Потаенная радуга камня

Автор статьи: кандидат геолого-минералогических наук Михаил Владимирович Морозов    

Представьте себе свет, который струится из камня... Какая картина посетила Ваше воображение? Наверняка, это прекрасный драгоценный камень, бриллиант или рубин, ограненный рукой мастера и переливающийся всеми красками радуги, скрытыми в свете солнца. А может быть - благородный опал, сияние которого будто пробивается сквозь непрозрачный каменный панцирь. Но скроется солнце - и померкнут прекрасные камни, все станут одинаково серыми. Мало кто знает, что настает время разбудить в камне его истинный свет, не отражение чужих лучей, а его собственную, скрытую от людских глаз радугу.

Циркон (желтый), микроклин (фиолетово-красный), кальцит (розовый), флюорит (3 кристалла на переднем плане); КВ УФ

Передо мной в темноте лежит россыпь светящихся камней. Все доступные воображению краски собраны вместе - вот розовые и ярко-красные, будто угли тлеющего кострища, кристаллы кальцита, рядом с ними - нежно-голубые, синие огоньки флюорита, сияющий золотом циркон, белый арагонит. Что заставило этот невзрачный при свете солнца "гравий" вдруг засиять в темноте? Разгадка одна - ультрафиолетовый свет, излучение специальных ламп, невидимое человеческому глазу, но заставляющее камни сверкать. Это прекрасное явление носит имя люминесценции, или флюоресценции. Известно оно человечеству не так долго - лишь с тех пор, как в прошлом веке был создан первый источник ультрафиолетового света. А название ему подарил минерал флюорит, один из самых ярких каменных "ночных цветов", отнюдь не драгоценный камень, который несложно встретить практически во всех уголках мира.

ДВА СЛОВА ПРО УЛЬТРАФИОЛЕТ

Чтобы увидеть люминесценцию, человеку необходимо специальное устройство, испускающее ультрафиолетовое излучение. Тем не менее, ничего загадочного в этом излучении нет - оно окружает человека весь день, пока на небе горит солнце. Только вот воспользоваться им для поиска люминесцирующих минералов мы не можем - вместе с "солнечным" ультрафиолетом на нас льется поток обычного, видимого света, который слишком ярок и заглушает слабое свечение минералов. Если мы рассортируем падающее на Землю солнечное излучение по энергии световых волн, то получим спектр, центральную часть которого займет видимый свет, в котором чередуются все цвета радуги. С одной стороны видимый свет ограничен областью инфракрасного излучения, которое воспринимается человеком как тепло. C другой - "за" фиолетовым цветом - располагается широкая зона ультрафиолетового излучения. Энергия световой частицы (фотона) тем больше, чем короче длина световой волны. Ультрафиолетовое излучение (для простоты его часто обозначают "УФ") имеет длину волны от 100 до 380 нм, его энергия намного превышает энергию видимого света. Но и в самой УФ-области выделяют диапазоны длинно-, средне-, коротковолнового и вакуумного ("дальнего") ультрафиолета (не правда ли, напоминает диапазоны радиоволн?).

Двойник гипса; ДВ УФ

Не всякое УФ-излучение безвредно для человека. Сравнительно безопасен лишь длинноволновый УФ, который вызывает появления загара на коже и в разумных пределах даже полезен для здоровья. Он используется в медицинских лампах, соляриях, на дискотеках, а также для определения фальшивых денег и документов. Зато более коротковолновые разновидности УФ могут вызвать повреждение глазного дна, рак кожи и применяются только в технических целях со специальными мерами предосторожности. К счастью, наиболее высокоэнергетичный ультрафиолет, испускаемый Солнцем, задерживается высоко в атмосфере озоновым слоем (вот почему последние годы человечество так озабочено проблемой "озоновых дыр"). Тем из читателей, кто увлечется поиском люминесцирующих минералов, придется по душе тот факт, что весь ультрафиолет, кроме длинноволнового, задерживается обычным стеклом, то есть для защиты от него достаточно обычных очков (это не относится к излучению специальных мощных источников УФ-излучения, применяемых в науке и технике, ну да нас с Вами они беспокоить не будут). Но по этой же причине, если пытаться облучать камень сквозь стекло, никакой люминесценции не возникнет!

РОЖДЕНИЕ РАДУГИ

Теперь представим, что произойдет, если ультрафиолетовое излучение попадет на кристалл. "Часовые атомов" - электроны, расположенные во внешних электронных оболочках, поглотят кванты УФ-излучения и на кратчайшее время (миллионные или миллиардные доли секунды) перейдут на более высокий энергетический уровень, в "возбужденное состояние". Такое состояние неустойчиво, и вскоре электроны раздадут часть энергии кристаллической решетке в виде тепловых колебаний (т.е. кристалл попросту немного нагреется), а часть энергии ("если повезет") излучат в окружающее пространство в виде света. Предсказать, "повезет" нам или же люминесценция не состоится, может только специалист, работающий в области физики твердого тела. Процессы, сопровождающие люминесценцию, весьма сложны и зависят от вида кристаллического вещества, примесей и прочих "дефектов" его структуры, температуры окружающей среды и других факторов.

