Горные породы и минералы окружают нас повсюду. Некоторые из них ценятся за свою красоту, а другие настолько обычны, что их легко не заметить. Они бывают самых разных цветов и оттенков. Некоторые из них улавливают свет, другие его преломляют, а третьи рассеивают.
Но почему рубины - красные, а сапфиры, имеющие почти такую же химическую формулу, - самых разных цветов? Почему кварц, один из самых распространённых минералов на Земле, обладает таким разнообразием цветов и полупрозрачности? И почему некоторые минералы создают свой собственный мир радуги? Ответы на эти вопросы кроятся в особенностях камней на молекулярном уровне и увлекательной физике.
Рубины, сапфиры и изумруды
Начнём с рубинов и сапфиров, которые являются разновидностью корунда. Этот минерал образуется, когда оксид алюминия становится плотно упакованным в гексагональную кристаллическую структуру.
Даже самый безупречно огранённый рубин, сапфир или изумруд приобретает свой великолепный цвет благодаря несовершенству.
В чистом виде корунд прозрачен, но иногда в кристаллической решётке вместо иона алюминия появляется ион хрома. Для изменения цвета требуется не так много хрома - возможно, всего 1 атом из 100, но в результате хром будет поглощать зелёные или фиолетовые фотоны света, падающего на камень. Однако красный свет продолжает пропускаться, создавая великолепный рубиновый оттенок.
Фото: diamonds-are-forever.ru
Как уже говорилось, сапфиры бывают разных цветов - розовые, красные, жёлтые, золотистые, фиолетовые, персиковые, цвета шампанского и, конечно же, драгоценные синие. Как и рубины, сапфиры образуются в результате замещения ионов алюминия в решётке корунда, только на этот раз они замещены ионами железа и титана (всего 1 из 10000 ионов).
Когда на сапфир падает свет определённой длины волны, он поглощается и вызывает переход электрона от иона железа к иону титана. В результате сапфир приобретает синий цвет. Для получения различных цветов в сапфире должны присутствовать другие микроэлементы, такие как свинец, кобальт, кремний, магний или хром.
Кстати, о хроме: когда он заменяет 1% ионов алюминия в бесцветном минерале берилле, происходит нечто совершенно иное: в результате поглощается красный и жёлтый свет, и получается насыщенный зелёный изумруд.
Воздействие ультрафиолетового излучения
Некоторые минералы при облучении ультрафиолетовым светом переливаются насыщенными оттенками горячего розового, яркого жёлтого или даже зелёного цвета, напоминающего инопланетный. Это явление происходит, когда ионы или некоторые примеси в минерале (так называемые активаторы) поглощают ультрафиолетовый фотон, в результате чего электрон переходит на более высокоэнергетическую атомную орбиталь.
Когда электрон возвращается в своё основное состояние, он не переходит туда напрямую, а совершает переход по нескольким различным энергетическим орбиталям. В результате одного из таких переходов атом может испустить фотон с большей длиной волны в видимом спектре. Когда это происходит, минерал «светится» благодаря процессу, называемому флуоресценцией.
Фото: finesell.online
Минералы флуоресцируют различными цветами, включая синий (например, флюорит и шеелит), жёлтый (эсперит), красный (смитсонит) и фиолетовый (апатит). Кроме того, существует аутунит - минерал, содержащий кристаллы, похожие на блоки. Он почти на 50% состоит из урана и флюоресцирует ярко-зелёным цветом.
Постоянная погоня за радугой
Некоторые камни, кажется, содержат целую радугу цветов. Например, опалы переливаются разными цветами в зависимости от того, под каким углом на них смотреть. Переливчатость этих камней обусловлена расположением крошечных сфер кремнезёма. Расстояние между этими сферами ничтожно мало - порядка длины волны видимого света. Поэтому они выполняют роль своеобразной дифракционной решётки, разделяя свет на составляющие его цвета.
Радужная оболочка жемчуга имеет сходную природу. Жемчужина образуется внутри устрицы, когда в раковину попадает маленький кусочек песка или другой инородный предмет. Постепенно он покрывается слоями перламутра - разновидносьюи карбоната кальция. Толщина слоёв перламутра близка к длине волны видимого света. Поэтому, если смотреть на жемчужину под разными углами, свет будет отражаться от различных слоёв внутри жемчужины.
Фото: silver-mania.ru
Эти длины волн света будут либо складываться (конструктивная интерференция), либо вычитаться (деструктивная интерференция). Интерференция зависит от длины волны света и её соотношения с расстоянием между слоями, поэтому цвет жемчужины будет слегка меняться в зависимости от того, как взаимодействуют различные цвета - конструктивно или деструктивно.
Тигровый глаз (трепет света)
Тигровый глаз хорошо известен своими интригующими полосами золотистого, янтарного и красновато-коричневого цвета. Но причина его особого блеска до недавнего времени ускользала от внимания учёных.
Фото: vsvoemdome.ru
Подобно опалам и жемчугу, тигровый глаз словно «ловит» свет. Первоначально учёные полагали, что этот камень возник в результате того, что формульные единицы асбеста медленно замещали формульные единицы кварца в процессе, называемом псевдоморфизмом (тот же процесс, который приводит к образованию окаменевшей древесины). Однако при ближайшем рассмотрении выяснилось, что в данном случае имеет место иной процесс.
Тигровый глаз начинает формироваться, когда вода просачивается в трещину в породе, содержащей кварц и крокидолит (известный также как голубой асбест). Кварц и крокидолит растворяются в воде, в результате чего кварц начинает медленно кристаллизоваться, а волокна крокидолита формируются вдоль трещины.
Затем порода снова растрескивается, и процесс повторяется, только теперь волокна крокидолита немного смещены. Это смещение создаёт пёструю полосчатость, которой славится тигровый глаз. При появлении трещин крокидолит также подвергается воздействию воздуха и вступает в реакцию с кислородом, образуя оксид железа, придающий камню характерный красновато-коричневый оттенок.
Разнообразие в мире кварца
Минералы не обязательно должны быть редкими драгоценными камнями, чтобы быть интересными. Можно сходить в любой поход и подобрать случайный камень. Скорее всего, он будет полностью или частично состоять из кварца. Это связано с тем, что кварц - второй по распространённости минерал на поверхности Земли (после полевых шпатов). Он составляет 12% земной коры. Кристаллы кварца входят в состав песка на большинстве пляжей.
Кварц образуется в недрах Земли из застывающей магмы, которая формирует кристаллы кремнезёма. В чистом виде кварц представляет собой бесцветный прозрачный кристалл. Однако на внешний вид и цвет кварца могут влиять многие факторы: например, если магма, из которой образуется кварц, богата другими минералами или если вода с растворёнными в ней минералами просачивается в формирующиеся кристаллы кварца и привносит в них новые элементы.
Фото: 2cad.ru
Розовый кварц может содержать небольшое количество железа, титана или марганца. Примеси облучённого железа в кварце могут создавать королевский пурпур аметиста, а при длительном воздействии тепла и давления эти же примеси создают огненно-оранжевый и жёлтый цвет цитрина.
Молочно-белый кварц содержит небольшие включения жидкости или газа, которые придают минералу непрозрачный блеск. Наконец, яшма часто представляет собой агрегат кристаллов кварца с железом, придающим ей красный цвет.
Таким образом минералы не просто отражают свет. Они играют с ним. Они взаимодействуют со светом как волны и как частицы. Электроны движутся, приобретают и теряют энергию. Примеси в этих породах - не просто дефекты. Именно они делают эти минералы по-настоящему уникальными.