Кристаллография

Таблица 6.1 Поправки к плотности воды (К) при различных температурах*

воды при температуре измерения, 1 — плотность воды при 4 0C в г/см3, К — табличная поправка

вающейся с ней жидкостью более низкой плотности до тех пор, пока кристалл или зерно перестанут тонуть или всплывать, оставаясь во взвешенном состоянии. После этого взвешивается известный объем жидкости и рассчитывается плотность. Наиболее часто используются три тяжелые жидкости: бромоформ (СНВrз) с плотностью 2,90 г/см3 (разбавляется ацетоном), дииодометан (CH2I2) с плотностью 3,325 г/см3 (может разбавляться хлороформом CHCI3) и жидкость Клеричи (водный раствор формиата и малоната таллия), которая имеет плотность 4,4 г/см3 и может разбавляться водой. Плотность жидкости Клеричи увеличивается с температурой и поэтому при ее использовании можно измерять плотность приблизительно до 5,4 г/см3. Все три тяжелые жидкости токсичны и обладают коррозионными свойствами. Поэтому в процессе работы с ними следует соблюдать большую осторожность.

6.2Внешние отличительные признаки

6.2.1Блеск

Блеск нечетко определяется как количество и качество света, отраженного от поверхности минерала. Он представляет собой сумму отблесков. Хотя данное определение не обладает достаточной точностью, блеск — весьма специфическое и полезное для идентификации минералов свойство. Блеск

ценен тем, что его легко определить путем простого осмотра минерала. В то же время его основу составляют два фундаментальных свойства, для измерения которых требуются специальные средства. Таковыми являются: 1) природа атомной связи в кристалле и 2) величина показателя преломления и коэффициента поглощения наряду с дисперсией света. Еще одним (не фундаментальным) фактором, влияющим на блеск, является степень шероховатости отражающей поверхности. Последний фактор может менять блеск минерала, а также придавать ему характерные особенности.

Количество отраженного света описывается следующими категориями:

сверкающий — отражение света как у алмаза, дает резкое изображение источника света; сияющий — дает только неясные очертания источника света; блестящий — общее отражение света без видимого изображения.

По качеству отраженного света блеск подразделяется на два основных вида: металлический и неметаллический.

Металлическийблеск

Металлический блеск свойствен непрозрачным веществам с высоким коэффициентом поглощения, которые являются хорошими отражателями (см. разд. 7.9). Он свидетельствует о наличии металлической или в большей степени ковалентной связи между атомами. Такой блеск наблюдается у самородных металлов, сульфидов и сульфосолей. Почти все эти вещества обладают отражательной способностью по крайней мере в 20%, а обычно даже свыше 30%, и имеют высокие показатели преломления, хотя последние определить непосредственно удается редко.

Полуметаллический блеск наблюдается у некоторых полупрозрачных оксидов (например, у рутила TiO2 и гематита Fe2O3) с показателями преломления от 2 до 3.

Неметаллическийблеск

Этот тип блеска, присущий прозрачным и полупрозрачным веществам, делится на следующие виды:

рала, бывших гомогенными при высоких температурах, развиты процессы экссолюции (рис. 4.23), что проявляется в присутствии правильно ориентированных чередующихся пластинок обогащенного натрием и обогащенного калием полевого шпата. Однако такие кристаллы при соответствующем нагреве могут снова стать гомогенными, но при этом у них исчезает игра цвета. Сильная игра цвета, наблюдаемая в плагиоклазе лабрадорите, обусловлена присутствием в нем мерцающих пластинок, располагающихся с интервалом 120 HM (рис. 6.2).

Игра цвета в опале, аморфном минералоиде, связана с дифракцией света. Благородный опал сложен правильно упакованными шариками кварцевого стекла. Шарики имеют приблизительно такой же размер, как длина волны видимого света. Благодаря закономерному пространственному расположению в опале они превращаются в подобие дифракционной решетки (см. рис. 11.60).

6.2.3 Цвет

Цвет в минералах в большинстве случаев связан с поглощением образующими кристалл атомами светового излучения некоторых длин волн. Те длины волн белого света, которые не подверглись поглощению, создают зримое ощущение цвета. Во многих драгоценных разновидностях минералов, например таких, как корунд или берилл, цвет обусловлен присутствием центров окраски.

