Come e perché osservare i minerali ai raggi UV

Tutti i minerali hanno la capacità di riflettere la luce. Questo è ciò che li rende visibili all’occhio umano. Alcuni minerali hanno una proprietà fisica interessante nota come “fluorescenza”. Questi minerali hanno la capacità di assorbire temporaneamente una piccola quantità di luce e un istante dopo rilasciano una piccola quantità di luce, ma di diversa lunghezza d’onda. Questo cambiamento nella lunghezza d’onda provoca un cambiamento temporaneo del colore del minerale nell’occhio di un osservatore umano. Vediamo perché è utile – e non solo assai spettacolare – osservare tali minerali ai raggi UV.

Il cambiamento di colore dei minerali fluorescenti è più spettacolare quando sono illuminati al buio dalla luce ultravioletta (UV) – che non è visibile agli esseri umani – e rilasciano luce visibile. La fotografia mostrata qui sopra, realizzata dal Dr. H. Grobe e condivisa sotto licenza Creative Commons, è un esempio di questo fenomeno, e mostra un’esposizione museale realizzata con vari tipi di rocce e minerali fosforescenti illuminati, in una stanza buia, con della luce ultravioletta.

Ci sono in realtà molti modi in cui i minerali possono emettere luce, oltre alla luce emessa dall’esposizione alla luce del giorno o dalla luce delle normali lampadine, ed oltre alla fluorescenza. Se il minerale continua a brillare dopo che la luce è stata rimossa, questa viene chiamata fosforescenza. Alcuni minerali si illuminano quando riscaldati: questa è chiamata termoluminescenza. E ci sono alcuni minerali che si illuminano quando vengono colpiti o schiacciati: questa si chiama triboluminescenza.

Utilità della fluorescenza dei minerali

La prima persona ad osservare la fluorescenza nei minerali fu George Stokes nel 1852. Notò la capacità della fluorite di produrre una luce blu quando illuminata con luce ultravioletta e chiamò questo fenomeno “fluorescenza” dal nome fluorite del minerale. Il nome divenne sinonimo di metallurgisti, gemmologi e biologi. Ma quali radiazioni producono fluorescenza nei minerali?

Differenza fra un minerale fluorescente visto in luce visibile ed ai raggi UV.

I minerali fluorescenti sono quelli che emettono luce visibile quando attivati ​​da raggi ultravioletti invisibili (UV), raggi X e/o fasci di elettroni. Alcuni elettroni nel minerale assorbono l’energia da queste fonti e salgono a uno stato energetico più alto. La luce fluorescente viene emessa quando quegli elettroni cadono in uno stato di energia inferiore ed emettono una luce propria.

Sebbene la maggior parte dei collezionisti di minerali e rocce non abbia accesso agli emettitori di elettroni a raggi X o ad alta energia, ha accesso a lampade a raggi ultravioletti economiche (ad esempio, puoi trovare delle economiche lampade di Wood qui). La raccolta di minerali fluorescenti è un hobby popolare ed i collezionisti esperti possono utilizzare la fluorescenza a scopo di identificazione. Di notte o in oscure miniere o caverne, la fluorescenza può essere utilizzata per trovare alcuni depositi minerali ed è una valida tecnica di prospezione.

I cosiddetti “elementi attivatori” sono responsabili della fluorescenza nei minerali. Ma non tutti gli esemplari li hanno. Occorre quindi prestare attenzione all’identificazione dei minerali utilizzando la fluorescenza UV. Alcuni minerali avranno colori coerenti, ad es. sempre fluorescenza rossa, mentre altri minerali possono avere molti colori diversi da una località all’altra. Inoltre, un campione può presentare fluorescenza e un altro dello stesso minerale potrebbe non presentare alcuna fluorescenza. Quindi, come può la fluorescenza aiutare a identificare i minerali?

La fluorescenza non è un fenomeno comune, ma si trova solo in alcuni minerali. Se due minerali sono simili e tuttavia uno è elencato come possibile minerale fluorescente, un test di fluorescenza potrebbe rivelarsi importante. Tuttavia, se un minerale sconosciuto non mostra fluorescenza sotto un’opportuna luce, non dovrebbe essere scartato così rapidamente per non essere un sospetto minerale fluorescente, a meno che quel minerale non sia notoriamente sempre fluorescente.