Теперь понятно, почему для наблюдения люминесценции требуется именно ультрафиолетовое излучение (а не инфракрасное, к примеру) - если мы хотим увидеть люминесценцию (ведь бывает свечение и не только в диапазоне видимого света), то для ее возбуждения нам потребуется излучение, обладающее большей энергией, чем видимый свет. Впрочем, в научной лаборатории для этой же цели мы можем воспользоваться и другими источниками возбуждения - рентгеновскими и электронными лучами, причем свечение минерала станет еще ярче. Любителю такие устройства недоступны - они слишком громоздки, очень дороги и требуют исключительных мер предосторожности. В нашем с Вами распоряжении - ультрафиолетовые лампы, в которых под давлением находятся пары ртути. При пропускании электрического тока они испускают видимый свет и ультрафиолетовое излучение. Если лампу закрыть специальным светофильтром, который задерживает видимый свет, а ультрафиолетовый пропускает, мы получим простейший прибор, с помощью которого можно выходить на поиски "минералов-светлячков".

Чем мощнее лампа, тем больше фотонов УФ-излучения приходится на единицу площади поверхности минерала, тем ярче люминесценция. Портативные УФ-лампы обычно имею мощность 4-6 Вт, если же Вы хотите создать на дому маленький музей или витрину с люминесцирующими минералами, то следует приобретать специальные витринные лампы мощностью 15-30 Вт.

Арагонит: КВ УФ (слева) и ДВ УФ (справа)

Не следует думать, что если минерал люминесцирует, то обнаружить это можно с помощью любого ультрафиолетового источника. Как известно, электрон, принадлежащий атому или кристаллу, изменяет свою энергию не произвольно, а "квантами", то есть ступенчатым образом. Это означает, что перевести электрон на определенный энергетический уровень можно, только воздействуя на него излучением с определенной длиной волны. А если в спектре лампы такой длины волны нет, то и люминесценции мы не увидим. Правда надо иметь в виду, что зачастую кристалл обладает целым набором возможных электронных уровней, каждый из которых "отвечает" за свою долю люминесценции и "ловит" ультрафиолетовое излучение "своей" строго определенной энергии. Здесь скрывается еще одна замечательная особенность люминесценции: энергия, которую электроны излучают при возвращении с разных электронных уровней, соответствует различным участкам спектра. Так что, меняя длину волны УФ-освещения, иногда можно заставить минерал светиться разным цветом. Конечно, конкретные особенности свечения будут зависеть от вида минерала и характера примесей в нем.

На практике, изучая люминесценцию, специалисты выделяют ультрафиолет требуемой длины волны, подбирая светофильтры или другими способами. Портативные лампы производятся со встроенными светофильтрами, причем обычно выпускаются лампы, излучающие в двух стандартных диапазонах - 254 нм ("коротковолновый ультрафиолет", КВ УФ) и 366 нм ("длинноволновый ультрафиолет", ДВ УФ). В некоторые лампы встроено одновременно два разных светофильтра. Такая стандартизация дает возможность применять лампы различных производителей и получать сопоставимые результаты, что особенно важно при использовании литературных источников.

Итак, тайна свечения минералов частично разгадана. Пора спуститься с небес теории на каменную Землю.

КАМНИ-СВЕТЛЯЧКИ

Внимательный читатель должен был отметить, что люминесцировать могут самые разные минералы. Среди них и драгоценные камни - алмаз, рубин, сапфир, топаз, шпинель, кунцит, опал, лазурит, бирюза, янтарь, но есть и "простые" минералы, которые никогда не привлекут Ваш взор, если попадутся на глаза не как кристаллы, а в виде обломков. Между тем именно такие минералы найти несложно, а радость при виде светящегося камушка ничем не уступит чувству, которое вызывает ювелирный камень в драгоценной оправе. В природе открыто уже более 3000 минералов, а люминесцируют из них более 500. Это значит, что практически в любой горной породе может найтись люминесцирующее зернышко. Наиболее известные люминесцирующие минералы - флюорит, минералы-карбонаты (кальцит, доломит, магнезит, арагонит и другие), апатит, циркон, шеелит. Рудные минералы - самородные металлы, их оксиды и сульфиды обычно не люминесцируют. Кроме того, к сожалению "не светятся" такие красивые минералы как кварц, халцедон и их разновидности, а также многие бериллы, гранаты, турмалины.

