7.19: Luminiscencia

La luminiscencia es el fenómeno que se muestra como un “resplandor” de una piedra preciosa. Esto es causado por la absorción de energía y la liberación de excedentes de esta energía en pequeñas cantidades.
Las fuentes de energía suelen ser la luz ultravioleta, la luz de rayos X e incluso la luz visible. Cuando la energía proviene de la luz, se le conoce como fotoluminiscencia.

En gemología usualmente solo nos preocupan los siguientes tipos de luminiscencia:

• Fluorescencia
• Fosforescencia
• Triboluminiscencia
• Tenebrescencia (no técnicamente una luminiscencia)
• Catodoluminiscencia
• Termoluminiscencia

Las causas de luminiscencia son variadas pero en su mayoría se deben a impurezas (“activadores”) o a defectos en la red cristalina. En general, la presencia de hierro dentro de la gema mata o suprime la luminiscencia.

Fluorescencia

Básico

La fluorescencia es la emisión de luz visible por una piedra preciosa cuando se expone a radiación electromagnética de mayor energía (longitud de onda más corta). Cuando la piedra preciosa se expone a tal radiación, los electrones se elevan a un estado de energía superior, absorbiendo así la energía. Si el retorno al estado fundamental incluye emisión de energía que corresponde a la luz visible, se produce fluorescencia. Así, la fluorescencia es la emisión de luz visible cuando se expone a cualquier radiación de mayor energía. En gemología, la energía de excitación más común para la fluorescencia es la luz ultravioleta.

Aunque algunas personas entienden esto como una aceleración de la luz, esto es incorrecto. (Tampoco es causado por la desaceleración de la luz dentro de la piedra preciosa porque la desaceleración da como resultado longitudes de onda más cortas, no largas. Ver refracción).

Todos los rayos de luz llevan una cantidad específica de energía. La luz con una longitud de onda más corta tiene mayor energía. Esta energía se expresa en eV (electrón Voltios). Por ejemplo, la luz roja tiene una energía de alrededor de 1.8eV mientras que la luz violeta tiene 3.1eV de energía.
Cuando la pérdida de energía de la luz UV (con una energía de —digamos— 4eV) es de 2.2eV, esto da como resultado 1.8eV, de ahí luz roja (4 - 2.2 = 1.8).
No hay “pérdida” real de la energía, se convierte en otro tipo de energía como el calor.

Figura\(\PageIndex{1}\): Diagrama simplificado que muestra la causa de la fluorescencia

Esto podría explicarse mejor con una pelota que se arroje hacia arriba sobre una escalera.
Si tiraste la pelota a las escaleras, ese movimiento requeriría energía (la energía que viene de tu brazo). Digamos que la pelota ahora lleva 4eV de energía y esto es justo lo suficiente para llevarla del estado fundamental (1) a la 3ª placa (4). Al bajar entonces del nivel 4 al nivel 3, perdería parte de esa energía (en este ejemplo 0.5eV). Por lo que la pelota aún tiene 3.5eV de energía. Luego bajará al nivel 2, perdiendo 0.3eV adicionales de energía. Después de esto, volverá a caer al suelo mientras transporta solo 1.8eV de energía. Cuando vuelve a llegar al estado base, la pelota pierde toda su energía excedente.

Ahora imagina que la bola es un electrón y la fuente de energía (antes tu brazo) es la luz ultravioleta. A medida que el electrón obtiene 4eV de energía de la fuente de luz UV no podemos verlo como luz (solo podemos verlo ya que alcanza los 3.1eV, lo que corresponde a la luz violeta), en consecuencia, perderá cada vez más energía a medida que descienda nivel por nivel. Cuando alcanza el nivel 2, tiene una energía de 1.8eV que corresponde con luz roja, por lo que el electrón emitirá ahora luz roja.

Mientras se alimente energía a los electrones (en forma de luz UV), este proceso es continuo y este proceso sólo toma una fracción de segundo (un femtosegundo o ^10-15 segundos). La cantidad de energía que se requiere para que una gema fluoresce varía de una piedra a otra, para Ruby que es de 3eV y explica por qué los mejores Rubíes parecen brillar como una bobina caliente a la luz del día.
No todas las piedras preciosas mostrarán este fenómeno y esas piedras preciosas pierden la energía extra de otra manera.

