Minerali Luminescenti
Le collezioni di minerali in musei o mostre private sono sempre ben illuminate con forti luci bianche, offrendo una bellissima gamma di colori che le rende attraenti per i collezionisti. Ma alcuni minerali hanno una proprietà unica: un arcobaleno di colori che viene rivelato solo utilizzando speciali luci ultraviolette. Sebbene la luce UV sia invisibile all’occhio umano, questi “minerali fluorescenti” reagiscono alla luce UV emettendo luce visibile e splendono in tutti i colori dell’arcobaleno. Questa proprietà è nota come fluorescenza.
La fluorescenza è solo un particolare fenomeno di una famiglia più grande, chiamata luminescenza. Il termine “luminescenz” fu usato per la prima volta nel 1888 dal fisico e storico della scienza tedesco Eilhardt Wiedemann per tutti quei fenomeni in natura che emettono luce, ma che non sono unicamente condizionati dall’aumento della temperatura. Con aumento della temperatura Wiedemann si riferisce al fatto che tutti i materiali emettono luce, o, più in generale, radiazioni, di lunghezza d’onda sempre più corta all’aumentare della temperatura. A temperature molto alte le radiazioni emesse possono essere percepite dall’occhio umano e il materiale diventa “rosso incandescente”. Questa condizione di incandescenza o “luce calda” è in contrasto con la luminescenza o “luce fredda”. Per molti secoli l’incandescenza è stata il metodo universale di illuminazione: il sole, la torcia, la candela, la lampada a petrolio, il gas o il filamento di tungsteno sono serviti sia a riscaldare che ad illuminare.
La luminescenza è una “luce fredda” che può essere emessa a qualsiasi temperatura. Nei materiali luminescenti una fonte di energia spinge gli elettroni del materiale dal loro stato “fondamentale” di energia più bassa in uno stato “eccitato” di energia superiore. Gli elettroni però vogliono tornare al loro stato fondamentale, e facendo questo, restituiscono l’energia che avevano acquisito sotto forma di luce. Con poche eccezioni, l’energia di eccitazione è sempre maggiore dell’energia della luce emessa; semplificando, un po’ di energia viene sempre persa durante questi passaggi. La differenza fra i diversi tipi di luminescenza sta nel tipo di energia che viene usata per l’eccitazione degli elettroni: luce nella fotoluminescenza, elettroni nella catodoluminescenza, una reazione chimica per la chemiluminescenza, e così via.
Di seguito sono descritti alcuni di questi fenomeni, in particolare quelli relativi ai minerali e che si possono osservare e riprodurre a casa propria.
Fluorescenza & Fotoluminescenza.
Come accennato la fotoluminescenza è una luminescenza causata dalla luce. Con il termine “luce” si intende qui un qualsiasi tipo di radiazione elettromagnetica, quindi infrarosso, la luce visibile (rosso, giallo, verde e blu), la luce UV, i raggi X, e cosi via. Tutti questi tipi di “luce” sono descritti in fisica nello stesso modo – onde elettromagnetiche o fotoni – e l’unica variabile è la loro energia: i fotoni infrarossi hanno energia molto bassa, quelli della luce visibile un po’ più alta, UV più alta ancora. Ricordando che in luminescenza la luce emessa ha sempre energia minore della luce usata per l’eccitazione, eccitazione con luce infrarossa non può produrre luce visibile, ma luce visibile può generare luce infrarossa e luce UV può generare luce visibile. Questo è quello che rende più interessante la fotoluminescenza tramite luce ultravioletta, tanto da dagli un nome proprio: fluorescenza. Luce UV, invisibile all’occhio umano, che genera luce visibile. Anche i raggi X causano molte luminescenze interessanti, ma le sorgenti di raggi X sono troppo costose, non abbastanza portatili e richiedono troppa schermatura e attenzione alla sicurezza per l’uso ordinario. Lampade ultraviolette sono invece facili da reperire, relativamente poco costose, e necessitano di poche misure di sicurezza.
Ci sono molti minerali fluorescenti. Si stima che intorno al 10-15% di tutti i minerali siano fluorescenti. Alcuni di questi sono la calcite, fluorite, aragonite, willemite, sodalite. Ma molti minerali possono “brillare” alla luce UV nelle giuste condizioni. La maggior parte dei minerali non sono fluorescenti quando sono puri. Le impurità, solitamente chiamate “attivatori”, provocano la fluorescenza di un minerale. Attivatori diversi, in quantità variabili, insieme ad altre impurità possono rendere lo stesso minerale fluorescente in diversi colori, o non emettere affatto fluorescenza. La quantità e tipo di attivatori in un minerale determina il colore e la luminosità della fluorescenza.
