دانلود کتاب Modern Luminescence Spectroscopy of Minerals and Materials

فهرست مطالب :

Foreword......Page 6
Epigraphs......Page 8
Preface......Page 10
Acknowledgements......Page 12
Contents......Page 14
Chapter 1: Introduction......Page 21
References......Page 28
2.1 The s, p, d, f Atomic Orbitals......Page 29
2.2 Point Group Symmetry......Page 30
2.3.1 Optical Absorption Spectroscopy......Page 31
2.3.2 Luminescence Excitation Spectroscopy......Page 34
2.3.2.2 Two-Photon Absorption Spectroscopy......Page 35
2.4 Radiative Return to the Ground State: Luminescence......Page 37
2.4.1.1 The Concept of the Ligand Field......Page 38
2.4.1.2 Tanabe-Sugano Diagrams......Page 41
2.4.2 Configurational Coordinate Diagram......Page 42
2.4.3 Molecular Orbital Theory......Page 45
2.4.4 Discrete Variational Multi Electron Technique......Page 46
2.4.5.1 Radiative Decay......Page 47
2.4.5.2 Non-radiative Decay......Page 48
2.4.6 Luminescence in the Band Scheme......Page 49
References......Page 51
3.1 Lasers......Page 53
3.1.2 Short Description of the Lasers Used for Luminescence of Minerals Excitation......Page 54
3.2.1 Experimental Apparatus......Page 55
3.2.2 Spectral Deconvolution......Page 56
3.3 Time-Resolved Luminescence Spectroscopy......Page 57
Reference......Page 63
Chapter 4: Luminescent Minerals......Page 64
4.1.1 Apatite Ca5(PO4)3(F,Cl,O,OH)......Page 68
4.1.2 Scheelite CaWO4 and Powellite CaMoO4......Page 71
4.1.3 Fluorite CaF2......Page 76
4.1.4 Calcite, Island Spar and Aragonite CaCO3......Page 79
4.1.5 Dolomite (Ca,Mg)(CO3)2......Page 83
4.1.6 Danburite CaB2(SiO4)2......Page 84
4.1.7 Datolite CaB(SiO4)(OH)......Page 85
4.1.8 Anhydrite CaSO4......Page 86
4.1.9 Apophyllite Ca4KF(Si8O20)8H2O......Page 88
4.1.10 Hardystonite Ca2ZnSi2O7......Page 89
4.1.12 Charoite K2NaCa5(Si12O30)Fx3H2O......Page 90
4.1.14 Pectolite NaCa2Si3O8(OH)......Page 91
4.1.15 Pyrochlore (Ca,Na)2Nb2O6(OH,F)......Page 92
4.1.16 Leucophane NaCaBe(Si2O6)F......Page 93
4.1.17 Milarite K2Ca4Al2Be4Si24O60xH2O......Page 95
4.1.18 Walstromite Ca2BaSi3O9......Page 96
4.1.19 Bavenite Ca4Be2Al2Si9O26(OH)2......Page 97
4.1.20 Diopside CaMgSi2O6......Page 98
4.1.21 Eudialite Na15Ca6(Fe,Mn)3Zr3SiO(O,OH,H2O)3......Page 100
4.1.23 Burbankite (Na,Ca)3(Sr,Ba,Ce)3(CO3)5......Page 101
4.1.24 Prosopite CaAl2(F,OH)8......Page 103
4.1.26 Anorthite CaAl2Si2O8......Page 104
4.2.1 Pyromorphite Pb5(PO4)3Cl......Page 106
4.2.2 Vanadinite Pb5(VO4)3Cl......Page 107
4.2.4 Margarosanite Pb(Ca,Mn)2Si3O9......Page 108
4.2.5 Cerussite PbCO3......Page 109
4.3.1 Cassiterite SnO2......Page 110
4.3.2 Malayaite CaSn(SiO5)......Page 111
4.4 Barium (Ba2+) Bearing Minerals......Page 112
4.4.1 Barite BaSO4......Page 113
4.4.2 Witherite BaCO3......Page 114
4.5.1 Celestine SrSO4......Page 115
4.5.2 Strontianite SrCO3......Page 116
4.6.1 Titanite CaTiSiO5......Page 117
4.6.2 Benitoite BaTiSi3O9......Page 121
4.6.4 Other Titanium Bearing Minerals......Page 123
4.7.1 Hydrozincite Zn5(CO3)2(OH)6......Page 124
4.7.2 Willemite Zn2SiO4......Page 125
4.7.4 Smithonite ZnCO3......Page 126
4.8 Zirconium (Zr4+) Bearing Minerals......Page 127
4.8.1 Zircon ZrSiO4......Page 128
4.8.2 Baddeleyite ZrO2......Page 133
4.9 Silicon (Si4+) Bearing Minerals......Page 135
4.9.1 Wollastonite CaSiO3......Page 137
4.9.2 Feldspars......Page 138
4.9.3 Quartz SiO2......Page 140
4.9.4 Phenakite Be2SiO4......Page 145
4.10.1 Kyanite, Sillimanite and Andalusite Al2O[SiO4]......Page 146