La vida útil de la fluorescencia es relativa a la fuente de luz UV, lo que significa que si apagas la fuente de luz, la fluorescencia desaparece.

Figura\(\PageIndex{2}\): El espectro electromagnético y el lugar de la luz ultravioleta

Para el uso diario, utilizamos dos tipos diferentes de luz UV:

• Luz ultravioleta de onda corta o S-UV (con una longitud de onda de aproximadamente 254 nm)
• Luz ultravioleta de onda larga o L-UV (con una longitud de onda de aproximadamente 366 nm)

Advertencia: Cuando use luz UV, ¡asegúrese de proteger sus ojos ya que son dañinos! Esto es particularmente cierto para S-UV.

Algunos colores que se pueden ver en un gabinete de visualización UV:

Tabla\(\PageIndex{1}\): Fluorescencia
L-UV	S-UV	Color producido
Marfil	Synth. espinela blanca	Blanco
Ópalo
Ruby		Rojo
Espinela Roja
Sintador. Esmeralda
Azul Nat. Zafiro
Alejandrita
Kunzita		Naranja
Lapislázuli
Sodalita
Circón	Circón	Amarillo
Topacio
Apatita		Verde
Diamante	Synth. espinela blanca	Azul
Moonstone
Fluorita		Violeta

Aplicación Gemológica de Punteros Láser

Recientemente, los punteros láser y los LEDs UV han llegado a estar disponibles comercialmente en un rango de longitud de onda UV en incrementos de aproximadamente 20 nm.
Se ha iniciado una discusión sobre la aplicación gemológica de estos dispositivos, específicamente un puntero láser que emite un haz de 405 nm. Estos punteros han bajado drásticamente de precio y actualmente están disponibles por menos de $40 US. Siempre se debe tener extrema precaución al usar punteros láser ya que pueden causar daños oculares graves. Hay gafas protectoras disponibles. Las gafas son económicas y obligatorias para su uso con la experimentación con puntero láser. Por supuesto, también se pueden hacer observaciones usando el puntero láser dentro de sus viejos gabinetes UV para mayor seguridad.
Las observaciones son las siguientes:

Figura\(\PageIndex{2}\): Observaciones reportadas usando un puntero láser de 405 nm
Gema	Reacción	Causa probable
Circonia cúbica (incolora)	Inerte
Diamante (color D a O-P)	Azul de leve a fuerte
Esmeralda (natural)	Resplandor Rojo	Coloreado por Cromo
Esmeralda (natural)	Inerte	Coloreado por Vanadium
Jadeíta (natural, sin tratar)	Inerte
Rubí (natural y sintético)	Resplandor Rojo Intenso	Coloreado por Cromo
Zafiro (Azul natural y sintético)	Por lo general, inerte para desmayarse azul difuso	Coloreado predominantemente por Hierro
Zafiro (Azul natural)	Rojo: moderado a intenso	Cojinete Cr azul Sri Lanka nat. zafiros
Zafiro (Violeta y Morado natural)	Rojo: moderado a intenso	Cojinete Cr

Avanzado

Técnica de filtros cruzados

Figura\(\PageIndex{3}\): Solución de Sulfato de Cobre en un matraz y un filtro rojo

La técnica de “filtros cruzados” no debe confundirse con “polares cruzados” o “polaroides cruzados” ya que tienen que ver con polarización, no luminiscencia.
Se llena un matraz con sulfato de cobre hidratado y se pasa luz blanca a través de la solución. La luz que sale será azul. Durante la iluminación de la piedra preciosa con esta luz azul, se coloca un filtro rojo entre el ojo del observador y la piedra. Cuando la piedra aparece roja, cuando se ve a través del filtro rojo, esto es una prueba clara de que la piedra es fluorescente a la luz del día.
El activador en la gema que causa esto es la presencia de Cromo (Cr) en la red cristalina y este efecto se ve predominantemente en Rubí, Alejandrita, Esmeralda, Espinela roja y Topacio rosa. Cabe señalar que el Hierro (Fe) puede disminuir en gran medida o eliminar por completo este efecto de fluorescencia. Como los materiales sintéticos suelen llevar más Cr y poco o nada de Fe, este resplandor de luz roja es más intenso que en sus contrapartes naturales (en general).