Обычно минералы не светятся "в чистом виде", для возникновения люминесценции необходимо присутствие активаторов - структурных примесей различных химических элементов. Типичными активаторами являются редкоземельные элементы, хром, марганец, уран. Вызывать люминесценцию могут комплексы переходных металлов, молекулярные ионы и даже дефекты кристаллической структуры минерала, не связанные с примесями.

Шеелит; КВ УФ	Кальцит; КВ УФ	Кальцит; ДВ УФ

Вот короткие описания люминесценции некоторых распространенных минералов (указаны: название минерала, его химическая формула, цвета люминесценции в КВ и ДВ диапазонах):

Алмаз. C. КВ и ДВ: голубой, светло-зеленый, желтый, оранжевый, красный.
Арагонит. Ca[CO₃]. КВ и ДВ: белый, зеленый, желтый, кремовый, голубовато-белый, красный. оранжевый.
Апатит. Ca₅[(F,Cl,OH)|(PO₄)₃]. КВ и ДВ: оранжевый, желтый. коричневы, красный, кремовый, белый, фиолетовый, голубовато-серый.
Кальцит. Ca[CO₃]. КВ и ДВ: красный, белый. зеленый. голубой, оранжевый, фиолетовый, пурпурный.
Корунд (рубин, сапфир). Al₂O₃. КВ и ДВ: красный, пурпурный, оранжевый, желтый; КВ: голубой.
Флюорит. CaF₂. КВ и ДВ: голубой, фиолетовый, белый, красный, желтый, кремовый.
Циркон. Zr[SiO₄]. КВ (слабее в ДВ): ярко-желтый, оранжевый.
Шеелит. Ca[WO₄]. КВ: бело-голубой, кремовый, желтый.
Шпинель. MgAl₂O₄. КВ и ДВ: красный; ДВ: зеленый, голубой.
Урановые слюдки (отенит, торбернит). (Ca,Cu)[UO₂|PO₄]₂Ю10-12H₂O. КВ и ДВ: яркий желто-зеленый, зеленый, желтый.

Опал: КВ УФ (слева) и ДВ УФ (справа)

Есть еще одно интересное явление, которое Вы сможете обнаружить: некоторые камни, после того как Вы выключите УФ-лампу гаснут медленно, как бы затухая. Это явление называется фосфоресценцией, оно нередко наблюдается у опала, кальцита, арагонита. Вот почему даже из одного минерала можно, если постараться, составить прекрасную коллекцию, в которой все образцы будут светиться по-своему, удивляя и радуя Вас и Ваших гостей.

ЕСТЬ ЛИ ПОЛЬЗА ОТ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ МИНЕРАЛОВ?

Прежде чем броситься на поиски красивых образцов, хотелось бы сказать о том, что люминесценция минералов не только красивый и забавный феномен, но и полезный инструмент в самых разных областях деятельности человека. Прежде всего человек стал использовать люминесцирующие минералы для поиска месторождений редких металлов. Имея под рукой небольшую ультрафиолетовую лампу, легко диагностировать такие минералы, как шеелит (ценнейшая руда на вольфрам), циркон (цирконий), многие урановые минералы. В те времена, когда люминесцентный способ был фактически единственным доступным методом полевой диагностики этих минералов, издавались даже специальные пособия по их определению. И сегодня на некоторых месторождениях вольфрама у горняков ультрафиолетовая лампа дополнительно вмонтирована в шахтерский фонарь.

Другая важная задача - определить подделку драгоценного камня, отличить природный камень от синтетического. Ошибка здесь может дорого обойтись, поэтому геммологи - специалисты по драгоценным камням, давно используют ультрафиолетовые лампы, им мы обязаны введением стандартизации ламп по длинам УФ-излучения.

В науке и технике люминесценция природных и синтетических минералов тоже не на последнем месте. Изучение законов формирования месторождений в земной коре, особенностей роста минералов, свойств синтетических материалов не обходится без люминесцентного инструментария. Впрочем, обо всех областях применения люминесценции, обо всех ее разновидностях не рассказать в двух словах.

КАК СОБИРАТЬ КОЛЕКЦИЮ СВЕТЯЩИХСЯ КАМНЕЙ

Так чем же должен запастись начинающий коллекционер люминесцирующих минералов? Единственный необходимый инструмент - это ультрафиолетовая лампа. Правда здесь начинаются проблемы: где взять портативную УФ-лампу в России? Отечественных производителей таких ламп найти трудно, автору настоящей статьи они, к сожалению, не известны. За границей такие предприятия существуют, но с ними связаться трудно. Выходов несколько - если есть возможность, стоит посетить выставку минералов или специализированный магазин за рубежом, можно разыскать соответствующие фирмы в сети Интернет или в журналах для коллекционеров минералов (Lapis, Мир камня и др.). Не вредно заглядывать и на выставки-продажи камней-самоцветов (например, на регулярную выставку "Мир камня" в Санкт-Петербурге). Настойчивому рано или поздно повезет.