La fluorescenza, infatti, di solito non è una proprietà assoluta osservata in tutti i campioni di un minerale classificato come fluorescente, ma esistono alcuni minerali che sono così fluorescenti in modo affidabile che la fluorescenza è, in quel caso, il test migliore da utilizzare. Pertanto la fluorescenza non viene abitualmente utilizzata nell’identificazione dei minerali, ma può essere d’aiuto. La figura qui sotto include i minerali fluorescenti più comuni che sono popolari fra i collezionisti.

Una bella collezione di minerali fluorescenti.

Inoltre, delle apposite lampade fluorescenti possono essere utilizzate nelle miniere sotterranee per identificare e rintracciare le rocce portatrici di minerali. Molte pietre preziose sono a volte fluorescenti, tra cui rubino, kunzite, diamante e opale. Talvolta questa proprietà può essere usata per individuare piccole pietre preziose in sedimenti o minerali frantumati. Può anche essere un modo per associare le pietre a una località mineraria. Ma quali lampade occorre usare per questi scopi?

I vari tipi di luce ultravioletta esistenti

La luce ultravioletta è una luce di lunghezza d’onda compresa in una vasta gamma: tra 10 e 400 nanometri. Si chiama “ultravioletta” perché queste lunghezze d’onda sono inferiori al viola (e quindi invisibili all’occhio umano). Esistono diversi sottoinsiemi riconosciuti di luce ultravioletta.

L’ultravioletto “A” (o UV-A, o luce UV a onde lunghe) è comunemente noto come “luce nera” e la maggior parte delle persone conosce i suoi effetti nel far risplendere gli abiti bianchi al buio. Ciò è dovuto allo sbiancamento di sostanze chimiche nei detergenti. L’UV-A copre le lunghezze d’onda da 400 nm fino a 315 nm, e tale radiazione non causa scottature, anche se danneggia il collagene (invecchiamento della pelle) ed è stata scoperta essere un contributore alla cataratta.

Una lampada di Wood, che  produce UV-A, o “luce nera”. In alto un modello da 15 W, in basso uno da 8 W portatile alimentato a  pile. Potete trovare vari modelli ed i rispettivi prezzi qui.

Inoltre, i raggi UV-A distruggono la vitamina A nella pelle e generano radicali liberi che possono essere responsabili di gran parte dei danni che gli UV-A causano. L’UV-A comprende oltre il 98% dell’ultravioletto presente nella luce solare sulla superficie terrestre. È anche responsabile dell’abbronzatura rapida (a breve termine) risultante dall’ossidazione della melanina e dal suo rilascio dalle cellule della pelle. Si noti che gli UV-A non sono bloccati dalla maggior parte dei filtri o creme solari.

L’ultravioletto “B” (o UV-B, o luce UV a onde medie) sono le lunghezze d’onda tra 315 nm e 280 nm. Queste lunghezze d’onda sono responsabili della maggior parte delle scottature solari e del cancro della pelle, nonché degli effetti benefici della vitamina D che la pelle produce naturalmente in grandi quantità durante l’esposizione agli UV-B, in pratica quando essa è raggiunta dalla luce solare.

La pelle risponde ai raggi UV-B anche producendo più cellule della pelle pigmentate (dando un’abbronzatura duratura che richiede due giorni per generarsi), che è molto efficace nel bloccare la luce ultravioletta e prevenire dei danni. Si noti che la risposta della maggior parte dei minerali fluorescenti agli UV-B non è descritta, sebbene alcune “luci nere” emettano UV-B come componente degli ultravioletti ad ampio spettro, per cui possiamo evitare di usare i raggi UV-B (più pericolosi).

L’ultravioletto “C” (o UV-C o luce UV a onde corte) copre l’intervallo di lunghezze d’onda da 280 nm a 100 nm, sebbene le lunghezze d’onda inferiori ai 200 nm siano fortemente assorbite dall’ossigeno nell’aria. Si noti che le normali lampade fluorescenti usano il vapore di mercurio, che emette principalmente a 254 nm (quindi negli UV-C), ma l’interno del tubo è rivestito con vari minerali che sono resi fluorescenti per generare la luce bianca (oppure di altro colore) da emettere.

Le tre bande dell’ultravioletto: UV-A, UV-B ed i più pericolosi UV-C.