Центры окраски

Центры окраски, или F-центры (от немецкого Farbe — цвет) приурочены к дефектам кристаллической решетки, поглощающим видимый свет. Такие дефекты могут быть вызваны следующими причинами.

1.Избыток атомов одного элемента в соединении по сравнению с тем их числом, которое требуется согласно химической формуле, например избыток атомов Na в кристаллах NaCl.

2.Присутствие чужеродных (примесных) ионов в кристаллической решетке, например Cr3+ замещает Al3+ в корунде и берилле с образованием красных рубинов и зеленых изумрудов.

3.Наличие коллоидных частиц в решетке, связанных с «коалесценцией» избыточных атомов, о которых говорилось в п. 1.

4.Механические деформации кристаллической решетки.

Обычно нарушение регулярности решетки приводит к образованию вакантных анионных и катионных позиций. Вакантная анионная позиция (отсутствие отрицательного заряда) в электростатическом отношении действует как положительный заряд и может захватывать электрон. Считается, что F-центр представляет собой положительно заряженную вакансию, вокруг которой движется электрон.

Когда окраска возникает в результате облучения изначально бесцветного кристалла ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, то предполагается, что некоторые анионы потеряли внешний электрон, который поглотил достаточное количество энергии для того, чтобы перейти в зону проводимости. Если бы решетка была идеальной, то при спаде возбуждения электрон должен был бы вернуться на прежнее место. Однако дефекты решетки создают локальные энергетические уровни между возбужденным и первоначальным (основным) состояниями, в пределах которых могут перемещаться электроны. По окончании облучения происходит перераспределение энергии в кристалле и образуются F-центры, поглощающие световую энергию, в результате чего кристалл становится окрашенным.

У каждого аниона при потере электрона образуется вакансия на внешнем электронном энергетическом уровне. Такие анионы называются положительными электронно-дырочными центрами (термин широко используется также по отношению к транзисторам), и они обладают достаточной энергией для захвата электронов. Эксперименты с кристаллами щелочных галоидов показали, что они могут быть окрашены путем нагревания в парах щелочного металла, которое приводит

кизбытку его атомов в решетке. (Возникающий цвет зависит только от кристалла, а не от использованных паров.) Если при высокой температуре

ккакой-либо части окрашенного таким способом кристалла приложить электрическое поле, окраска сместится вдоль кристалла по направлению к аноду, свидетельствуя о том, что цветовые цент-

ры перемещаются таким же образом, как и отрицательно заряженные частицы.

Роль цвета в идентификации минералов

Считается, что из-за своей изменчивости и зависимости от примесей цвет является плохим диагностическим признаком минералов. Тем не менее такая явная отличительная черта, как цвет, имеет большоезначение при идентификации минералов. Некоторые минералы характеризуются постоянной окраской — это, например, зеленая окраска малахита, синяя азурита, красная киновари, желтая серы. Однако во многих случаях, оставаясь ценной диагностической особенностью, цвет должен использоваться с осторожностью.

Черта

Цвет растертого минерала (его черта) является более постоянным и потому более надежным признаком, чем его собственный цвет. Черту легко получить, если потереть минерал о непокрытую глазурью фарфоровую пластинку, соскрести немного порошкас минераланожом или напильником либо раздавить его небольшой кусочек.

6.2.4Внешний облик (габитус)

Угрупп кристаллов существует общая тенденция к росту в приблизительно параллельной ориентации. Это происходит из-за того, что группы атомов осаждаются на субстрате в некоторой предпочтительной ориентации, причем данный процесс зависит главным образом от факторов, связанных с поверхностной энергией. К нему добавляется влияние направления, по которому поступает материал из раствора. Взаимоотношения между кристаллами не подчиняются какому-либо геомет-

рическому закону, как это наблюдается при двойниковании (см. разд. 3.10), и параллелизм между этими процессами редко бывает точным.

Направление поступления растворов и условия отложения определяют также образование агрегатов кристаллов с четкими формами, которые могут быть характерны для отдельных минералов. Таким агрегатам даны названия, часто происходящие от латинских и греческих корней и описывающие их морфологию. Назовем наиболее часто встречающиеся формы:

Гроздевидная — напоминает кисти винограда. Эту форму обычно приобретают минералы, осажденные в виде коллоидных гелей, которые подверглись воздействию поверхностного натяжения. В качестве примера приведем малахит и романешит.

