Előfizetés a lapra

Világító ásványok

A fény nemzetközi éve, ásványtan, fluereszkálás, foszforeszkálás, geológia, lumineszkálás, világító

2016/03/01

Néhány éve igen népszerűek az ásványgyűjtők körében Tokaj szomszédságában, a tarcali andezitkőfejtőkből előkerült üvegopál példányok. A sötét andezitet bevonó, első látásra megszilárdult Technokol ragasztónak tűnő, gömbös-fürtös, üvegszerű, színtelen hialit valóban igen látványos. Egy különlegessége azonban kizárólag sötétben érvényesül, persze csak ha rövidhullámú ultraibolya fénnyel világítjuk meg: ekkor ugyanis élénkzöld színben világít.

Nyitóképünkön: az ásványok színpompáját bemutató vitrin az MTM Titkok a föld alatt című állandó kiállításában

(PAPP GÁBOR FELVÉTELE)

Az ásványok egyik legszembetűnőbb fizikai tulajdonsága a szín, mely – mint minden más tárgy esetében – attól függ, hogy az ásvány mennyire egyenletesen nyeli el a fényt. Az ásványok színét a felépítő kémiai elemek – mind az ásvány képletében szereplő fő alkotók, mind az ezeken kívüli helyettesítők – mibenléte, egymáshoz kapcsolódásuk, a kristályszerkezetben való elrendeződésük, a kristályszerkezet hibái, a megvilágító fény hullámhossza, a szemünk vagy a vizsgáló műszer érzékenysége, sőt a megfigyelés iránya is befolyásolja.

A láthatóvá tett láthatatlan

Sötétben természetesen az ásványok is láthatatlanok, kivéve, ha valamivel „rábírjuk”, azaz arra gerjesztjük az ásványt, hogy látható – 380–760 nm hullámhosszú – fényt bocsásson ki, tehát lumineszkáljon. A gerjesztésnek és az általa létrehozott lumineszkálásnak több fajtája létezik. Talán a legkevésbé ismert a mechanikai hatásra (karcolás, törés, dörzsölés) fellépő fénykibocsátás, a tribolumineszcencia, mely például a szfalerit karcolásakor, a kvarc törésekor vagy egyes gyémántok dörzsölésekor figyelhető meg. Sőt, lumineszcenciát idézhetünk elő hevítéssel, röntgensugárzással vagy kémiai reakciókkal is.

 Gyakorlati szempontból fontos az elektronbesugárzással előidézett ka­tód­lu­mi­nesz­cencia, amelyet az ásvány- és kőzettani kutatásban is felhasználnak. Az egyes ásványszemcséken, illetve az általuk alkotott szöveti elemekben található eltérő fénykibocsátású részek a képződési folyamatok ütemére és eltéréseire utalnak. A ka­tód­lu­mi­nesz­cens mikroszkópiával láthatóvá tett szöveti elemeket azután különböző mik­ro­elem­zési módszerekkel vizsgálják, mint ahogy a Föld legidősebb ásványainak kormeghatározása során is tették.

 A legismertebb, leglátványosabb – és az ásványtani gyakorlatban is leginkább kiaknázott – jelenség a fény abszorbeálása követeztében fellépő fo­to­lu­mi­neszcencia. Két fő típusát különítik el, a fluoreszkálást, amikor a lumineszkálás voltaképpen csak a megvilágítás ideje alatt – tehát az abszorbcióval egyidejűleg – észlelhető, és a foszforeszkálást, amikor a fénykibocsátás hosszabb-rövidebb idővel a megvilágítás – így az abszorbció – után jelentkezik. Maga a fluoreszkálás fogalom is egy ásványról, a jelenséget intenzíven mutató fluo­rit­ról kapta a nevét.

