Игра камней и минералов со светом - создание захватывающих дух цветов

Аннелиза Лейнбах / Big Think; Викисклад

Камни и минералы окружают нас повсюду. Некоторые из них ценятся за их красоту, в то время как другие настолько распространены, что их легко игнорировать. Они бывают самых разных цветов и оттенков. Кто-то ловит свет, кто-то искривляет свет, а кто-то даже ломает его.

Но почему рубины красные, а сапфиры, которые имеют почти одинаковую химическую формулу, бывают разных цветов? Почему кварц, один из самых распространенных минералов на Земле, имеет такое разнообразие цвета и непрозрачности? И почему некоторые минералы создают свой собственный мир радуги? Ответы на эти вопросы сочетают в себе то, как горные породы ведут себя на молекулярном уровне, с увлекательной физикой.

Рубины, сапфиры и изумруды (о, вот это да!)

Даже самый первозданный рубин, сапфир или изумруд приобретает свой блестящий цвет из-за того, что он несовершенен.

Начнем с рубинов и сапфиров, оба из которых представляют собой разновидность корунда. Этот минерал образуется, когда оксид алюминия плотно упаковывается в гексагональную кристаллическую структуру. В чистом виде корунд прозрачен; Однако иногда ион хрома может заменить ион алюминия в кристаллической решетке. Это не займет много времени — возможно, только 1 атом из 100 заменяется — но полученное несовершенство означает, что хром теперь будет поглощать зеленые или фиолетовые фотоны от света, попадающего на драгоценный камень. Красный свет, однако, продолжает передаваться, создавая этот блестящий рубиновый оттенок.

Неразрезанный рубин (Фото: Геру Пэрент / Wikimedia Commons)

Как уже упоминалось, сапфиры бывают самых разных цветов — розового, красного, желтого, золотого, фиолетового, персикового, шампанского и, конечно же, ценного синего. Как и рубины, сапфиры образуются в результате замены ионов алюминия в решетке корунда; Только на этот раз они заменяются ионами железа и титана (всего 1 из 10 000 ионов). Когда свет определенной длины волны падает на сапфир, он поглощается и заставляет электрон переходить от железа к иону титана. В результате получается синий сапфир. Для получения различных цветов в сапфире должны присутствовать другие микроэлементы, такие как свинец, кобальт, кремний, магний или хром.

Говоря о хроме, что-то совсем другое происходит, когда он заменяет 1% ионов алюминия в бесцветном минерале берилле: это заставляет красный и желтый свет поглощаться, создавая насыщенный зеленый изумруд.

Аутунит имеет лаймово-зеленый цвет. При помещении под ультрафиолетовый свет он флуоресцирует. ( Дадерот / Wikimedia Commons)

Облученное развлечение для всех возрастов

Некоторые минералы сверкают жуткими оттенками ярко-розового, ярко-желтого или даже инопланетного зеленого цвета при облучении ультрафиолетовым светом. Это явление возникает, когда ионы или определенные примеси в минерале (называемые активаторами) поглощают ультрафиолетовый фотон, в результате чего электрон продвигается на атомную орбиталь с более высокой энергией. Когда электрон возвращается в свое основное состояние, он не идет туда напрямую, а вместо этого переходит через несколько различных энергетических орбиталей. Один из этих переходов может привести к тому, что атом испускает фотон с большей длиной волны в видимом спектре. Когда это происходит, минерал «светится» в процессе, называемом флуоресценцией.

Минералы флуоресцируют в различных цветах, включая синий (например, флюорит и шеелит), желтый (эсперит), красный (смитсонит) и фиолетовый (апатит). Кроме того, есть аутунит, минерал, содержащий блочные кристаллы. Он почти на 50% состоит из урана и будет флуоресцировать ярко-зеленым цветом.

Всегда в погоне за радугой

Некоторые камни, кажется, содержат радугу цветов. Например, опалы будут переливаться самыми разнообразными цветами в зависимости от угла, под которым они рассматриваются. Переливчатость этих камней связана с расположением крошечных сфер кремнезема. Расстояние между этими сферами ничтожно мало — порядка длины волны видимого света. Из-за этого они действуют как своего рода дифракционная решетка, разделяя свет на составляющие его цвета.

