La luminescència

1. CONCEPTE DE LUMINESCÈNCIA

L’emissió de llum per part d’una substància com a conseqüència de l’excitació dels seus àtoms s’anomena luminescència. Aquesta excitació es produeix per una radiació de freqüència elevada (UV, RX), una descàrrega elèctrica, la temperatura o la fricció.

Tipus de luminescència:

Fotoluminescència: Luminescència en la que l’energia activadora és d’origen electromagnètic (raigs UV, raigs X o raigs catòdics). És el tipus de luminescència més utilitzada en Gemmologia.

Hi ha dos tipus de fotoluminescència:

Fluorescència: Emissió de llum deguda a l’excitació d’àtoms o molècules que es produeix mentre actua la font d’excitació.
- Exemples: Diamant, robí, fluorita, etc.

Fluorescència vermella en robí natural

Fosforescència: Emissió de llum deguda a l’excitació d’àtoms o molècules que persisteix durant un temps després d’haver suprimit la font d’excitació.
- Exemple: Òpal natural (L’òpal sintètic presenta fluorescència, però no fosforescència).

Catodoluminescència: Luminescència en la que l’origen és un bombardeig d’electrons accelerats. En Gemmologia, aquest tipus de luminescència es pot fer servir en algun cas, com per exemple en el diamant.

Altres: Hi ha altres tipus de luminescència que no s’utilitzen en Gemmologia.
- Termoluminescència: L’origen és la temperatura
- Quimioluminescència: L’origen és una reacció química
- Triboluminescència: L’origen és l’energia mecànica
- Electroluminescència: L’origen és l’energia elèctrica
- Bioluminescència: L’origen és l’energia biològica
- Sonoluminescència: L’origen són les ones sonores
- Etc.

2. TEORIA QUÀNTICA

Els minerals no tenen una composició química estricta, sinó que aquesta composició és variable dins d’un cert rang. A més, l’estructura cristal·lina dels minerals pot tenir defectes puntuals com vacants, substitucions o intersticials. Això fa que hi pugui haver desequilibris energètics en entorns propers a un determinat defecte. Aquest fet s’expressa en determinades propietats físiques, com ara l’existència de luminescència.

Per entendre el fenomen de la fluorescència és precís fer ús dels conceptes establerts per M. Planck i A. Einstein i que formen la teoria quàntica. Aquesta teoria postula un caràcter ondulatori de la llum, però també una natura corpuscular en unitats que reben el nom de fotons. A més un àtom pot tan sòls absorbir o emetre una quantitat definida de llum, un fotó de certa freqüència.

Aquest principi va ser desenvolupat més tard per Niels Bohr, qui va afirmar que l’àtom només pot estar en determinats estats (nivells) d’energia. El de menor energia s’anomena “estat base” i la resta, d’energia superior, s’anomenen “estats excitats”. Aquests estats d’energia són discrets i l’àtom pot únicament absorbir o emetre una quantitat definida de llum en certes longituds d’ona discretes.

Fluorescència: Una absorció d’energia que transporta un electró des d’una capa interna i estable al voltant del nucli (estat base) fins a una òrbita més externa (estat excitat), tendirà a ser cedida espontàniament per recuperar l’estat estable, emetent llum.

Fosforescència: En aquest cas, alguns dels electrons excitats no tornen immediatament a la posició estable, sinó que passen a un estat “metastable” d’energia una mica inferior. L’electró queda “atrapat” en aquest estat fins que rebi una dosi superior d’energia (generalment per moviment de calor en el medi circumdant), la qual cosa el permet tornar a l’estat excitat i caure de nou en el nivell estable amb la conseqüent emissió de llum.

(1) Fluorescència: Un electró pren energia de la llum incident ultraviolada (o raigs X) i salta de l’òrbita estable (C) a l’estat excitat (A), tornant immediatament a l’òrbita estable amb emissió de llum.

(2) Fosforescència: Un electró pren energia de la llum incident ultraviolada (o raigs X) i salta de l’òrbita estable (C) a l’estat excitat (A), però sense tornar immediatament al nivell estable. L’electró cau en un estat metastable (B) del qual només pot tornar a l’estable després d’haver pres energia del medi circumdant, la qual cosa el permet tornar a l’estat excitat i tornar directament a l’estable amb emissió de llum.

3. LLUM ULTRAVIOLADA

La luminescència pot estimular-se amb llum ultraviolada (UV), raigs X i els anomenats raigs Grenz, que són raigs X tous de longitud d’ona llarga (5 – 10 Å), de vegades anomenats també raigs infraroentgen.

Des d’un punt de vista pràctic, degut a la facilitat de producció i al seu aïllament d’altres raigs, les longituds d’ona que formen l’ultraviolat són les més adequades per aquests fins.

La llum ultraviolada correspon a la llum compresa entre els 400 nm (extrem del violeta visible) i els 100 Å (10 nm; correspon al principi dels raigs X). No obstant, per sota dels 200 nm, aquesta radiació és molt absorbida per l’aire, la qual cosa ens obligaria a treballar en el buit. Per tant, la zona d’utilitat pràctica és la compresa entre 400 i 200 nm.

Aquesta zona útil podem dividir-la en tres zones:

Ultraviolat proper o d’ona llarga: Zona compresa entre 400 i 315 nm.
Ultraviolat mig: Zona compresa entre 315 i 280 nm.
Ultraviolat llunyà o d’ona curta: Zona compresa entre 280 i 200 nm.

La majoria de gemmes responen sobretot a la llum UV propera o d’ona llarga, tot i que algunes responen a la llum UV llunyana o d’ona curta.

4. EQUIPS PER OBSERVAR LA LUMINESCÈNCIA. LÀMPADES DE LLUM UV

Les làmpades de llum ultraviolada són els equips que s’utilitzen per observar la luminescència (tant fluorescència com fosforescència). Consisteixen bàsicament en un tub fluorescent especial anomenat també “llum negra”. Avui en dia també existeixen LEDs (Light-Emitting Diode) amb un alt grau de cromaticitat que es pot utilitzar per observar la luminescència.

N’hi ha de tres tipus:

Làmpades de llum UV d’ona llarga
Làmpades de llum UV d’ona curta
Làmpades de llum UV d’ona llarga i ona curta: Làmpades duals

Autora: Elena Andia