4.10.2 Topaz Al2SiO4F2......Page 155
4.10.3 Corundum Al2O3......Page 159
4.10.4 Spinel MgAl2O4......Page 163
4.10.5 Beryl and Emerald Be3Al2Si6O18......Page 166
4.10.6 Chrysoberyl BeAl2O4......Page 169
4.10.7 Grossular Ca3Al2(SiO4)3......Page 176
4.10.8 Tourmaline (Na,Ca)(Mg,Al,Li)3Al6x(BO3)3Si6O18OH......Page 181
4.10.9 Epidote (Zoisite) Ca2AlAl2O(OH)(Si2O7)(SiO4)......Page 182
4.10.10 Eosphorite AlPO4Mn(OH)2H2O......Page 185
4.10.11 Spodumen LiAlSi2O6......Page 186
4.10.12 Boehmite and Diaspor AlOOH......Page 187
4.10.13 Chlorite (Mg,Al,Fe)12[(Si,Al)8O20](OH)16......Page 189
4.10.15 Cordierite Mg2Al3[AlSi5O18]......Page 190
4.10.17 Jadeite NaAlSi2O6......Page 192
4.10.19 Clinochlore (Mg,Fe)5AlSi3AlO10(OH)8......Page 193
4.10.21 Euclase BeAlSiO4(OH)......Page 195
4.11 Sodium (Na+) Bearing Minerals......Page 197
4.11.1 Sodalite Na8[Al6Si6O24]Cl2 , Hackmanite Na8[Al6Si6O24](Cl2,S) and Tugtupite Na4AlBeSi4O12C......Page 200
4.11.3 Scapolite Na4Al3Si9O24Cl......Page 202
4.11.4 Analcime NaAlSi2O6(H2O)......Page 203
4.12 Silver (Ag+) Bearing Minerals......Page 204
4.12.1 Chlorargyrite AgCl and Embolite Ag(Cl,Br)......Page 205
4.13.1 Rhodonite CaMn4Si5O15, Rhodochrosite MnCO3, Axinite Ca2MnAl2BSi4O15OH......Page 206
4.13.2 Helvine Mn4(BeSiO4)5S......Page 207
4.14 Uranium (U6+) Bearing Minerals......Page 208
4.15.1 Forsterite Mg2SiO4......Page 209
4.15.2 Enstatite MgSiO3......Page 216
4.15.4 Clinochlore Mg5Al(Si3Al)O10(OH)8......Page 218
4.15.5 Sinhalite MgAlBO4......Page 219
4.16.1 Monazite (Ce,La)PO4......Page 220
4.16.3 Xenotime YPO4......Page 221
4.16.4 Bastnasite CeCO3F......Page 222
4.16.6 Parisite Ca(Ce,La)(CO3)3F2......Page 224
4.16.8 Fergusonite (Y, RE)NbO4......Page 225
4.17.1 Pezzottaite Cs(Be2Li)Al2(Si6O18)......Page 226
4.18.1 Swedenborgite NaBe4SbO7......Page 228
4.18.2 Diamond C......Page 229
References......Page 232
5.1.1 Introduction......Page 239
5.1.2 Electronic Levels of 4f Elements......Page 240
5.1.3 Matrix Elements of Operators......Page 242
5.1.4 Results of Theoretical Calculation......Page 244
5.1.5 Transition Probabilities of 4 f-elements and the Judd-Ofelt Theory......Page 246
5.2 Radiative Transitions in Rare Earth Elements......Page 248
5.3 Relaxation Process in Trivalent Rare Earths......Page 250
5.4 Energy Transfer Between Two Rare Earth Ions......Page 253
5.5 The Treatment of Optical Properties of Divalent REE......Page 254
5.6 Rare-Earth Elements Luminescence in Minerals......Page 256
5.6.1 Ce3+......Page 257
5.6.1.2 Barite and Anhydrite......Page 258
5.6.1.5 Danburite and Datolite......Page 259
5.6.1.8 Sodalite and Tugtupite......Page 260
5.6.2.1 Magmatic Apatite......Page 261
5.6.2.2 Sedimentary Apatite......Page 263
5.6.2.3 Scheelite......Page 265
5.6.3 Nd3+......Page 266
5.6.3.2 Scheelite......Page 267
5.6.3.4 Barite......Page 268
5.6.3.7 CW Excitation......Page 269
5.6.4.1 Apatite......Page 270
5.6.4.3 Anhydrite......Page 271
5.6.5.1 Eu3+......Page 272
5.6.5.2 Eu2+......Page 275
5.6.5.3 Apatite......Page 276
5.6.5.4 Fluorite......Page 278
5.6.5.5 Zircon......Page 279
5.6.5.7 Scheelite......Page 282
5.6.5.8 Barite and Anhydrite......Page 283
5.6.5.10 Danburite and Datolite......Page 286
5.6.5.14 Titanite......Page 287
5.6.5.17 Sodalite and Tugtupite......Page 288
5.6.7 Tb3+......Page 289
5.6.7.1 Apatite......Page 290
5.6.8 Dy3+......Page 291
5.6.9 Er3+......Page 292
5.6.9.1 Apatite......Page 293
5.6.9.4 Titanite......Page 294
5.6.10 Ho3+......Page 295
