Блог

Jun 22, 2023

Как камни и минералы играют со светом, создавая захватывающие дух цвета

Вокруг нас повсюду камни и минералы. Некоторые ценятся за свою красоту, а другие настолько распространены, что их легко игнорировать. Они бывают самых разных цветов и оттенков. Некоторые ловят свет, некоторые

Вокруг нас повсюду камни и минералы. Некоторые ценятся за свою красоту, а другие настолько распространены, что их легко игнорировать. Они бывают самых разных цветов и оттенков. Некоторые ловят свет, некоторые преломляют его, а некоторые даже ломают его.

Но почему рубины красные, а сапфиры, имеющие почти такую ​​же химическую формулу, бывают разных цветов? Почему кварц, один из самых распространенных минералов на Земле, имеет такое разнообразие цветов и непрозрачности? И почему некоторые минералы создают свой собственный мир радуги? Ответы на эти вопросы сочетают в себе поведение горных пород на молекулярном уровне с интересной физикой.

Даже рубин, сапфир или изумруд самой безупречной огранки приобретают свой блестящий цвет из-за своего несовершенства.

Начнем с рубинов и сапфиров, которые являются разновидностью 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 внутри кристаллической решетки. Это не займет много времени — возможно, заменяется только 1 атом из 100 — но возникшее в результате несовершенство означает, что хром теперь будет поглощать зеленые или фиолетовые фотоны света, падающего на драгоценный камень. Однако красный свет продолжает передаваться, создавая блестящий рубиновый оттенок.

Как уже упоминалось, сапфиры бывают самых разных цветов: розовые, красные, желтые, золотые, фиолетовые, персиковые, цвета шампанского и, конечно же, ценимый синий. Как и рубины, сапфиры образуются в результате замещения ионов алюминия внутри решетки корунда; только на этот раз они заменены ионами железа и титана (всего 1 из 10 000 ионов). Когда свет определенной длины волны падает на сапфир, он поглощается и вызывает переход электрона от иона железа к иону титана. В результате получается синий сапфир. Чтобы получить разные цвета, в сапфире должны присутствовать другие микроэлементы, такие как свинец, кобальт, кремний, магний или хром.

Говоря о хроме, происходит нечто совершенно иное, когда он заменяет 1 процент ионов алюминия в бесцветном минерале берилле: это приводит к поглощению красного и желтого света, создавая насыщенный зеленый изумруд.

Некоторые минералы светятся жуткими оттенками ярко-розового, ярко-желтого или даже инопланетного зеленого цвета под воздействием ультрафиолетового света. Это явление возникает, когда ионы или определенные примеси в минерале (называемые активаторами) поглощают ультрафиолетовый фотон, в результате чего электрон перемещается на атомную орбиталь с более высокой энергией. Когда электрон возвращается в свое основное состояние, он не попадает туда напрямую, а проходит через несколько различных энергетических орбиталей. Один из этих переходов может привести к излучению атомом фотона с большей длиной волны в видимом спектре. Когда это происходит, минерал «светится» в процессе, называемом флуоресценцией.

Минералы флуоресцируют разными цветами, включая синий (например, флюорит и шеелит), желтый (эсперит), красный (смитсонит) и фиолетовый (апатит). Еще есть аутунит, минерал, содержащий блочные кристаллы. Он почти на 50% состоит из урана и светится ярко-зеленым светом.

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

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