Afortunadamente, la molestia de llevar sulfato de cobre hidratado se elimina con la invención de las antorchas LED de bolsillo (o llavero) azules que se pueden comprar por solo unos pocos USD en su ferretería local. Uno podría usar una hoja de vidrio de selenio rojo como filtro rojo, o incluso su Filtro de Color Chelsea. Otras láminas como los plásticos también podrían servir como filtros cruzados.
Con una lámina de material azul frente a la fuente de luz, se puede imitar la solución de sulfato de cobre y/o la antorcha LED.

Usando la misma fuente de luz junto con un espectroscopio, se puede distinguir fácilmente entre Rubí y Espinela roja.

Tabla\(\PageIndex{3}\): Relación entre longitud de onda y energía cuántica
<— longitud de onda —
longitud de onda	800nm	700nm	600nm	500nm	400nm	300nm	200nm
energía	1.55eV	1.77eV	2.07eV	2.48eV	3.1eV	4.13eV	6.2eV
— energía —>

Fosforescencia

Básico

La fosforescencia es similar a la fluorescencia pero difiere en la “vida útil” en la que el resplandor se desvanece. En los materiales fosforescentes, el resplandor, o mejor el “postresplandor”, puede variar desde una fracción de segundo hasta varias horas (aunque este último generalmente no se observa en los minerales).

Figura\(\ PageIndex {4}\): El diagrama de “trampa”

Cuando un electrón obtiene suficiente energía de una fuente de energía como luz UV, el electrón saltará de su estado fundamental (1) a un nivel de energía más alto (4). El electrón caerá en un hueco (2) más que al nivel de energía justo por debajo de 4 (3).
Como resultado, el electrón quedará “atrapado” en la brecha y necesita energía extra (también proporcionada por la fuente de luz UV) para saltar. Mientras que la fuente de energía UV alimenta los electrones, se ve fluorescencia, sin embargo, cuando la fuente se apaga los electrones permanecen en la trampa hasta que se proporciona otra energía para liberarlos.
La energía requerida para sacar el electrón de la trampa proviene de la luz blanca (con energía térmica, o calor a temperatura ambiente).
Como la luz blanca no lleva tanta energía como la luz UV, la liberación del electrón va a un ritmo más lento, creando así un resplandor posterior. Durante este periodo el fenómeno recibe el nombre de fosforescencia.

Uno puede mirar la liberación del electrón como “blanqueamiento”.

La tenebrescencia (ver abajo) también se puede explicar por esto, sin embargo, la energía requerida para liberar el electrón es mayor. Puedes visualizarlo como una brecha más profunda si quieres.

Triboluminiscencia

La triboluminiscencia es causada por presión, fricción o tensión mecánica de cualquier manera aplicada a una piedra preciosa.
Opuesto a la fluorescencia, fosforescencia y tenebrescencia, la triboluminiscencia no es causada por la luz, por lo que no debe llamarse fotoluminiscencia. En cambio, es el resultado de cargas eléctricas, por lo tanto la electroluminiscencia.
Este efecto se suele ver en el corte de diamante. Cuando el diamante es aserrado o escindido, las cargas eléctricas se liberan de la piedra e inmediatamente se recombinan, mostrando un resplandor rojo o azul.

Tenebrescencia

Aunque la tenebrescencia no es técnicamente una luminiscencia, comparte algunas características comunes con la fosforescencia. Técnicamente, la tenebrescencia es un color inestable causado por la irradiación artificial de baja energía (formando un centro de color) de la fuente de luz UV.
La principal diferencia entre luminiscencia y tenebrescencia es que una piedra fluorescente o fosforescente brillará en la oscuridad, mientras que una gema tenebrescente necesita luz para mostrar su color. Más técnicamente: una piedra tenebrescente necesita una fuente de energía externa (luz) para mostrar su color, mientras que la luminiscencia es una liberación de energía “almacenada”.