5.6.11 Tm3+......Page 296
5.6.12 Yb3+, Yb2+......Page 297
5.7 Transition Metals Elements......Page 298
5.7.1 3d3 Elements......Page 299
Topaz......Page 302
Cr3+ in Strong Crystal Field......Page 303
Cr3+ in Intermediate Crystal Field......Page 312
Cr3+ in Weak Crystal Field......Page 314
Cr3+ in the Weak Crystal Field......Page 316
Emerald......Page 318
Garnet......Page 319
Alexandrite......Page 320
Cr3+: Strong Crystal Field......Page 322
Cr3+: Weak Crystal Field......Page 324
Boehmite, Diaspor......Page 325
Zircon......Page 327
Titanite......Page 328
Fluorite......Page 330
Cr3+-Pairs......Page 331
Orange Kyanite......Page 332
Sillimanite......Page 334
Grossular......Page 336
Topaz......Page 337
Eosphorite......Page 338
Corundum......Page 339
5.7.1.3 V2+......Page 340
Sillimanite......Page 341
Grossular......Page 342
Forsterite......Page 343
Zoisite......Page 344
5.7.2 3d2 Elements......Page 345
5.7.2.2 Mn5+......Page 348
Magmatic Apatite......Page 349
5.7.2.3 V3+......Page 350
5.7.3.1 Cr5+: Zircon......Page 351
5.7.3.3 Ti3+: Benitoite and Titanite......Page 353
5.7.3.4 V4+......Page 356
5.7.4 3d8 Elements: Ni2+......Page 357
5.7.6.1 Mn2+......Page 359
Apatite......Page 361
Grossular......Page 363
Spinel......Page 364
Zircon......Page 365
Other Minerals......Page 366
Mn2+-Clusters......Page 368
Sillimanite......Page 371
Other Minerals......Page 372
5.7.7 3d4 Elements: Mn3+......Page 373
5.7.7.2 Mn-kyanite......Page 374
5.8.1 Bi3+, Bi2+: Barite......Page 376
5.8.2.1 Calcite......Page 378
5.8.2.2 Hardystonite......Page 379
5.8.2.3 Hydrozincite......Page 380
5.8.2.5 Sodalite and Tugtupite......Page 381
Pyromorphite......Page 382
Margarosanite......Page 383
5.8.3 Pb+: Feldspars......Page 384
5.8.4 Tl+: Pezzattoite......Page 386
5.8.5.1 Cassiterite......Page 387
5.8.6 Sb3+......Page 388
5.8.6.1 Swedenborgite......Page 390
5.9.1 Ag+......Page 391
5.9.1.1 Barite......Page 392
5.9.1.2 Ag Minerals -Chlorargyrite, Bromargyrite and Embolite......Page 393
5.10 d0 Complex Ions......Page 394
5.10.1 WO4: Scheelite......Page 395
5.10.3 TiO6: Benitoite, Chrysoberyl, Bahdadite, Baratovite and Aegirin......Page 397
5.11.1 Uranyl (UO2)2+......Page 401
5.11.1.1 Apatite......Page 402
5.11.1.3 U4+......Page 404
5.11.2.1 S2-: Sodalite, Tugtupite, Hackmanite and Lasurite......Page 405
5.12 Radiation-Induced Centers......Page 409
5.12.1 Zircon......Page 410
5.12.2.1 Blue Emission......Page 412
5.12.2.2 Orange Emission......Page 415
5.12.3 Apatite......Page 418
5.12.5 Radiation-Induced Luminescence in Sand......Page 420
5.13.1 Apatite: Luminescence Spectroscopy......Page 421
5.13.2 Apatite: Photoacoustic Spectrophotometry......Page 424
5.14.1 N3......Page 426
5.14.2 H3, H4, S2, S1 and S3......Page 428
References......Page 429
Chapter 6: Complementary Laser Based Spectroscopies......Page 439
6.1.1 Plasma Creation......Page 440
6.1.2.1 Fraunhofer Type Absorption......Page 442
6.1.2.2 High Ionized Ions......Page 444
6.1.2.3 Atoms and Low Ionized Ions......Page 445
Halogens and Alkali-Earth Molecules......Page 447
Boron Bearing Molecules......Page 450
LIBS-Molecular Laser Induced Fluorescence (MLIF)......Page 451
Lanthanum and Yttrium Bearing Molecules......Page 453
6.1.2.5 Plasma Induced Luminescence (PIL)......Page 454
6.1.3 Quantitative Analysis by LIBS......Page 458
6.1.3.1 Laboratory Analysis......Page 459
Matrix Effects......Page 460
Self-Absorption......Page 461
Moisture......Page 463
Geometrical Parameters......Page 464