Gerjesztés UV-sugárzással

A fotolumineszcenciára a Stokes-féle eltolódási törvény alapján jellemző, hogy a gerjesztés hatására kibocsátott fény energiája kisebb, így hullámhossza hosszabb, mint a gerjesztőé. Ahhoz tehát, hogy látható fény kibocsátására bírjuk az ásványokat, nagyobb energiájú, azaz rövidebb hullámhosszú sugárzásra, praktikusan UV-fényre van szükségünk. Az ultraibolya (vagyis az ibolyakéken is túli hullámhosszú) fény olyan elektromágneses sugárzás, melynek hullámhossztartománya (100–400 nanométer) a látható fényé (380–760 nm) és a röntgensugárzásé (0,01–100 nm) közé esik. Az UV-tartományt három főbb részre szokás osztani. Az UV-A (400–315 nm), más néven hosszúhullámú vagy „blacklight” az emberi szem számára láthatatlan, de egyes állatok, főleg rovarok, hüllők, madarak érzékelik. A másik két tartomány az UV-B (315–280 nm), más néven középhullámú, és az UV-C (280–100 nm), más néven rövidhullámú tartomány. A germicid- (azaz csíraölő) lámpák sugárzási tartománya ez utóbbinak felel meg (a „csíraölő” kifejezés arra utal, hogy a DNS roncsolásával megakadályozzák a baktériumok szaporodását).

Fluorit (Rogerley Mine, Durham, UK) napfényben (a), mesterséges fényben (b) és hosszú hullámhosszú UV-fényben (c)

(FORRÁS: HTTPS://WWW.SPIRIRERMINERALS.COM/106.TUCSON2015.HTML)

 A Nap sugárzási energiájának mintegy 10 százaléka az UV-tartományban van, ennek egy része a Föld felszínét is eléri. A Földre érkező UV-sugárzás jelentős része az UV-A-tartományba esik, mert az UV-B jelentős részét, az UV-C-t pedig teljesen elnyeli az ózonréteg. A napfény UV-sugárzásának természetes gerjesztő hatásából adódik, hogy néhány ásvány színe napfényben és mesterséges fényben más és más.

 A leglátványosabb fo­to­lu­mi­nesz­cen­ci­át speciális lámpák segítségével idézhetjük elő. Az ásványok esetében a legelterjedtebb és legolcsóbb a hosszú hullámhosszú (UV-A) tartományban sugárzó BLB (blacklight blue) fényforrás, mely intenzitásmaximuma 365 nm-nél van, de sugároz valamennyi látható kék fényt is. Ám a legtöbb – és leglátványosabban világító – ásványt csak olyan, a rövid hullámhosszú tartományban sugárzó (UV-C 254 nm), speciális kvarcüvegből készült, germicidcsöves lámpával tudjuk gerjeszteni, mely a látható fény kiszűrésére költséges és nehezen beszerezhető szűrővel is el van látva. A germicidcső használata fokozott óvatosságot kíván, mert égési sebeket okozhat, rákkeltő, a termelődő ózon miatt mérgező lehet. A veszélyessége és a szűrő költségessége miatt egyelőre nem terjedt el az ásványgyűjtők körében.

Terlingua típusú kalcit (Challenger Cave, Nuevo León, Mexikó) napfényben (a), 365 nm-es UV-A-fényben (b), 330 nm-es UV-B-fényben (c), és 254 nm-es UV-C-fényben (d)  (FOTÓ: JAMES HAMBLEN)

 Újabban az UV-B-tartományban sugárzó UV-fényforrásokkal is végeznek gerjesztést, mert néhány ásvány – például bizonyos kalcitok – erősebben és/vagy eltérő színnel világítanak a középhullámú UV-gerjesztés hatására.

Színváltók

Vannak olyan ásványok, amelyek csak az egyik UV-tartományban gerjednek, míg mások mindkettőben vagy ritkábban mindháromban, de eltérő színnel és/vagy eltérő intenzitással. A fotósorozaton látható híres kalcit erősen és a gerjesztéstől függően különböző (254 nm: kékesfehér, 365 nm: zöldesfehér) színben foszforeszkál is!

 A mai ismert mintegy 4500 ásványfaj közül közel 600 lumineszkál, ezek több mint 6500 lelőhelyről ismertek. Vannak köztük igen széles elterjedésűek (így a kalcit, scheelit és a hialit), míg akadnak olyanok (például a benitoit, tugtupit, esperit), amelyek csak néhány vagy akár egyetlen lelőhelyről kerültek elő.