Semplicemente omettendo quei fosfori e bloccando le lunghezze d’onda più lunghe, si otterrebbe una lampada UV a onde corte. Le lampade a onde corte disponibili per i collezionisti possono essere molto divertenti e utili per identificare i minerali, tuttavia è assai pericoloso guardare la sorgente di luce a onde corte (può causare cecità) e non vanno MAI usate senza la supervisione di un adulto. I danni che provocano sono legati anche all’intensità della sorgente e al tempo di esposizione.

Una lampada che può emettere separatamente luce a onde corte è preferita poiché molti minerali fluorescenti emettono colori diversi sotto lunghezze d’onda diverse e alcuni solo fluorescenti sotto uno, ma non l’altro. Tuttavia, minore è la lunghezza d’onda, maggiore è l’energia per fotone e quindi più pericolosa è la radiazione. Gli UV-A sono meno pericolosi degli UV-B, che sono meno pericolosi degli UV-C. Le lunghezze d’onda ancora più corte della luce ultravioletta UV sono ancora più pericolose.

In particolare, la luce UV-C può danneggiare gli occhi umani e un’esposizione prolungata può causare ustioni e cancro della pelle nell’uomo. In particolare, può causare danni nelle cellule della pelle umana e danni permanenti agli occhi, fino a includere la cecità in alcuni casi. I raggi UV-C, in particolare, possono danneggiare la retina dell’occhio. Per evitare l’irradiazione degli esseri umani, pertanto, le luci UV-C vanno evitate o usate con grande cautela, coprendo la pelle e gli occhi (con occhiali ad hoc).

Come osservare i minerali fluorescenti

Le lampade utilizzate per visualizzare la fluorite e altri minerali fluorescenti sono comunemente usate nelle miniere ma tendono ad essere di tipo industriale. Le lampade devono essere a lunghezza d’onda corta per essere utili a questo scopo ed a livello scientifico. La recente richiesta da parte dei collezionisti di lampade UV ha portato alla messa in commercio di lampade UV portatili ideali per questa clientela e usate dai geologi per identificare le migliori fonti di fluorite o di minerali fluorescenti.

Ad esempio, una tipica lampada UV portatile usata dai geologi è la UVSL-26P, che opera a 2 lunghezze d’onda, 254 nm (siamo negli UV-C) e 365 nm (siamo nei tranquilli UV-A), usando altrettanti tubi. Gli occhiali protettivi e protezioni anti-UV sono acquistabili insieme a queste lampade per proteggere la vista e devono essere SEMPRE utilizzati. Tuttavia, se non siete adulti e non avete esigenze particolari, all’inizio acquistate e usate le normali lampade UV-A, come quelle usate ad es. nei locali notturni.

Esempi di lampade per geologi con due tubi: uno per gli UV-A e l’altro per gli UV-C.

In pratica, dovete cercare su Google, o nei negozi fisici o virtuali come questo, una “lampada di Wood” – o, equivalentemente, a luce nera (o Black light) – che è una lampada che emette luce ultravioletta a onde lunghe (UV-A) e poca luce visibile. In questo modo non correrete il rischio di “bruciare” in modo irreversibile i vostri occhi e potrete ugualmente divertirvi molto non solo a guardare minerali, rocce e gemme fosforescenti, ma anche una quantità di altre cose, come illustrato in altri articoli di questo sito.

Questo tipo di lampada ha un materiale filtrante viola o sul bulbo o in un filtro di vetro separato nell’alloggiamento della lampada, che blocca la maggior parte della luce visibile e consente il passaggio degli UV di lunghezza d’onda più lunga, per cui la lampada ha una luce viola fioca durante il funzionamento. Le lampade Black light dotate di questo filtro hanno una designazione per l’industria dell’illuminazione che include le lettere “BLB”, che sta appunto per “blacklight blue”.

Non tutti i tipi di minerali fluorescenti brillano sotto una lampada UV-A, chiamata anche “luce nera”; alcuni sono fluorescenti solo sotto la luce UV a onde corte. Alcuni minerali – come agate, calcite, corindone, fluorite, gesso, opale, quarzo, scapolite e talco – mostrano fluorescenza solo quando sono presenti certe impurità (come lo zolfo), che funzionano da attivatori, assorbendo UV ed emettendo luce visibile. Per andare a colpo sicuro, potete acquistare dei minerali fluorescenti o dei kit online.