En 1896, L. C. Boergstroem descubrió en Groenlandia una vibrante variedad rosa de sodalita. El color rosado de esta inusual sodalita se desvaneció a incolora cuando se expuso a la luz. La sodalita volverá a su color rosa original cuando se coloque en la oscuridad por un periodo prolongado de tiempo, o cuando se exponga a luz ultravioleta de onda corta. Esta transformación puede repetirse sin cesar. La tenebrescencia se define por minerales que son capaces de hacer esta transformación de color; los minerales que muestran la capacidad de cambiar de color de esta manera se denominan tenebrescentes. La tenebrescencia es la propiedad que muestran algunos minerales y fósforos de oscurecimiento en respuesta a radiación de una longitud de onda y luego blanqueamiento reversible al exponerse a una longitud de onda diferente. Muy pocos minerales exhiben este fenómeno, también conocido como fotocromismo reversible, palabra que se aplica a las gafas de sol que cambian la densidad de color al exponerse a la luz solar.

A la sodalita que muestra este comportamiento se le ha dado el nombre de variedad hackmanite. El color rosado en este mineral es inestable porque se desvanece muy rápidamente cuando se expone a la luz.

Otros ejemplos de minerales que pierden o ganan color cuando se exponen a la luz son:

El tugtupite —algunas variedades de tugtupita de color claro, especialmente el material rosa pálido— se intensificará en color como resultado de la exposición a los rayos UV de onda corta o incluso a la luz solar intensa (pero no a la luz artificial).
La espodumena logrará un oscurecimiento de color a rosa o púrpura con la exposición a radiación de alta energía.
Los diamantes camaleones son diamantes de color oliva que cambian de color temporalmente después de haber sido almacenados en la oscuridad o cuando se calientan suavemente. Los diamantes camaleones muestran tonalidades y tonos de oliva claro a oscuro (la fase de color estable) a través de amarillo claro a amarillo medio (la fase de color inestable). Después de uno o dos días en la oscuridad, la exposición a la luz cambia el color de un diamante camaleón del color amarillo inestable de nuevo al olivo estable. Esto se observa como un proceso infinitamente repetible.
Se informa que amatistas de Globe, Arizona y algún topacio color cereza pierden su color al sol, pero en este caso, la pérdida de color es irreversible.
La barita blanca de la mina Gaskin en el condado de Pope, Illinois, cambiará a azul, y la barita amarilla cambiará a gris-verde cuando se exponga a la luz ultravioleta.

El color rosado de la hackmanita puede restaurarse de dos maneras. Una forma es dejando el espécimen en la oscuridad durante unas horas a varias semanas, y la otra es por exposición a ultravioleta. El ultravioleta de onda corta es el más eficiente para este propósito. La velocidad con la que se logra esto y la profundidad del color que se logra varía de espécimen a espécimen.

Figura\(\PageIndex{5}\): Tenebrescencia

En algunos especímenes, se requiere una larga exposición a la luz ultravioleta para producir un leve grado de color rosa. En otros especímenes, la exposición al ultravioleta de onda corta producirá casi instantáneamente un color rosado. En estos últimos especímenes, la exposición adicional a la luz ultravioleta durante varios minutos a algunas horas producirá un color rosa intenso a rojo frambuesa en el que se evidencia un componente azul débil. Esto se puede observar en algunos ejemplares del Mont Saint-Hilaire y Khibina. Si el espécimen se pone entonces en la oscuridad, el color rojo intenso exhibirá fosforescencia, también conocida como “posluminiscencia”. La luz visible (longitudes de onda entre 480-720 nanómetros) revertirá rápidamente el proceso y volverá a hacer que la muestra sea incolora una vez más.

Este efecto fotocrómico puede repetirse indefinidamente, aunque cualquier calentamiento del mineral destruye la tenebrescencia para siempre.