Fosforescenza
La fosforescenza è luminescenza “a scoppio ritardato”. Quando gli elettroni vengono eccitati in uno stato ad alta energia, solitamente decadono nel loro stato fondamentale immediatamente. In questo caso si parla di fluorescenza. In alcuni casi, gli elettroni rimangono intrappolati nello stato eccitato e impiegano più tempo per ritornare nello stato fondamentale. In questi casi la luce viene emessa durante un periodo di tempo più lungo, anche dopo che la sorgente di energia (leggi, la lampada ultravioletta) viene rimossa (leggi, spenta). Molti prodotti che si illuminano al buio, in particolare i giocattoli per bambini, contengono sostanze fosforescenti che si “ricaricano” alla luce del sole, per poi riemettere un po’ di luce quando portati al buio.
Nel mondo dei minerali ci sono molti esempi di fosforescenza. Di solito la durata non è così lunga come nei prodotti sintetici usati nei giocattoli, ma è comunque facilmente osservabile per alcuni secondi dopo che la luce ultravioletta è stata spenta. I più comuni sono probabilmente la calcite e l’aragonite, fluorescenti un bianco tendente all’azzurro, e fosforescenti verde chiaro.
Termoluminescenza.
La termoluminescenza è una fosforescenza innescata da temperature superiori a una certa soglia. Questo non deve essere confuso con l’incandescenza, che si verifica a temperature molto più elevate. Una sostanza termoluminescente è sostanzialmente fosforescente, nella quale gli elettroni nello stato eccitato non riescono da soli a tornare nello stato fondamentale, ma hanno bisogno di un aiuto, di una spinta. Questa gli è data, sotto forma di energia termica, da un incremento di temperatura. Non è quindi il calore in sé a causare la luminescenza, ne è solo l’innesco per il rilascio di energia che originariamente proveniva da un’altra fonte. Può essere che tutte le fosforescenze abbiano una temperatura minima, ma molte ne hanno una inferiore a temperatura ambiente e normalmente non sono pensate come termoluminescenze.
Riprodurre in casa propria la termoluminescenza è un po’ più difficile rispetto ad osservare la fluorescenza o la fosforescenza. Questo perché i casi più evidenti di termoluminescenza non possono essere “ricaricati” usando luce ultravioletta, ma necessitano di raggi X o altre radiazioni, o non possono proprio. Questo rende la termoluminescenza osservabile una sola volta, disattivando per sempre il minerale. In alcuni, la termoluminescenza può essere osservata più volte, ripetendo i cicli caldo/freddo, a patto di non scaldare troppo il materiale.
Triboluminescenza.
Spiegare la triboluminescenza è un po’ difficile, anche perché i meccanismi di azione non sono sempre compresi nel dettaglio. Generalmente, si parla di triboluminescenza quando la luminescenza è causata da una azione meccanica, come la rottura dei cristalli o il loro sfregamento. L’esempio forse più comune fra i minerali è il quarzo. Quando due cristalli di quarzo sono sfregati fra di loro questi emettono una breve luce giallo-arancione. Un altro esempio interessante è la triboluminescenza in alcune sfaleriti. Alcune sfaleriti sono fluorescenti e fosforescenti. Quando queste vengono graffiate da un oggetto metallico, ad esempio un chiodo di ferro, generano luce UV tramite la loro triboluminescenza. La luce UV a sua volta causa la fluorescenza e la fosforescenza. Grazie alla durata leggermente più lunga della fosforescenza, rispetto alla durata della triboluminescenza, l’effetto è ben visibile ed apprezzabile.
Bibliographia.
- E. Newton Harvey "A history of Luminescence. From the Earliest Times Until 1900" The American Philosophical Society, 1957
- “UV Topics” su naturesrainbow.com
- “Luminescence” su uvminerals.org
- Le foto sono tratte dal sito naturesrainbows.com. Andate a farci una visita!
Immagine di copertina: Chondrodite, calcite, diopside, aragonite da Long Lake Zinc Mine, Ontario, Canada foto di Dennis Michael.