Observació de la catodoluminescència

Observació de la catodoluminescència.

Adolf Cortel

La catodoluminescència és l’emissió de llum que es produeix quan un feix d’electrons xoca amb alguns materials. N’és un bon exemple l’emissió de llum dels pigments que recobreixen l’interior de les pantalles dels televisors “antics” quan hi xoquen els electrons accelerats. El fenomen es va descobrir amb els primers tubs de raigs catòdics i, de vegades, en les col·leccions on es conserven alguns tubs antics se’n pot veure algun amb forma d’ou, mig ple de trossos de minerals, i dos elèctrodes. Quan es connecten a una font d’alta tensió, a les fosques, s’observa que els minerals emeten llum [1,2].

Fig 1 (1) — Figura 1. Tub de raigs catòdics antic on es podia observar la catodoluminescència. Les mostres de minerals emetien llum quan es connectaven els dos elèctrodes a una font d’alta tensió.

El fenomen només s’observa si dins del tub s’ha fet el buit; quan el buit no es prou elevat només s’observa la lluminositat de la descàrrega a través del gas, tal com succeeix en un fluorescent o en un tub de neó. Amb un buit inferior a 0,1 mmHg els electrons es poden accelerar prou com per a produir l’excitació dels minerals d’una forma semblant, en alguns casos, a com ho faria una làmpada UV d’ona curta.

Fig 2 (2) — Figura 2. Catodoluminescència molt intensa de dos diamants en un tub de raigs catòdic casolà, construït tal com s’explica més endavant.

És interessant poder comprovar si una mostra d’un mineral qualsevol és catodoluminescent i, per aconseguir-ho, és necessari un tub que es pugui obrir per a posar-hi la mostra i que es pugui tancar ben hermèticament per fer-hi el buit; per tant, és imprescindible disposar d’una bomba de buit. Les bombes d’oli que es fan servir per instal·lacions d’aire condicionat arriben a un buit de 0,02 mmHg i funcionen bé per a aquest experiment. Quan s’ha fet un buit suficient, la descàrrega elèctrica només tindrà lloc a “alta” tensió; en un tub curt, com el que s’ha fet servir en els experiments que es descriuen, n’hi ha prou amb una font de corrent continu d’alta tensió que arribi a uns 1500 V i pugui donar una intensitat petita, de l’ordre d’1 mA.

Cal advertir que el propòsit d’aquest muntatge és essencialment didàctic, ja que no es pretén res més que observar l’emissió de llum d’un repertori reduït de minerals. Quan es pretén fer recerca, sovint per a observar zonacions en cristalls, la catodoluminescència es pot observar en els microscopis electrònics d’escombrat (SEM) amb feixos d’electrons accelerats a tensions molt més altes, de desenes de milers de volts.

Tal com mostra la figura, on s’indiquen les mides, el tub de vidre té un elèctrode a cada extrem. A la dreta, on es connectarà al terminal negatiu de la font d’alimentació (càtode) s’hi ha fet un forat amb un tub de vidre que permet fer-hi el buit. A l’altre extrem (ànode), on es connecta el terminal positiu, s’han emprat peces de llautó de les que fan servir els lampistes en instal·lacions d’aigua, que amb una junta tòrica tanquen ben hermèticament i es poden obrir i tancar per a treure i posar les mostres. A aquest elèctrode s’hi ha soldat una tira fina de coure que a l’altre extrem té soldada una moneda de 20 cèntims d’euro on s’hi ha fet un forat. L’extrem amb la moneda es doblega de manera que, introduïda dins del tub, sigui perpendicular a les parets.

Fig 3 (1) — Figura 3. Tub de raigs catòdics casolà per a observar la catodoluminescència.

El forat de la moneda té el propòsit de deixar passar els electrons accelerats procedents del càtode. Com que el gas residual emet llum en el xoc amb els electrons, no convé posar la mostra dins la zona compresa entre el càtode i l’ànode (en aquest cas la moneda), ja que la llum emesa pel gas emmascararia, en certa mesura, la llum emesa en el xoc dels electrons amb la mostra. D’aquesta manera, els electrons que han passat pel forat xoquen amb la mostra en una zona fosca i la llum que s’hi origina només es deguda a la catodoluminescència. Aquests detalls es poden veure a la figura 4.

Fig 4 (2) — Figura 4. Catodoluminescència intensa de la kunzita. El càtode (-) és a la dreta, on hi ha la lluminositat rosada. El xoc dels electrons accelerats des del càtode cap a l’ànode (la moneda, al centre de la imatge) amb les parets del tub produeix una llum verdosa. Els electrons que han passat a través del forat de la moneda xoquen amb la mostra i li provoquen la luminescència taronja.

Així, el procediment és introduir una mostra que hi càpiga dins del tub, tancar-lo ben apretat, fer el buit i al cap d’uns minuts, quan es connecti la font d’alta tensió i hi hagi la descàrrega elèctrica es podrà observar el color de la catodoluminescència (si n’hi ha!) . Si es vol emprar una altra mostra, cal repetir l’operació. Es pot observar com funciona tot plegat i la catodoluminescència d’un repertori de mostres en el vídeo de Youtube:

Com que els electrons es desvien en presència de camps magnètics, és útil fer servir un imant que, posat en la posició adient, concentri els electrons sobre la mostra, millorant així l’emissió de llum.