6.2 Raman Spectroscopy......Page 465
6.2.1 Introduction......Page 467
6.2.2 Raman and Luminescence......Page 470
6.2.2.1 Visible and UV Raman......Page 471
6.2.2.2 Gated Raman Spectroscopy......Page 473
Raman and Narrow Luminescence Lines......Page 474
6.2.2.4 UV Gated Raman Spectroscopy......Page 478
6.2.2.5 Resonance Raman in Minerals......Page 480
6.2.3 Raman for Minerals Remote Detection......Page 482
6.2.4.1 Rock Drill Core......Page 484
6.2.4.2 Diamonds ID......Page 485
References......Page 492
7.1 Laser Induced Luminescence......Page 495
7.2 Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: Agronomical Application......Page 499
7.3 Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: Curiosity Mission on Mars......Page 500
7.4.1 LIBS-Raman......Page 502
7.4.2 Raman-Laser Induced Timed Resolved Luminescence......Page 503
7.5 Anti-Terror Applications......Page 504
7.5.1.1 Luminescence, LIBS and Second Harmonic Generation (SHG)......Page 505
7.5.1.2 Raman......Page 506
7.5.2 Camouflage......Page 512
References......Page 514
Chapter 8: Minerals Radiometric Sorting and Online Process Control......Page 516
8.1 Luminescence Sorting......Page 519
8.2 LIBS Sorting......Page 520
8.2.1.1 Competing Techniques: XRF......Page 521
8.2.1.2 Competing Techniques: PGNAA......Page 522
8.2.2 Challenges in Laboratory to Mining......Page 525
8.2.2.1 Analytical Lines Selection......Page 526
8.2.2.2 Analytical Algorithm Development and Accuracy Evaluation......Page 527
8.3.1.1 Luminescence Sorting......Page 530
8.3.1.2 Raman Sorting......Page 532
Limestone Control......Page 533
Luminescence Sorting......Page 535
LIBS Sorting......Page 536
LIBS Control......Page 539
Second Harmonic Generation Control......Page 540
8.3.2.5 Fluorite......Page 542
LIBS and Raman Control......Page 543
LIBS of Sulfur......Page 544
8.3.2.7 Bauxite and Alumina: Al......Page 545
8.3.2.8 Magnesium Ores: Magnesite......Page 547
8.3.2.9 Manganese Ore......Page 549
8.3.2.10 Phosphates......Page 551
Luminescence Sorting......Page 552
LIBS Online Sorting......Page 553
Fluorine Online Analysis......Page 556
Remote Sensing......Page 557
8.3.2.11 Potash Quality Control......Page 562
8.3.3 Ferrous Metals: Si and Ca in Iron Sintering Mix......Page 563
8.3.4 Base Metals......Page 566
8.3.4.1 Copper Bearing Minerals......Page 567
8.3.4.2 Nickel Bearing Minerals......Page 568
8.3.4.4 Tin Bearing Minerals: Cassiterite......Page 569
8.3.5.1 Scheelite (W)......Page 571
8.3.5.2 Zircon and Baddeleyite (Zr)......Page 572
8.3.5.3 Eucryptite and Spodumen (Li)......Page 574
8.3.6.1 Gold Bearing Minerals......Page 575
8.3.6.2 Silver Bearing Minerals......Page 577
8.3.7 Rare Earth Elements (REE)......Page 579
8.3.8.1 Ash Content Evaluation......Page 580
8.3.8.2 Volatiles Content Evaluation......Page 581
8.3.8.3 Sulfur Content Evaluation......Page 585
8.3.9.1 LIBS Elemental Control......Page 587
8.3.9.2 LIBS-Raman for Online Mineral Analysis......Page 589
8.3.9.3 Chlorine Detection in Concrete......Page 590
References......Page 591
9.1 Gemology......Page 593
9.2 Micro-LIBS Multi-element Mapping of Mo-rich Glass-Ceramic......Page 597
9.3 Waste Storage Geomaterials......Page 601
9.3.2 Hollandite, Britholite and Monazite......Page 602
9.3.3 Powellite......Page 604
9.4 Luminescent Bio-minerals......Page 605
9.5 LED Applications......Page 608
References......Page 610
Conclusions......Page 612
Bibliography......Page 615
Index......Page 617