 Ugyanazon ásvány lehet az egyik lelőhelyén teljesen inaktív, míg egy másikon UV-aktív, azaz „világít”. Ez akár egyazon lelőhelyen belül is eltérhet a különböző generációk közt, sőt a zónás színezésű ásványokhoz hasonlóan egyazon kristályon belül is lehetnek UV-aktív és -inaktív övek. Talán a kalcit világít a legváltozatosabb színekben, de a fluorit és az apatit fluoreszcens színei is eltérők lehetnek.

A titok nyitja: aktivátorok

A lumineszcencia létrejöttéhez a kristályrácsban megfelelő tulajdonságú – ak­ti­vá­tor­nak nevezett – atomra, atomcsoportra van szükség. A beérkező foton az aktivátor atom egy elektronját gerjeszti, azt alapállapotból vezetési sávba juttatja, majd szabadon mozogva az elektron, egy másik aktivátor atom betöltetlen elektronhelyére visszajutva rekombinálódik, miközben látható fényt bocsát ki. A gerjesztett állapot élettartama szabja meg, hogy meddig sugároz ki fényt. A foszforeszcencia esetében a gyors rekombinációt az elektron „csapdázódása” megakadályozza, s csak további energiát abszorbeálva, késleltetve jut vissza az elektron az alapállapotba. Csapdákat okozhatnak rácshibák vagy gátló atomok jelenléte.

 Egyes ásványoknál maguk az ásványt alkotó elemek, anioncsoportok az aktivátorok. Ezeket az önaktivált ásványokat intenzív és mindig azonos színű lumineszcencia jellemzi, mert az egyszerre gerjedő aktivátorok száma jelentős. Ilyenek a wolframátcsoportot tartalmazó ásványok, például a kékesfehér színben fluoreszkáló scheelit, a molibdátcsoportot tartalmazó ásványok, például a világossárga színt mutató powellit, az uranilcsoportot tartalmazó másodlagos uránásványok. Egyes önaktivált ásványok intenzív fluoreszkáló tulajdonságát a nyersanyagkutatásban is hasznosítják, éjjelente UV-lámpával járják be a vizsgálandó területet. Így térképezték fel az ausztriai scheelitlelőhelyet is Mittersill­ben.

Látogatók  rövidhullámú UV-fényben a Sterling Hill Bányászati Múzeum (Franklin, NJ, USA) egyik bányajáratában. A vörös színben világító ásvány kalcit, az élénk zöld willemit, a kékeslila hardystonit, a fekete nem világító ásvány pedig franklinit.

 A fluoreszkáló ásványok többségénél azonban az aktivátorok a szerkezetbe beépülő „idegen” helyettesítő elemek: mangán, ólom, higany, króm, titán, bór, a ritkaföldfémek közül például európium, cérium, diszprózium, ittrium. Az aktivátorok közül a ritkaföldfémek és az uranilcsoport beépülése ásványtól függetlenül azonos színt eredményez, például az európium kék színt okoz a fluoritban, földpátokban, kalcitban, apatitban, az uranilcsoport pedig jellegzetes uránzöldet a kalcitban, aragonitban, gipszben, opálban.

 A mangán aktivátorként számos ásvány esetében a narancs és vörös színért felelős, például a kalcit, a wollastonit, de az esperit sárga és a willemit élénkzöld színét is hozzá kapcsolják.

 Néhány esetben aktivátorpároknak tulajdonítják a lumineszcenciát. Az élénkvörös színben lumineszkáló kősót vizsgálva derítették ki, hogy a mangán mellett annak hatását erősítő – úgynevezett érzékenyítőként –, az ólom is kimutatható. Ilyen érzékenyítő elem lehet az ólom, a bizmut, az arzén, a réz, a gallium, az indium, az erbium és az ón. Fluoreszcenciát okozhatnak a kristályrácsnak a helyettesítő elemek beépülésén kívüli egyéb „hibái” és a szerves anyag – például kőolaj – jelenléte is. Vannak azonban olyan elemek is, mint például a vas, amelyek gátolják, gyengítik a fluoreszcenciát.