Плотная — сплошная масса, в которой отдельные кристаллы настолько малы, что едва различимы. Структура таких масс подразделяется на микрокристаллическую, когда кристаллы видны под оптическим микроскопом, и скрытокристаллическую, когда отдельные кристаллы с трудом различимы даже под микроскопом. Примерами последней являются агат и кремень, представляющие собой скрытокристаллические формы кварца.

Кораллообразная — ветвистые, грубоокругленные и переплетающиеся формы, наблюдаемые иногда у кальцита и арагонита.

Дендритовая — ветвистые срастания, образующие миниатюрные древовидные формы. Наблюдаются у самородной меди и темноокрашенных оксидов марганца (пиролюзит, романешит и др.); последние обычно выделяются по трещинам вмещающих пород.

Друзовидная — тесно сросшиеся кристаллы, растущие внутрь пустот и имеющие пилообразные очертания поверхности вершинных граней. Часто наблюдается в кварцевых жилах.

Волокнистая — тонкие параллельные, тесно сросшиеся кристаллы. Прекрасными примерами являются кристаллы гипса, выросшие между поверхностями напластования в сланцах, и хризотил — минерал из группы асбестов, встречающийся в виде прожилков в серпентинитах. Нитевидная — тонкие, длинные (волосовидные) агрегаты, как у миллерита.

Зернистая — широкий термин для обозначения скоплений более или менее одинаковых по размерам зерен, перекрывающий значительную область размеров (от крупных до мелких) и даже захватывающий плотные формы, когда отдельные зерна уже трудно различимы.

Пластинчатая — тонкие листочки или чешуйки, как у слюд.

Массивная — сросшиеся кристаллы, не образующие отчетливых индивидуумов, но вместе с тем не настолько мелкие, чтобы их можно было отнести к плотной форме. Примером могут

служить проявления кальцита в мраморе. Также часто наблюдается у сульфидных минералов в рудах смешанного состава.

Сосцевидная — округлые поверхности, которые, пересекаясь, образуют открытые V-об- разные желобки, часто больше напоминающие неправильные стежки. Нередко такую форму имеет гематит.

Моховидная — миниатюрная форма дендритовых агрегатов.

Желваковая — образует обособленные эллипсоидальные выделения. В качестве примера можно указать на сидеритовые желваки в сланцах. Регулярность форм варьирует в широких пределах.

Оолитовая — небольшие плотноупакованные сфероиды или эллипсоиды, напоминающие рыбью икру. Выявлена у кальцита в некоторых известняках и у гематита или других минералов железа в осадочных рудах.

Бобообразная — более грубая разновидность оолитовой со сфероидами размером с горошину. Часто наблюдается в бокситах, где ее развитие, вероятно, обусловлено отложением из коллоидной среды (ср. с гроздевидной).

Почковидная — внешне напоминает почку. Встречается у гематита и близка к сосцевидной.

Радиалъно-лучистая — радиально расположенные игольчатые или пластинчатые кристаллы. Примерами являются гипс и турмалин в случае некоторых особых условий их кристаллизации.

Сетчатая — в виде ячеек, возникающих вследствие взаимопересечения кристаллов. Отмечается у церуссита и крокоита.

Сталактитовая — сходящиеся на конус свисающие массы, которые могут смыкаться с растущими вверх от нижнего уровня полости образованиями (сталагмиты), образуя колонны. Сталактиты формируются за счет отложения вещества, растворенного в воде, которая просачивается по трещинам в породах. Свойственна преимущественно кальцитовым отложениям в известняковых пещерах, но таким же способом могут образовываться и другие минералы.

Проволочная — часто проявляется у самородных серебра и золота.

