6 мин. чтения
7/30/2023 7:28:22 AM

Игра камней и минералов со светом - создание захватывающих дух цветов

Featured Image 1 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.

Featured Image 2 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.

Featured Image 3 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.

Featured Image 4 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.

Featured Image 5 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.

Featured Image 6 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.

Получи бесплатную еженедельную рассылку со ссылками на репозитории и лонгриды самых интересных историй о стартапах 🚀, AI технологиях 👩‍💻 и программировании 💻!
Присоединяйся к тысячам читателей для получения одного еженедельного письма

Подписывайся на нас:

Нашли ошибку в тексте? Напишите нам.

Добавляй ЛРНЧ в свою ленту Google Новостей.
Читайте далее 📖

Дополненная реальность: немецкий тематический парк приносит гигантские американские горки в вашу гостиную

2/25/2024 · 6 мин. чтения

Дополненная реальность: немецкий тематический парк приносит гигантские американские горки в вашу гостиную

Инженеры распечатали электромагниты на 3D принтере

2/24/2024 · 6 мин. чтения

Инженеры распечатали электромагниты на 3D принтере