Alcuni esempi di kit per l’osservazione di minerali fluorescenti. Puoi trovare piccole collezioni di minerali e rocce da osservare con la tua lampada UV qui.

Ecco alcune idee per semplici esperimenti. Verifica quanto i tuoi occhiali da sole bloccano la luce UV ponendoli tra uno dei campioni minerali fluorescenti e la lampada UV. Il minerale diventa lo stesso fluorescente senza mostrare ombre nella parte frontale? Sperimenta l’efficacia di vari schermi di protezione solare per vedere se sono più efficaci nel bloccare i raggi UV. Infine, prova a stendere una mano di crema solare sopra un minerale fluorescente e osserva se la fluorescenza è diminuita.

Quanti minerali sono fluorescenti?

La maggior parte dei minerali esistenti in natura non hanno una fluorescenza evidente. Solo circa il 15% dei minerali ha una fluorescenza visibile alle persone, e alcuni campioni di questi minerali non saranno fluorescenti. Ad es. alcune calcite non sono fluorescenti, altre brillano in una varietà di colori, tra cui rosso, blu, bianco, rosa, verde. Gli attivatori della fluorescenza sono tipicamente cationi di metalli come: tungsteno, molibdeno, piombo, boro, titanio, manganese, uranio e cromo.

Anche elementi di terre rare come europio, terbio, disprosio e ittrio contribuiscono al fenomeno della fluorescenza. La fluorescenza può essere causata anche da difetti strutturali cristallini o da impurità organiche. A differenza delle impurità “attivatrici”, invece, alcune impurità hanno un effetto smorzante sulla fluorescenza. Se ferro o rame sono presenti come impurità, o se il minerale attivatore è presente in grandi quantità, ciò può ridurre l’effetto di fluorescenza.

La clinohedrite, un raro minerale silicato fluorescente.

La maggior parte dei minerali mostra una fluorescenza di un singolo colore. Altri minerali hanno più colori di fluorescenza. La calcite è nota per la fluorescenza del rosso, del blu, del bianco, del rosa, del verde e dell’arancio. Alcuni minerali sono noti per presentare più colori di fluorescenza in un singolo campione. Questi possono essere minerali a catena che mostrano diverse fasi di crescita da soluzioni genitore con composizioni mutevoli. Molti minerali, infine, hanno un colore fluorescente sotto la luce UV a onde corte (UV-C) e un altro colore sotto la luce UV a onde lunghe (UV-A).

Per questo le lampade utilizzate dai geologi e dai collezionisti per localizzare e studiare i minerali fluorescenti sono molto diverse dalle lampade ultraviolette UV-A (le lampade di Wood o “luci nere”). Le UV-A non sono adatte per gli studi sui minerali per due motivi: 1) emettono luce ultravioletta a onde lunghe (la maggior parte dei minerali fluorescenti rispondono all’ultravioletto ad onde corte); e, 2) emettono una quantità significativa di luce visibile che interferisce con l’osservazione accurata.

Piccole lampade UV-C da pochi watt di potenza sono sicure per brevi periodi di utilizzo. Ma l’utente non deve guardare nella lampada, non deve dirigerla direttamente la pelle, né verso il volto di una persona o di un animale domestico. Guardare nella lampada può causare gravi lesioni agli occhi, mentre sulla pelle può causare “scottature”. Quando si usa una lampada UV vanno indossati occhiali di protezione (anche economici) con blocco degli UV, che offrono una protezione adeguata quando si usa una lampada UV-C a bassa tensione per brevi periodi di tempo per l’esame del campione.

Quando si usano raggi UV-C occorre sempre usare occhiali protettivi sicuri.

Molti esemplari di fluorite hanno una fluorescenza abbastanza forte. Solo pochi minerali hanno questo livello di fluorescenza. La fluorite in genere emette un bagliore blu-violetto sotto le onde corte e anche sotto le onde lunghe. Alcuni esemplari sono noti per illuminarsi color crema o di un colore bianco. Molti esemplari non sono fluorescenti. Si ritiene che la fluorescenza della fluorite sia causata dalla presenza di ittrio, europio, samario o materiale organico come attivatori.

Le sorgenti di luce ultravioletta vanno usate sempre sotto la supervisione di un adulto.

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