Katodová luminiscence

I obyčejný kámen nalezený na poli může být pro geologa cenným zdrojem informací, má v sobě záznam o procesech, které se podílely na jeho vzniku. Hornina je vlastně obdobou černé skříňky – jsou v ní „zapsány“ události, jimiž prošla během své existence. Ta trvala v některých případech desítky milionů či miliardy let. Úkolem petrologa (z lat. petra – skála) je celý tento záznam přečíst. Každá hornina ale není snadno čitelná, a proto si petrologové pomáhají řadou chemických a fyzikálních metod. Jednou z nich je katodová luminiscence.

Tímto termínem se označuje emise viditelného světla vyvolaná dopadem urychlených elektronů na horninu či minerál. Intenzita emitovaného světla je závislá především na koncentraci aktivátorů – atomů, jejichž přítomnost ve struktuře studovaného materiálu luminiscenci vyvolává. K nim patří například atomy manganu a prvků vzácných zemin (jiné prvky, zejména dvojmocné železo, naopak luminiscenci tlumí).

Kromě emise viditelného světla lze po dopadu urychlených elektronů na horninu sledovat a analyzovat řadu dalších jevů přinášejících informace o studovaném materiálu, například odraz elektronů či rentgenové záření.

Jak se hornina pomocí katodové luminiscence zkoumá? Nejprve se z ní vyřízne destička o tloušťce 0,03 mm a vyleští se. Je průhledná a lze ji studovat s využitím klasického optického polarizačního mikroskopu (viz např. Vesmír 74, 638, 1995/11 a přílohu Vesmíru 2004/3 Mikroskopie dnes). Jestliže je povrch vzorku vystaven ve vakuu proudu urychlených elektronů, je emitováno viditelné světlo, které můžeme nejen pozorovat, ale také fotografovat, popřípadě podrobit spektrální analýze. Zatímco pozorování v klasickém mikroskopu přináší informace zejména o barvě, indexu lomu a dalších optických vlastnostech vzorku, pozorování s využitím katodové luminiscence přináší informace o přítomnosti, rozmístění a dalších vlastnostech aktivátorů. Kombinací obou typů pozorování lze často dokumentovat struktury, které vznikaly v důsledku jednotlivých procesů podílejících se na genezi horniny. Takto pozorované struktury je pak možno analyzovat na elektronové mikrosondě a pomocí analýz určit například teplotu, při které hornina krystalizovala – zjistit dejme tomu teplotu lávy z vulkánu starého několik set milionů let.

Zmínili jsme možnost „přečíst minulost“ horniny, ale stejně dobře lze katodovou luminiscenci v geologii využít ke studiu změn v nedávné minulosti nebo současnosti, způsobených vulkanickou činností aj.