Как известно, кристаллы минералов состоят из определенным образом упорядоченных атомов различных химических элементов. Некоторые атомы, не входящие в «нормальный» химический состав минерала, могут замещать «правильные» для конкретного минерала атомы в его кристаллической структуре, такие атомы являются примесными.
Некоторые электроны в атомах обладают свойством абсорбировать (поглощать) энергию, хранить ее какое-то время и высвобождать с различной задержкой по времени. Источники такой энергии отличаются разнообразием. Это может быть и излучение любого вида, и электрический разряд, и изменение температуры, и даже энергия разрушения кристаллической структуры.
Визуально такое высвобождение предварительно накопленной энергии проявляется в свечении, то есть в испускании светового излучения в видимом человеческим глазом диапазоне и называется «люминесценцией».
Известно несколько видов люминесценции.
Некоторые минералы могут (но не обязаны!) демонстрировать свечение при механическом разрушении их кристаллов! Такое явление, физико-оптический феномен, называется «триболюминесценция». В число минералов, способных демонстрировать триболюминесценцию, входят: кальцит, доломит, флюорит, лейкофанит, магнезит, пектолит, кварц, сфалерит, велоганит.
Некоторые минералы абсорбируют энергию света или ионизирующего излучения, но высвобождают ее только при нагревании. Такой физико-оптический эффект называется «термолюминесценция». Самый яркий представитель термолюминесцентного мира — флюорит. Таким же свойством обладает, к примеру, кальцит. А вульфенит термолюминесцентен «наоборот», он начинает светиться не при нагревании, а при охлаждении до температур около нуля и ниже.
Некоторые минералы обладают способностью абсорбировать и накапливать энергию из видимого света, а освобождать и выделять ее без всякий дополнительных условий в темноте или даже при слабом освещении (если поток освобождаемой энергии оказывается сильнее возможного поглощаемого потока). Такое физико-оптическое явление называется «фосфоресценция». С этим феноменом мы все, в той или иной степени, знакомы из обычной жизни — светящиеся циферблаты часов, елочные игрушки. Форфоресценция свойственна кальциту, флюориту, целестину, коллеманиту, сфалериту, виллемиту, некоторым другим минералам. Как видно из названия, форфоресцировать могут также и кристаллические формы форсфора (чистого и оксидов).
Термолюминесенция и форфоресценция относятся к «задержанной» люминесценции, то есть энергия накапливается и может храниться долгое время.
Наиболее известный вид люминесценции является «быстрой». То есть накопленная энергия освобождается почти сразу, с очень малой задержкой по времени. Источником поступления энергии в этом случае является ультрафиолетовое излучение. Такой физико-оптический феномен называется «флюоресценция».
Так как задержка по времени между накоплением и высвобождением энергии очень мала, мы наблюдаем флюоресценцию сразу после начала облучения минерала ультрафиолетом.
Не все электроны не всех атомов не всех элементов обладают такой способностью — накапливать и «хранить» энергию. Атомы элементов, чьи электроны могут это делать, называются «активаторами». В роли активаторов выступают чаще всего кристаллообразующие и примесные атомы марганца. Именно марганец играет важнейшую роль в проявлении флюоресценции у большинства флюоресцирующих минералов. Также в роли активатора могут выступать атомы редкоземельных элементов и лантаноидов. Сильнейшим активатором является уран.
Некоторые атомы выполняют в кристаллах строго обратную роль, снижают или вообще гасят флюоресценцию. Такие атомы называют «ингибиторами».
Основным ингибитором в кристаллах служит железо. Если эффект влияния железа превалирует над эффектом влияния активатора, флюоресценции не наблюдается даже при наличии в кристалле атомов-активаторов. Если влияние активаторов превалирует над влиянием ингибиторов, то флюоресценция наблюдается, а сила флюоресценции зависит в основном от соотношения силы влияния активатора и ингибитора.
Единственным относительным исключением является уран. В форме уранил-иона уран является настолько мощным активатором, что его яркое зеленое свечение под УФ заметно практически всегда, если сам уран присутствует в относительно небольшом, но достаточном количестве и его частицы достаточно велики.
На иллюстрациях несколько авторских фотографий флюоресценции драгоценных камней.
Флюоресценция в херкимерском диаманте (кварц). Голубое свечение — нефть; желтое точечное свечение, скорее всего, флюорит.
Флюоресценция флюоритов.
Флюоресценция розового сапфира.
Флюоресценция скаполитов.
Флюоресценция шеелитов
Флюоресценция афганитов.
Флюоресценция включений виллемита (зеленое свечение) в лейкофоениците.
Флюоресценция коллеманита.