Переливчатость жемчуга аналогична. Жемчужина образуется внутри устрицы, когда в раковину попадает небольшой кусочек песка или другой посторонний предмет. Медленно он покрывается слоями перламутра, разновидности карбоната кальция. Толщина перламутровых слоев близка к длине волны видимого света. Из-за этого, если вы посмотрите на жемчужину под разными углами, свет будет отражаться от разных слоев жемчуга.

Волшебная переливчатость опала. (Источник: Wikimedia Commons)

Эти длины волн света будут либо складываться вместе (конструктивная интерференция), либо вычитаться (деструктивная интерференция). Эта интерференция зависит от длины волны света и от того, как она соотносится с расстоянием между слоями; Следовательно, цвет жемчуга будет немного меняться в зависимости от того, взаимодействуют ли различные цвета конструктивно или разрушительно.

Глаз тигра

Тигровый глаз хорошо известен своими интригующими полосами золота, янтаря и красновато-коричневого цвета. Но причина его особого блеска ускользала от ученых до недавнего времени.

Подобно опалам и жемчугу, тигровый глаз, кажется, ловит свет. Первоначально ученые думали, что драгоценный камень был создан как формульные единицы асбеста, медленно заменяющие формульные единицы кварца в процессе, называемом псевдоморфизмом (тот же процесс, который генерирует окаменевшую древесину). Однако при ближайшем рассмотрении обнаружился другой процесс.

Тигровый глаз начинает формироваться, когда вода просачивается в трещину в скале, содержащую кварц и крокидолит (также известный как синий асбест). Кварц и крокидолит растворяются в воде, и по мере того, как они это делают, кварц медленно начинает кристаллизоваться, в то время как волокна крокидолита образуются вдоль трещины. Затем порода снова растрескивается, и процесс повторяется, за исключением того, что теперь волокна крокидолита слегка смещены. Это смещение создает пеструю полосу, которой известен тигровый глаз. Когда возникают эти трещины, крокидолит также подвергается воздействию воздуха и вступает в реакцию с кислородом с образованием оксида железа, придавая камню характерные красновато-коричневые оттенки.

Камень тигрового глаза (Фото: Photolitherland / Wikimedia Commons)

Теперь это кварц другого цвета

Минералы не обязательно должны быть редкими драгоценными камнями, чтобы быть интересными. Отправляйтесь в любой поход и подберите случайный камень. Скорее всего, это будет полностью или частично кварц. Это связано с тем, что кварц является вторым по распространенности минералом на поверхности Земли (после полевых шпатов). Он составляет 12% земной коры планеты. Кристаллы кварца даже составляют песок на большинстве пляжей.

Кварц развивается глубоко внутри Земли из затвердевающей магмы, которая образует кристаллы кремнезема. В чистом виде кварц представляет собой бесцветный прозрачный кристалл. Но на внешний вид и цвет кварца могут влиять многие факторы — например, когда магма, образующая кварц, богата другими минералами или когда вода с растворенными минералами просачивается в образующиеся кристаллы кварца и вводит новые элементы.

Розовый кварц может содержать небольшое количество железа, титана или марганца. Облученные примеси железа в кварце также могут создавать королевские пурпуры аметиста, и если аметист подвергается воздействию тепла и давления в течение длительного времени, те же самые примеси производят огненно-оранжевые и желтые оттенки цитрина. Молочный кварц содержит небольшие включения жидкости или газа, что придает минералу непрозрачный блеск. Наконец, яшма часто представляет собой совокупность кристаллов кварца с железом, что придает ему красный цвет.

Дымчатый кварц назван так из-за его дымчато-черных кристаллов. Кристаллы меняют цвет, когда естественное излучение активирует примеси алюминия в кварце. (Фото: Parent Géry / Wikimedia Commons)

Эти минералы не просто отражают свет. Они играют с ним. Они взаимодействуют со светом как волна, и они взаимодействуют со светом как частица. Электроны движутся, приобретают и теряют энергию. Примеси в этих породах - это не просто дефекты. Именно они делают эти минералы поистине уникальными.