6.3Механические свойства минералов

6.3.1 Твердость

Твердость минерала является его характерным свойством и помогает его индентификации. Традиционно твердость, которой оперируют минералоги, определяется путем царапания, когда оценивается способность острого края одного минерала оставить след на ровной поверхности другого. Такая проверка основывается на ряде минералов, подобранных в 1824 г. австрийским минералогом Ф. Моосом (1773-1839) и пронумерованных им от 1 до 10 в порядке увеличения твердости. Каждый минерал оставляет царапину на тех минералах, которые имеют меньший номер в этой шкале, но не производит такого воздействия на минералы с большим номером. Эталонами послужили следующие минералы:

Шкала твердости Мооса

Моос прекрасно сознавал, что интервалы твердости в его шкале неравноценны, но он отмечал, что это не должно приуменьшить ее полезность, и практика подтвердила его точку зрения.

К перечню эталонных минералов можно добавить для удобства следующие полезные при практических определениях средства: ноготь большого пальца, который у большинства людей царапает гипс, но не кальцит, хорошего качества острие перочинного ножа, которое слегка царапает ортоклаз, и обычное оконное стекло, которое может царапаться ортоклазом и легко царапается кварцем.

Для определения твердости необходимо иметь в своем распоряжении обломки минералов указанной шкалы. Каждый обломок можно вмонтировать с помощью эпоксидной смолы в конец короткой металлической трубки, т. е. изготовить набор «карандашей» для определения твердости, которыми удобно пользоваться. Для определения твердости нужно выбрать ровную поверхность, что бывает трудно, так как многие минералы являются хрупкими и края их неровных участков

могут крошиться, что затрудняет точное определение твердости. Когда царапина или другой отпечаток оставлены на ровной поверхности, то видно, что, несмотря нахрупкость, испытуемый минерал поддается пластической деформации под воздействием острого края эталонного минерала. Царапину следует проводить короткими осторожными движениями, чтобы не испортить образец. Когда проверяемый минерал близок по твердости к стандарту, оставленный след необходимо слегка протереть и рассмотреть под лупой, чтобы убедиться, что царапина действительно была сделана.

Соотношение твердости по шкале Мооса с твердостью, полученной методом микровдавливания

Существует стандартный метод определения твердости металлов посредством вдавливания в их поверхность под известной нагрузкой пирамидального алмазного наконечника и последующего измерения поперечника образовавшейся вмятины (см. разд. 7.9.2). Этот метод можно с успехом применить к хрупким минералам, которые испытывают пластическую деформацию под локальной нагрузкой, и использовать для сравнения со шкалой твердости Мооса.

Результаты опытов по проведению царапины на металлах показывают, что твердость оставляющего на их поверхности след наконечника должна быть приблизительно в 1,2 раза больше твердости поверхности. Если это так, то по мере возрастания твердости интервалы между стандартами на шкале Мооса будут систематически возрастать, поскольку в идеале каждый стандарт должен иметь твердость по крайней мере в 1,2 раза большую, чем предыдущий. Если результаты определения твердости входящих в шкалу Мооса минералов, полученные методом микровдавливания (MB), сопоставить с числами, которые им присвоил Моос, то будет видно, что интервалы действительно увеличиваются закономерно, за исключением чрезвычайно большого интервала между корундом и алмазом (рис. 6.3). Хотя в значениях твердости, найденных методом MB различными исследователями, наблюдается некоторый разброс, можно говорить о том, что каждый стандартный минерал шкалы Мооса вплоть до корунда (№ 9) в 1,6 раза тверже предыдуще-

Рис. 6.3 Зависимость между шкалой твердости Мооса и результатами, полученными методом микровдавливания (по данным D. Tabor, PIOC. Phys. Soc. 67: 254, 1954).

го. Это свидетельствует о том, что Моос отбирал свои минералы с большой тщательностью и искусством, чтобы получить не равные, а обоснованные интервалы своей шкалы. Исключение составляет алмаз, который по твердости значительно превышает все остальные стандартные минералы.

Твердость, подобно другим физическим свойствам, зависит от анизотропии структуры минералов и варьирует по разным направлениям. Это справедливо даже для кубических минералов. За исключением нескольких случаев (например, у кианита Тв. = 4 : 5 на плоскости (100), параллельной оси ж, 6-г 7 на плоскости {100}, параллельной оси у, и 7 на плоскости {010}), разница не настолько велика, чтобы ее стоило учитывать. У алмаза, однако, разница в твердости на различных гранях значительна, что и позволяет осуществлять его огранку посредством шлифовки алмазным порошком.