 Bár a lumineszkálás jelenségének felismerésében és későbbi kutatásában fontos szerepet kaptak a világító ásványok, még sok vizsgálat szükséges a fénykibocsátást okozó tényezők megismeréséhez. A homokóra formájú növekedési alakzatot mutató gipsz egykristály kékesfehér fluoreszkálását például egyes szerzők a szervesanyag-tartalomnak tulajdonítják, míg mások stroncium-helyettesítéssel magyarázzák. Az ásványok tényleges vegyi összetételének és kristályszerkezetének az idealizált modelltől való finom eltérései, valamint a létrehozó folyamatok összetettsége miatt sokszor nehéz az egyértelmű válasz. A fluoreszcencia folyamatának még pontosabb megértéséhez, a létrejövő színek okozóinak kiderítéséhez egyrészt az egyre érzékenyebb és pontosabb mérést biztosító eszközök segíthetik a kutatókat. Másrészt az olyan minták vizsgálatával is egyre többet tudunk meg e jelenségekről, amelyeket mesterségesen hozunk létre különféle aktivátorokkal adalékolt tiszta összetevőkből.

Hol találhatók?

A világító ásványok legismertebb lelőhelye az USA-ban, New Jersey-ben található, Franklin és Sterling Hill vas-cink-mangánérc bányaterületén. Méltán híres, hiszen világrekorder a közel 90 világító ásványával, de  a paragenezist alkotó ásványgazdagsága, változatossága is lenyűgöző: az itt található 357 ásványfajból 28 csak erről a lelőhelyről ismert. E rendkívüli fajgazdagság és különlegesség mellett  ráadásul  világító ásványai a leglátványosabb, legpompásabb színváltozatosságot és igen erőteljes intenzitású fluoreszkálást és foszforeszkálást produkálják rövidhullámú UV-fény hatására. Legismertebbek a tűzvörös kalcit, az élénkzöld willemit, a citromsárga esperit, a kékeslila hardystonit, az  élénk rózsaszínű mangánrosasit. Az innen származó példányok nem hiányozhatnak egyetlen világító ásványokat bemutató kiállításról sem.

Gipsz (Gánt) műfényben és 254 nanométeres UV-fényben

(FORRÁS: MAGYAR   TERMÉSZETTUDOMÁNYI MÚZEUM)

 Bár a bányákat 1986-ban végleg bezárták, de egyes tárók és egy remek múzeum várja a látogatókat, sőt a meddőhányókon UV-lámpával felszerelve még gyűjteni is lehet.  A bányaterületre az 1800-as években kitelepült egyik magyar család leszármazottja, Louis Cherepy úr által adományozott világító ásványgyűjtemény a Földtani Intézet kiállításában tekinthető meg.

 Hazánk világító ásványokban nem igazán bővelkedik. A különböző lelőhelyű, genetikájú kalcitjaink azonban változatos színeket mutatnak, például: fehér (Uzsa), sárga (Vác), rózsaszínű (Úrkút) és vörös (Gyöngyösoroszi). Fluoreszkáló barit, gipsz, aragonit, fluorit, kalcedon is fellelhető. Fluoreszkál az igazán különleges ásványtani ritkaságunk, a csordakúti mellit is.  Az utóbbi években a rövidhullámú UV-lámpák hazai megjelenésének, használatának köszönhetően az üvegopálok (Megyaszó-Monok, Tarcal, Gyöngyössolymos) és a felsőpetényi gipsz élénkzöld színű fluoreszkálása vált ismertté.

 JÁNOSI MELINDA

 

Aki szeretne elmélyedni a világító ásványok varázslatos világában, feltétlenül keresse fel az alábbi internetes oldalakat:

 http://uvminerals.org/fms/about-fluorescent-mineral-society

 http://www.fluomin.org/uk/accueil.php

 http://www.sterlinghillminingmuseum.org/warren/themedisplays.php

 

 

2015/52