Термолюминесценция

Выше отмечалось, что при возбуждении кристаллов посредством ионизации основного вещества и примесей в минерале возникают свободные электроны и дырки, мигрирующие (перенося энергию возбуждения) соответственно по зоне проводимости и валентной зоне. В ходе миграции они могут захватываться донорными и акцепторными уровнями (ловушками), запасая на них энергию возбуждения (рис.1в). В таких ловушках (при их достаточной глубине и слабых электронно-дырочных взаимодействиях) они могут оставаться очень долго (вплоть до миллионов лет), сохраняя в минерале энергию возбуждения. Если такой минерал нагревать с повышением его температуры, то при достижении определенных температур (когда энергия тепловых квантов сравняется с энергетической глубиной той или иной ловушки) электроны (дырки) будут перебрасываться этими квантами в зону проводимости (валентную зону). Будет происходить высвобождение ловушек и появление сво- бодных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. При этом возобновится когда-то прерванный процесс миграции этих электронов и дырок к центрам свечения. Поэтому при достижении в ходе нагревания минерала тех или иных значений температур минерал будет люминесцировать. Люминесценция будет носить рекомбинационный характер, который был уже рассмотрен выше. Такая термостимулированная люминесценция называется термолюминесценцией.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Люминесценция широко используется в науке и технике. Она применяется для преобразования различных видов энергии в видимый свет. Например, в телевидении при изготовлении экранов электронно-лучевых трубок, в производстве люминесцентных ламп, сцинтцилляционных счетчиков и др. Люминесценция нашла широкое применение в лазерной технике. Следует отметить, что во всех технических приложениях используются искусственные кристаллы, представляющие собой аналоги тех или иных природных минералов. Люминесценция природных минералов широко используется в геологии: для диагностики минералов и количественной оценки их содержания в агрегатах; для выявления тонких кристаллохимических особенностей состава и внутреннего строения минералов, а через них - и генетических особенностей минералов, знание которых является важным в практике поисково-разведочных работ и при оценке сходства-различия разнообразных геологических объектов и образований. Люминесценция минералов используется при сепарации руд в практике переработки минерального сырья. Термолюминесценция позволяет производить оценку возраста молодых геологических образований и археологических находок, имеющих минеральную основу. Более подробно освещение вопросов применения люминесценции можно найти в работах [3-5].

ЛИТЕРАТУРА

1. Фок М.В. Введение в кинетику люминесценции кристаллофосфоров. М.: Наука, 1964. 284с.

2. Антонов-Романовский В.В. Кинетика фотолюминесценции кристаллофосфоров. М.: Наука, 1966. 324с.

3. Марфунин А.С. Спектроскопия, люминесценция и радиационные центры в минералах. М.: Недра, 1975. 327с.

4. Таращан А.Н. Люминесценция минералов. Киев: Наукова думка, 1978. 296с.

5. Бахтин А.И., Горобец Б.С. Оптическая спектроскопия минералов и руд и ее применение в геологоразведочных работах. Казань. Изд-во Казанск.ун-та, 1992. 234с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

На рисунках 1-7 приводятся диаграммы Танабе и Сугано энергетических уровней ионов, на внешней оболочке которых располагаются d-электроны, количество которых указывается надстрочным индексом. Ионы находятся в октаэдрическом поле кубической симметрии. Эти диаграммы используются для интерпретации внутрицентровых электронных переходов при расшифровке спектров поглощения и люминесценции.

На рисунке 8 показаны уровни энергии для трехвалентных редкоземельных ионов, обусловленные взаимодействием f-электронов. Они используются при расшифровке внутрицентровых электронных переходов в спектрах минералов, содержащих редкоземельные элементы в своём составе.

На рисунках 9-12 и в таблице 1 приводятся спектры внутрицентровой люминесценции, а на рис. 13, 14 и в табл. 2 – спектры рекомбинационной люминесценции минералов.

Рис. 1. Диаграмма энергетических уровней для конфигурации d².

Рис. 2. Диаграмма энергетических уровней для конфигурации d³.

Рис. 3. Диаграмма энергетических уровней для конфигурации d⁴.

Рис. 4. Диаграмма энергетических уровней для конфигурации d⁵.

Рис. 5. Диаграмма энергетических уровней для конфигурации d⁶.

Рис. 6. Диаграмма энергетических уровней для конфигурации d⁷.

Рис. 7. Диаграмма энергетических уровней для конфигурации d⁸.

Рис. 8. Уровни энергии для трехвалентных редкоземельных ионов.

Рис. 9. Спектры рентгенолюминесценции ионов Mn²⁺ при рентгеновском возбуждении: 1 – фенакит, 2 – циркон, 3 – триплит, 4 – доломит, 6 – диаспор, 7 – ганит, 8 – клевеландит, 9 – поллуцит, 10 – тремолит, 11 – сподумен, 12 – лавровит, 13 – форстерит.

Таблица 1. Полосы люминесценции ионов Fe³⁺ в спектрах минералов.

Рис. 10. Спектры фотолюминесценции ионов Cr³⁺ (T=77 K): а – шпинель, б – александрит, в – изумруд, г – схема расщепления уровней Cr³⁺ в шпинели.

Рис. 11. Спектры внутрицентровой фотолюминесценции Sm²⁺ в природном ангидрите.

Рис. 12. Спектры внутрицентровой фотолюминесценции ионов Sm³⁺: 1 – апатит,

2 – эденит, 3 – лейкофанит, 4 – ангидрит.

Рис. 13. Спектры рекомбинационной фотолюминесценции (T=77 K): 1 – шеелит,

2 – вульфенит, 3 – повеллит, 4 – ванадинит, 5 – крокоит.

Обусловлена она присутствием в минералах электронно-дырочных центров, которыми, например, в шеелитах, выступают WO^–₄, WO^3–₄, WO₃, V_Ca и др.

Таблица 2. Интерпретация полос в спектрах рекомбинационной люминесценции природных сфалеритов.

Рис. 14. Спектры фотолюминесценции алмаза.