Твердость различных групп минералов

Представляется полезным привести некоторые обобщенные данные о твердости минералов. Дополнительные сведения приведены в Приложении II.

Самородные элементы, не считая ярчайшего исключения, представленного алмазом, обычно являются мягкими. Вместе с тем платина (Тв. = 4 : 4,5) и железо (Тв. = 4,5) достаточно твердые; еще большей твердостью обладает иридосмин (Тв. = 6 : 7).

Соединения тяжелых металлов (серебра, меди, свинца, висмута и ртути) являются мягкими (Тв. < 4).

Большинство сульфидов и сульфосолей относительно мягки, хотя у обычного дисульфида железа — пирита — Тв. = 6 : 6,5.

Галогениды мягкие.

Карбонаты и сульфаты обычно мягкие.

Фосфаты обладают промежуточными значениями твердости (Тв. ~ 5).

Безводные силикаты чаще всего твердые (Тв.=5,5 : 8), а водные силикаты (слюды, цеолиты) мягче.

Оксиды, как правило, твердые, а гидроксиды, наоборот, относительно мягкие.

6.3.2 Спайность

Наблюдающаяся у многих минералов способность раскалываться по отдельным плоскостям атомов в структуре свидетельствует о том, что вдоль этих плоскостей силы связи оказываются более слабыми, чем вдоль других направлений.

Плоскости спайности всегда обладают высокой плотностью атомов и во всех случаях параллельны возможным граням кристалла. Одновременно они являются кристаллографическими плоскостями и определяются соответствующими индексами Миллера. Спайность выявляют, прослеживая регулярные системы трещин в прозрачных минералах, таких, как флюорит или кальцит, либо ровные отражающие плоскости, образующиеся при раскалывании кристаллов, что наблюдается у полевых шпатов, пироксенов и слюд. Это неизменное и надежное свойство, которое порой оказывается хорошим средством, позволяющим установить симметрию минералов. Следы плоскостей спайности играют важную роль реперных направлений при оптическом изучении ксеноморфных зерен (т. е. не имеющих хорошо выраженных граней) под микроскопом.

В зависимости от легкости, с которой минералы раскалываются по определенным плоскостям, спайность обозначается следующими терминами:

весьма совершенная: крайний случай раскалывания, когда его даже трудно предотвратить — спайность у слюды, параллельная плоскости {001}, или у молибденита вдоль плоскости {0001}; совершенная: раскалывание происходит легко,

например у флюорита по {111}, кальцита по {1011}, барита по {110}; средняя: как у ортопироксена вдоль {110};

несовершенная: отмечается у фторапатита и других минералов группы апатита параллельно {0001}.

Другие виды спайности относятся к трудноразличимым.

Отдельностью называют свойство минералов раскалываться по определенным дискретным плоскостям в противоположность спайности, которая проявляется вдоль любой из плоскостей, находящихся на межатомных расстояниях. Отдельность нередко связана с наличием пластинчатых вростков в кристаллах, возникающих в результате экссолюции по определенным кристаллографическим плоскостям в минерале-хозяине. Она наблюдается, например, в некоторых авгитах, которые содержат пластинчатые выделения пижонита или ортопироксена, параллельные {001} (рис. 2.12).

Знание атомной структуры минерала часто позволяет объяснить направление спайности. Это хорошо видно у слюд, где пространственное расположение атомов характеризуется наличием плоскостей, параллельных {001}. Плоскости группируются в сложные слои (см. рис. 11.53), состоящие из соединенных угловыми узлами тетраэдров SiO4, которые в свою очередь связаны вершинами со слоем октаэдров AlO6 (или MgO6, или Fe2+O6), имеющих общие ребра. Последовательно расположенные сложные слои соединяются друг с другом посредством слабых связей с K+, который находится в 12-кратной координации. Таким образом, единственный заряд у K+ делится между 12 окружающими его ионами, и поэтому каждая связь является электростатически ослабленной. Отсюда легко понять наличие у слюд спайности вдоль плоскостей с ионами K+.

Спайность пироксенов и амфиболов также непосредственно связана с их структурой, которая содержит цепочки тетраэдров SiO4, расположенные параллельно кристаллографической оси ζ. Спайность возникает, как это следует из рис 11.31 и 11.41, по плоскостям между цепочками

6.3.3 Излом

Если минерал раскалывается не вдоль плоскости спайности, а по другим направлениям, то поверхность излома может обладать характерными особенностями.

