Quali minerali diventano luminosi e come funziona la loro fluorescenza

Alcuni minerali, in particolare la fluorite e la calcite, se esposti a luce ultravioletta risplendono di bagliori intensi a causa del fenomeno chiamato fluorescenza. Questo accade quando i minerali contengono elementi che assorbono radiazione ultravioletta e la riemettono sotto forma di luce visibile. In questo articolo esamineremo la natura di questo fenomeno e identificheremo i minerali principali che possiedono tale proprietà.

Quali sono i minerali fluorescenti più comuni

La fluorite (CaF_₂) è uno dei primi minerali in cui è stata riconosciuta la capacità di fluorescenza, e infatti il nome del fenomeno ottico "fluorescenza" deriva proprio da questo minerale. Quando esposta a radiazioni ultraviolette, la fluorite può brillare di un colore blu, anche se in certe occasioni può manifestare tonalità di rosso, viola, giallo o verde. Questa caratteristica fluorescenza della fluorite è spesso legata alla presenza di impurità come ittrio, itterbio ed europio nel minerale.

La calcite (CaCO_₃) è un altro esempio di minerale frequentemente fluorescente. La sua tipica fluorescenza arancione-rossa è spesso legata alla presenza di impurità di manganese e piombo. Tuttavia, ci sono occasioni in cui la calcite può mostrare tonalità di fluorescenza rosa o gialle, generalmente associate alla presenza di attivatori organici. In rari casi, tracce di uranio possono causare una fluorescenza verde nella calcite.

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Il calcedonio (SiO₂) è un tipo di quarzo criptocristallino, cioè è composto da aggregati di minerali le cui dimensioni sono così piccole da risultare spesso indistinguibili attraverso un microscopio ottico. Quando il calcedonio contiene impurità di ioni di uranio, può manifestare una fluorescenza di colore verde o giallo se esposto a radiazioni ultraviolette con lunghezze d'onda comprese tra 500 e 650 nanometri.

Altri minerali con proprietà fluorescenti sono la barite (con fluorescenza in tonalità di giallo, blu-bianco, verde o arancione chiaro), l’apatite (generalmente di colore giallo, ma può essere anche violetta o rossa), il corindone (prevalentemente rosso), l’aragonite (che mostra una fluorescenza in giallo, bianco o verde), la selenite (con tonalità di blu-bianco o giallo-bianco) e la sodalite (che mostra principalmente un colore vivido arancione).

Che cos’è la fluorescenza, il fenomeno che rende i minerali luminescenti

Il fenomeno noto come “fluorescenza” descrive la capacità di certi minerali di emettere radiazioni luminose visibili all’occhio umano quando sono illuminati da specifiche lunghezze d'onda, come la radiazione ultravioletta (UV) e i raggi X. Questo avviene perché le molecole dei minerali, al contatto con la luce ultravioletta, assorbono piccoli quantitativi di radiazione luminosa che successivamente verrà rilasciata con una lunghezza d’onda differente. Tale fenomeno provoca un cambiamento temporaneo nel colore del minerale, che si manifesta attraverso toni intensi e brillanti, ovvero la fluorescenza. Ma perché accade?

I raggi UV appartengono alla banda della radiazione elettromagnetica con lunghezze d’onda comprese tra 400 nanometri, ovvero appena oltre il limite del visibile associato al colore viola, e 10 nanometri. Le radiazioni UV hanno la capacità di eccitare gli elettroni nella struttura atomica dei minerali, conferendo loro l’energia necessaria per compiere il salto ad un livello energetico superiore. Tuttavia, questa collocazione nell’orbitale a più alta energia non è né stabile né permanente. Quando la fonte di energia, in questo caso la luce UV, viene rimossa, l’elettrone, non più eccitato, ritorna al suo stato energetico iniziale. Durante la caduta, parte dell'energia precedentemente acquisita viene rilasciata sottoforma di radiazione luminosa con una lunghezza d'onda differente da quella incidente. Il risultato è il cambiamento temporaneo del colore del minerale, ovvero la fluorescenza. Il fenomeno persiste fintanto che il minerale è illuminato dalla luce ultravioletta, e può perdurare brevemente anche dopo l'interruzione dell'illuminazione.

Come funziona la fluorescenza nei minerali

La fluorescenza non riscontrabile in tutti i minerali. Si stima infatti che solo circa il 15% dei minerali conosciuti manifesta fluorescenza nello spettro del visibile, equivalente a poco più di 550 minerali. Benché molti minerali esibiscano un singolo colore quando sottoposti alla luce ultravioletta, alcuni possono presentare sfumature diverse. Un elemento cruciale nella manifestazione della fluorescenza è l'esistenza di impurità all'interno del reticolo cristallino dei minerali. Le impurità sono elementi estranei, non costituenti fondamentali del minerale, e solitamente presenti in piccole concentrazioni. In linea di principio, le impurità cristallografiche possono influenzare il normale colore del minerale. Ad esempio, il corindone puro (Al₂O₃) è un minerale tipicamente incolore o grigio, ma in presenza di tracce di cromo diventa rosso, mentre se contiene atomi di ferro o titanio si tinge di blu. Nel primo caso, il minerale è denominato rubino, nel secondo zaffiro.

In presenza di una radiazione UV, le impurità influenzano l’intensità e il colore della fluorescenza. Tra le impurità tipicamente associate alla fluorescenza troviamo metalli come tungsteno, molibdeno, piombo, titanio, cromo, manganese e uranio, ma anche terre rare quali europio, ittrio e disprosio. Non solo le impurità, ma anche altri difetti del reticolo cristallino, come dislocazioni e difetti di vacanza, cioè dovuti all'assenza o spostamento di uno o più ioni, possono giocare un ruolo nel fenomeno della fluorescenza. La lunghezza d'onda della radiazione UV incide, inoltre, sull'intensità e sul colore emesso. La maggior parte dei minerali fluorescenti (oltre il 90%) reagisce particolarmente bene alle radiazioni ad alta frequenza, come quelle tra 280-100 nanometri (raggi UV-C), grazie all'energia elevata dei fotoni. Al contrario, solo circa il 10% dei minerali fluorescenti emette radiazioni visibili se esposti a radiazioni ultraviolette con lunghezze d'onda maggiori, come quelle tra 400-320 nanometri (radiazioni UV-A).