineszenzfarben (genauer: typische Anregungs- und Emissionsspektren) aufweisen. Dies ist eine Eigenschaft, die in der Lagerstättenkunde benutzt wird, um zum Beispiel Scheelit als Wolframerz nachzuweisen.


Ursachen

Lumineszenz kommt in Mineralien zustande, wenn sich im Kristallgitter Beimengungen fremder Atome oder deren Gruppen ("Seltene Erden", Ag, Cr, Mn, S, (UO2)3+, u.a) befinden, sog. Luminogene.

Die Anwesenheit einiger bestimmter Atome im Gitter bringt hingegen die Lumineszenz zum Erlöschen (Fe, Ni). Das sind die sog. Lumineszenzgifte.

Regelmäßig weisen solche Mineralien Lumineszenz auf, bei denen ein Luminogen zum normalen Gitterbestandteil gehört (Scheelit, Willemit, Uranmineralien, u.a.).

Ändert sich der Beimengungsgehalt bei Mineralien verschiedener Fundorte, ist die Lumineszenz inkonstant (Fluorit, Sphalerit, Calcit, Opal, Topas, u.a.). W


So verursachen wenige isolierte Baugruppen in den Kristallen solche Leuchterscheinungen. Kristallfehler und Fremdionen, eine der häufigsten Formen der Lumineszenz, lösen aber meist die Leuchterscheinungen aus, ihre Energieniveaus befinden sich dann in der Energielücke zwischen Valenzband und Leitungsband. Unterschiedliche Lumineszenzfarben bei Mineralien haben also somit verschiedene Ursachen, so wird rote Lumineszenz häufig durch Chrom-Ionen herbeigeführt, orangerote Lumineszenz in Calciten verursacht durch Mangan. Der Anteil der Aktivatoren sollte aber nicht zu hoch sein, da dann die Intensität der Lumineszenz wiederum abnimmt. Wichtige Aktivatoren (Ionen) sind unter anderem Europium und andere Ionen der seltene Erden, Uranyl UO22+ Thallium, Blei, Silber und viele andere.

Es gibt es auch einige "Killerionen" von Metallen, die die Lumineszenz verhindern wie zB. Cobalt, Eisen, Kupfer und Nickel. Als wichtige Anregung sei darauf hingewiesen, dass ein und das selbe Ion (z.b. Fe) kann bei unterschiedlicher Konzentration, Nachtbarionen oder Positionen als Aktivator, Sensibilisator oder Killer auftreten. Und verunreinigende Elemente können als Ionen verschiedener Oxidationsstufen und Koordninierungen in einem Kristall eingebaut sein - und damit zu unterschieldicher Lumineszenz im selben Material führen. Lumineszenz ist also ein nichttriviales Phänomen...


Fazit:

Ensemble lumineszierender Mineralien
Ensemble lumineszierender Mineralien

Ensemble unterschiedlich lumineszierender Mineralien unter 365 nm UV Licht:; rot: Villiaumit; grün: Makatit; gelb: Natrolith(?); (Steinbruch Aris, Namibia, BB 5 mm).

Lynx

Die meisten Mineralien lumineszieren nicht.
Genauer: Bei den meisten Mineralien siehst Du keine Lumineszenz...

  • ...weil sie tatsächlich nicht leuchten (z.B. weil die Lumineszenz gequenscht ist, oder es sich um ein Metall handelt oder eine absorbierende Schicht um das Mineral liegt).
  • ...weil die Lumineszenz viel zu schwach ist (z.B. weil Deine UV-Lampe zu schwach ist).
  • ...weil Du die falsche Anregungswelle benutzt (z.B. wäre grünes Licht statt UV nötig).
  • ...weil die Emission in einem unsichtbaren Wellenlängenbereich (z.B. im Infraroten) liegt.

Wenn Mineralien lumineszieren, dann gibt es faszinierende Bilder.


Hinweis

Hast Du Lust bekommen, selbst zu experimentieren? Dann pass bitte nicht nur auf Deine eigenen Augen auf, sondern auch auf jene der Umstehenden....




Literatur:

George Gabriel Stokes (1819-1903) Cambridge Professor, siehe: George G. Stokes, On the Change of Refrangibility of Light, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 142 (1852) pp463-562; download .pdf

Rakovan, John, and Glenn Waychunas. "Luminescence in minerals." The Mineralogical Record 27.1 (1996): 7-20.

Gaft, Michael, Renata Reisfeld, and Gerard Panczer. "Modern luminescence spectroscopy of minerals and materials." (Buch) Springer, 2015.

Rhodes, Edward J. "Optically stimulated luminescence dating of sediments over the past 200,000 years." Annual Review of Earth and Planetary Sciences 39 (2011): 461-488.

McKeever, S. W. S., & Chen, R. (1997). Luminescence models. Radiation Measurements, 27(5-6), 625-661.

R. Chen, and SWS. McKeever "Theory of thermoluminescence and related phenomena." World Scientific Publishing Ltd, Singapore (1997).

Lastusaari, Mika, et al. "The Bologna Stone: history’s first persistent luminescent material." European Journal of Mineralogy 24.5 (2012): 885-890.

Xu, Jian, and Setsuhisa Tanabe. "Persistent luminescence instead of phosphorescence: History, mechanism, and perspective." Journal of Luminescence 205 (2019): 581-620.

Hölsä, Jorma. "Persistent luminescence beats the afterglow: 400 years of persistent luminescence." Electrochem. Soc. Interface 18.4 (2009): 42-45.

https://www.fluomin.org

https://www.uvminerals.org/

Gabriele Steffen "Leuchtende Mineralien-Aktivatoren und Killer", Der Aufschluss 50 (1999): S.353-356

Stuart Schneider: "The World of Fluorescent Minerals (Schiffer Book for Collectors)" (Englisch) Taschenbuch – SCHIFFER PUB LTD (6. Juli 2006)


Weitere Informationen im Atlas:

Mineralbeschreibung und ausführliches Porträt zu Fluorit

Board zu lumineszenten Mineralien im Forum

Uranyl(VI)-Silikate: Spektroskopie der charakteristischen Lumineszenz


Ergänzungen:

30.08.2019 Lynx


Einordnung