Наиболее распространенную разновидность представляет собой раковистый излом. Исследуемый минерал при ударе раскалывается по вогнутым поверхностям с характерными гребнями, располагающимися приблизительно концентрически вокруг места удара, причем вся поверхность напоминает створку раковины моллюска. Такой излом наблюдается у стекол и наиболее ярко проявляется у вулканического стекла — обсидиана (рис. 6. 4), который является породой, а не минералом. Раковистый излом легко дает скрытокристалличе-

ский кварц в виде кремня1, и первобытные люди использовали это его свойство для изготовления орудий труда с острыми режущими краями, которые образуются пересекающимися поверхностями излома. Среди известных минералов раковистый излом наблюдается у кварца и оливина

Из других, менее известных видов излома следует упомянуть ровный, неровный и занозистый

Последний термин применяется к поверхностям с небольшими, но острыми и зазубренными неровностями.

6.3.4 Прочность

Под прочностью понимается способность минерала реагировать на удар, раздавливание, разрезание и изгиб

Самородные металлы — медь, серебро и золото — могут быть сплющены легкими ударами MO-

лотка. Такое свойство называется ковкостью. Однако большинство минералов хрупкие, и при легких ударах или надавливании крошатся. Одни минералы разлетаются на куски легче, чем другие. Например, очень хрупким является англезит PbSO4. Bкачестведругогокрайнегослучаяотметим, что многие минералы можно разрезать ножом, хотя под ударами молотка они также способны превращаться в порошок. Такие минералы называются режущимися, и их примером является хлораргирит (роговое серебро) AgCl.

Спайные листочки слюды гибкие и упругие. Чешуйки молибденита, так же как и талька, гибкие, но не упругие.

6.4 Свойства, связанные с возбуждением энергии кристалла

В этом разделе рассматриваются такие свойства минералов, как флуоресценция и фосфоресценция, пьезо- и пироэлектричество, магнетизм и радиоактивность. Все они обусловлены изменениями

враспределении энергии в атомах и все, за исключением последнего свойства, вызываются внешним возбуждением. Можно предположить, что оптические особенности минералов, наблюдаемые

впроходящем и отраженном свете, также относятся к рассматриваемым свойствам, но в оптической минералогии изучаются преобразования света, а не изменения кристаллического поля. Оптическим свойствам минералов уделяется много внимания в этой книге, и им посвящена отдельная глава (гл. 7).

6.4.1 Флуоресценция и фосфоресценция

Кристаллы могут поглощать излучение с длинами волн, находящимися за пределами видимой области спектра, а затем часть поглощенной энергии испускать заново уже в видимой области. Это явление называется люминесценцией. Если люминесцентное свечение происходит только в тот период, когда кристалл подвергается воздействию возбуждающего излучения, то такой эффект называется флуоресценцией, потому что он хорошо проявляется у флюорита. Когда же испускание света продолжается после прекращения воздействия излучения, то говорят, что минерал фос-

Рис. 6.5 Схема, показывающая энергетические уровни в области кристаллической решетки, которые ответственны за возникновение цвета и люминесценции.

форесцирует. В последнем случае кристалл сохраняет световую энергию, накопленную за счет падавшего на него излучения, а затем испускает ее.

Эти свойства представляют собой различные проявления одного фундаментального механиз- ма—поглощения лучистой энергии электронами, находящимися на внешних оболочках ионов кристаллической решетки, или электронами, находящимися в дефектах последней. Как мы видели (гл. 1 и 5), каждая электронная оболочка атома связана с определенным квантом энергии, причем внешняя оболочка обладает более высоким энергетическим уровнем, чем внутренняя. Если энергетическое поле кристалла в целом накладывается на картину распределения энергии индивидуального атома, то в результате образуется ряд энергетических уровней (или зон), в которых располагаются электроны. Эти уровни разделяются запрещенными зонами (рис. 6.5). Электроны, ответственные за возникновение цвета, находятся на внешних оболочках атомов, т. е. являются валентными. Электроны более глубоких рентгеновских уровней, по-видимому, не участвуют в этом процессе.