Стоит не пожалеть денег и купить такую лампу, которая излучает и в котротко-, и в длинноволновом диапазоне. Кроме того, хорошо бы приобрести специальные защитные очки - береженого Бог бережет, хотя мощность наших ламп достаточно мала, чтобы причинить реальный ущерб здоровью (очкарики могут радоваться - сквозь стеклянные линзы ультрафиолет не проходит).

Начать поиски "светящихся камней" можно на той же выставке-продаже минералов. Здесь Вам может повезти, если попадется дешевый и невзрачный на вид камень (к примеру, один из карбонатов), сияющий ярким светом. Помните, что на ярком свету люминесценции не будет видно - надо укрыться в темном помещении или хотя бы накрыться с головой плотной курткой. Любителям находить все самостоятельно не обойтись без геологического молотка, фонаря, рюкзачка и запаса терпения. Скорее всего, охота предстоит ночная, поэтому фонарик совершенно необходим. Будьте осторожны, ночь - не самое лучшее время для прогулок, поэтому, выбираясь в старый карьер или "на природу" в поисков выходов горных пород, соблюдайте необходимые меры предосторожности!

Магнезит (белый), кальцит (оранжево-красный), флюорит (3 кристалла на переднем плане); ДВ УФ

Куда ехать? Универсального ответа на этот вопрос нет. Конечно, существуют прекрасные месторождения, где особенно много люминесцирующих минералов, но это уже тема другого разговора. Главное, что и рядом с Вашим домом, на берегу реки, в скалистых обрывах или на руднике могут встретиться замечательные образцы, достойные самого серьезного музейного собрания.

ЧТО ПРОЧИТАТЬ (для самых любознательных)

Прочитана маленькая глава о люминесценции минералов, а вопросов осталось много. Куда обратиться за дальнейшей информацией? К сожалению, популярные книги о люминесценции минералов, число которых за рубежом уже перевалило десяток, недоступны на русском языке. Зато на нем можно найти великолепную, не имеющую зарубежных аналогов, научную литературу, которая может пригодиться тем, кто хочет глубже разобраться в физике явления люминесценции. Закономерный парадоксЕ Пусть он поможет нам и всесторонне познакомиться с предметом, и лучше выучить английский язык! И то и другое может пригодится, так как очень много современной информации о люминесценции минералов доступно в компьютерной сети Internet (и все - в зарубежных сетях): здесь и фотографии светящихся минералов, и популярная информация, научные и любительские общества (и такое, оказывается, есть за рубежом), возможность заказать книгу и просто познакомиться с любителями люминесценции и всего загадочного и прекрасного, что окружает замечательный мир минералов.

Литература

Марфунин А.С. Спектроскопия, люминесценция и радиационные центры в минералах. М., Недра, 1975.
Солодова Ю.П. и др. Определитель ювелирных и поделочных камней. М., Недра, 1985.
Таращан А.Н. Люминесценция минералов. Киев, Наукова думка, 1978.
Robbins, M. The collector's book of fluorescent minerals. New-York, Van Nostrand Reinhold, 1983.
Robbins, M. Fluorescence: Gems and minerals under ultraviolet light. Phoenix, Arizona Geoscience Press, 1994.
Warren, T.S. et al. Ultraviolet light and fluorescent minerals: Understanding, collecting and displaying fluorescent minerals. Thomas S.Warren Publ., 1995.

Вариант статьи "Потаенная радуга камня" опубликован в 3-м выпуске журнала "Минерал" (1999, N2).
Автор выражает глубокую признательность за предоставленные образцы профессору Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) доктору геолого-минералогических наук М.А.Иванову (флюориты, шеелит) и доцентам кандидатам геолого-минералогических наук В.А.Романову (кальцит, арагонит, опал, гипс) и В.В.Смоленскому (циркон, полевой шпат, кальцит), а также особую благодарность - старшему лаборанту кафедры минералогии, кристаллографии и петрографии СПГГИ(ТУ) Т.В.Спецовой.

Интересные ссылки

Профессиональные общества.
Общество люминесцентной микроскопии и спектроскопии (Society for luminescence microscopy and spectroscopy).
Любительские общества.
Общество любителей флюоресцирующих минералов (Fluorescent Mineral Society).
Страницы коллекционеров.
Коллекция флюоресцирующих минералов Кена (Ken's Fluorescent Minerals).
Книги.
Научно-популярные книги по люминесценции на английском языке.
Образовательная информация ON-LINE.
Страница "Люминесценция он-лайн", по темам (Online Luminescence Users Groups).

© 1999-2000, М.В.Морозов