Las investigaciones indican que los Centros F son al menos parcialmente la causa de la tenebrescencia en la hackmanita. El término F-Centers se deriva de la palabra alemana Farbe, que significa color. Un centro F es un defecto en una red iónica que ocurre cuando un anión sale como especie neutra, dejando atrás una cavidad y una carga negativa. Esta carga negativa es luego compartida por las cargas positivas vecinas en la celosía. Los centros F son responsables de colorear una variedad de minerales, incluyendo fluorita y barita. (Nassau, 1983) En la hackmanita, se propone que faltan algunos de los átomos de cloro cargados negativamente. Se requiere una carga eléctrica negativa en tales vacantes para proporcionar saldo de carga, y cualquier electrón libre en la vecindad se vuelve atraído a dichas vacantes y queda atrapado allí. Tal electrón atrapado es la base típica de un F-Center. Parece que este centro en hackmanita absorbe luz verde, amarilla y naranja y cantidades variables de azul. Cuando la hackmanita se ve en luz blanca, el rojo y algo de azul vuelven al ojo, dando los colores hackmanita.

Un mineral puede producir cierto color que depende de arreglos diferentes pero fijos de electrones (Nassau, 1983). La hackmanita absorbe la energía de la radiación ultravioleta y muchos electrones se atascan en una nueva posición de alta energía en los átomos (centros F), lo que hace que el mineral tenga un color diferente cuando se encienden las luces de la fuente de luz UV. Pero cuando encendemos las luces de la habitación, el nuevo color se desvanece. La luz blanca (el espectro visible) también energiza electrones, simplemente no tanto como la luz ultravioleta. La luz blanca tiene la energía necesaria para “despegar” los electrones de los Centros F, devolviendo así el mineral a incoloro.

Un hallazgo bastante reciente (2005) en Badakhshan, Afganistán es tenebrescente escapolito. Este material incoloro a plateado se desenterró cerca de los depósitos de hackmanita y muestra un color aguamarina después de la exposición a la luz UV SW. La intensidad de este color (azul) depende del tiempo que haya estado expuesto a la iluminación UV.
La exposición a una lámpara UV UVP UVG4 SW durante 15 minutos desencadenó un color azul aguamarina casi Santa María que se desvaneció gradualmente durante los siguientes 10-15 minutos en luz natural.

Catodoluminiscencia

La catodoluminiscencia es otro tipo de luminiscencia que es de cierta importancia en la gemología. Es la emisión de energía, que puede tener un espectro característico por materiales que se encuentran en un haz de electrones. La forma más familiar de catodoluminiscencia (a menudo abreviada CL) es la luz emitida por la pantalla de un monitor de video. Si miras los puntos rojo verde y azul estás viendo espectros característicos de tres fósforos diferentes. En un monitor monocromático que puede venir en casi cualquier color incluido el blanco, es un solo fósforo que se excita en el haz de electrones.

CL se excita en cámaras CL especiales y también en microscopios electrónicos que ya tienen a mano el haz de electrones. Durante mucho tiempo ha sido utilizado por los mineralogistas. El haz de electrones es mayor en energía que los rayos UV o X de onda corta, todos los cuales pueden usarse para excitar fluorescencia más convencional. Muchos diamantes sintéticos muestran líneas de crecimiento características bajo examen catodoluminiscente. Se trata de una técnica de gemología avanzada o de investigación.

Termoluminiscencia

La fluorita puede almacenar energía de la radiación UV y cuando el mineral se calienta, liberará parte de esa energía a través de la luminiscencia.

Fuentes

• Gemología 3ª edición (2005) - Peter Read
• Programa del Diploma Gem-A (1987)
• Filtros cruzados revisitados - D.B.Hoover y B. Williams, The Journal of Gemmology, julio/octubre de 2005
• Un informe de estado sobre las piedras preciosas de Afganistán - Gems & Gemology, Invierno 1985, Gary Bowersox
• Actualización sobre Hackmanite - Gemas y Gemología, Invierno 1989, Noticias de gemas
• La física y química del color - Kurt Nassau, 1983
• Introducción a los minerales formadores de rocas - Deer, Howie & Zussman 1966
• Hackmanite - Folleto suministrado por SoCalNevada, sobre Hackmanite de la Península de Kola, Rusia
• Los orígenes del color en los minerales - Kurt Nassau, Mineralogista Americano Volumen 63, páginas 219-229, 1978 [1]

Enlaces externos

• Diagrama Jablonski
• Conceptos básicos en Fluorescencia
• www.minershop.com/html/tenebrescense.html
• luminousminerals.com/greenland/tenebrescence.shtml
• Clasificación de Hackmanite con localititas