Поглощение энергии электроном способствует его переходу с внутреннего уровня (с меньшей энергией) на внешний. Когда количество поглощенной энергии становится достаточно большим, электрон может переходить в зону проводимости, в которой он независим от атомного ядра и, оказываясь свободным, может передвигаться по кристаллу под влиянием внешних электрических полей. Поглощение излучения связано с переходом электронов на более высокие энергетические уров-

ни, а его испускание — с их возвращением (частично или полностью) обратно на первоначальные уровни.

Флуоресценция

Если некоторые минералы, такие, как флюорит CaF2, шеелит CaWO4, виллемит Zn2SiO4, урансодержащие минералы, некоторые разновидности алмазов и многие другие, облучать в темноте невидимыми ультрафиолетовыми лучами, они начинают светиться собственным светом. Помимо этого флуоресценция может вызываться облучением электронами, рентгеновскими лучами, а также нагреванием и прямым контактом с пламенем (термолюминесценция), либо трением и разрушением кристалла (триболюминесценция). Сфалерит сильно флуоресцирует при облучении его электронным пучком и поэтому обычно используется для наладки оптических систем в электроннозондовых микроанализаторах.

Наличие и степень проявления флуоресцентных свойств варьируют у отдельных разновидностей одного и того же минерала и даже от зоны к зоне в одном кристалле. Это часто (возможно, всегда) связано с присутствием в кристаллической решетке небольших количеств примесных элементов. Такие примеси называются активаторами, и их концентрация может меняться в широких пределах. Установлено, что если содержание ионов переходных металлов (в частности марганца) составляет около 1%, то они становятся эффективными активаторами для силикатов, тогда как медь и серебро в количестве 1 часть на 10000 активируют ZnS и другие сульфиды.

В рамках используемой нами энергетической модели кристаллической решетки оказывается, что электроны активных центров (примесей) переходят на более высокие энергетические уровни за счет поступающей энергии излучения, а затем возвращаются обратно к своему невозбужденному (основному) состоянию, испуская видимый свет. Некоторые из этих электронов могут проникать в зону проводимости, вызывая во время облучения

фотопроводимость.

Частота флуоресцирующего света почти всегда ниже (следовательно, его длина волны больше), чем у возбуждающего излучения. Таким образом, испускаемое излучение обладает меньшей энерги-

ей, так как определенное ее количество теряется в виде тепла во время возбуждения электронов и их возвращения в основное состояние.

Использование ультрафиолетовой лампы ночью или в подземных выработках представляет собой весьма эффективный способ поиска флуоресцирующих минералов. На практике особенно полезными являются длины волн 250 HM (коротковолновый ультрафиолет) и 360 HM (длинноволновый ультрафиолет), так как они в значительной степени поглощаются силикатами и сульфидами соответственно. У некоторых минералов флуоресценция происходит достаточно постоянно, но, как это и можно было ожидать исходя из принципа возникновения, она, будучи связанной с переменным содержанием примесей, является изменчивым свойством. Именно поэтому образцы из разных мест локализации ведут себя по-разному. В настоящее время флуоресценция искусственных кристаллов представляет собой важный способ обнаружения и измерения ионизирующей радиации. Например, на вспышках света (сцинтилляциях) у иодида калия, активированного таллием, основан один из обычных типов детекторов излучения.

Фосфоресценция

Явление светоиспускания возбужденным кристаллом после того, как облучение прекратилось, называется послесвечением. Оно может продолжаться от 10-8 с до нескольких часов. Это запаздывающее излучение представляет собой фосфоресценцию, которая наблюдается у многих флуоресцирующих минералов. Установление времени затухания излучения позволяет предложить модель этого явления, в которой возбужденные электроны атомов, ионизированных облучением, возвращаются в свое основное состояние. При этом они последовательно рекомбинируют с ионизированными центрами, захватываюсь на промежуточных энергетических уровнях, образованных примесными и электронно-дырочными центрами или другими дефектами. Эти ловушки представляют собой так называемые энергетические «ямы», которые могут удерживать электрон до тех пор, пока значительный скачок в статистических флуктуациях его тепловых колебаний не позволит ему вырваться. У люминофоров с большим временем затухания высвобождение накопленной световой энер-