А. Оптические свойства минералов

Оптические свойства относятся к числу наиболее важных диагностических признаков. На них основана методика определения минералов под микроскопом и макроскопически. Световой луч, падая на поверхность минерала, частично отражается от неё, частично преломляется или поглощается минералом. С этими свойствами в минералах связаны явления светопреломления, светоотражения, светопоглащения, цвета минералов и люминесценция.

1. Светопреломление – способность минерала изменять ход световых лучей, обусловленная различными скоростями распространения света в воздухе и в минерале. Проявляется в прозрачных и полупрозрачных минералах.

В разных направлениях минерала скорость распространения может быть разной или наоборот одинаковой. В первом случае такие минералы называются оптически анизотропными, к ним относятся минералы средней и низшей категории сингоний. Во втором случае – оптически изотропными, к ним относятся минералы кубической сингонии или аморфные минералы.

Величина отклонения светового луча в минерале является величиной безразмерной, постоянной и определяется показателем преломления (n), который рассчитывается по формуле:

n = sin α / sin β (угол падения / угол отражения).

Явление светопреломления минералов используется в микроскопах при диагностике минералов в шлифах или шлиховых минералов, в лазерах (рубин, флюорит, кальцит, исландский шпат).

2. Светоотражение – способность минерала отражать часть световых лучей (блеск).

Следует различать блеск, принадлежащий зеркально гладким поверхностям индивидов, и блеск, принадлежащий агрегатам.

В первом случае блеск определяется на гранях или плоскостях спайности минерала. Выделяют следующие основные виды блесков:

1) стеклянный(кварц),

2) алмазный(циркон, сфалерит),

3) полуметаллический (киноварь, ильменит),

4) металлический(пирит, халькопирит),

В агрегатах и на неровных поверхностях минералов различают следующие разновидности блесков (отливы) :

1) шелковистый отлив – обусловлен параллельно-волокнистыми агрегатами минерала (хризотил-асбест, селенит),

2) перламутровый отлив – характерен для минералов со слоистым строением агрегатов и весьма совершенной спайностью (мусковит, арагонит),

3) матовый блеск – наблюдается у мелкозернистых агрегатов с грубой неровной поверхностью (пиролюзит, кальцит в известняке),

4) восковой блеск – наблюдается у тонкодисперсных агрегатов минералов (глинистые минералы),

5) жирный блеск – отмечается на сколах светлоокрашенных минералов со стеклянным блеском (кварц, нефелин),

6) смолистый блеск – отмечается на сколах тёмноокрашенных минералов (гидрогётит, ильменит).

Для количественной характеристики силы отражательной способности минерала используется безразмерная величина – коэффициент отражения (R), рассчитывается по формуле:

R = Y_o/Y_p*100 (%),

где R – коэффициент отражения, Y_o – отраженный световой поток, Y_p – общий световой поток.

Самый высокий коэффициент отражения у самородных металлов:

R_Ag = 98 %, R_Au = 86 %.

Между двумя оптическими параметрами – показателем преломления (n) и коэффициентом отражения (R) существует следующая зависимость:

n = 1,3-1,9; R = 2-10 % – стеклянный блеск;

n = 1,9-2,5; R = 10-19 % – алмазный блеск;

n = 2,5-3,0; R = 19-25 % – полуметаллический;

n > 3; R > 25 % – металлический.

3. Светопоглощение – способность минерала пропускать или задерживать световой луч. Зависит от химического состава, строения кристаллической решетки минерала и механических примесей в нём.

По величине показателя поглощения света все минералы делятся на:

1) прозрачные (горный хрусталь, алмаз),

2) полупрозрачные(флюорит, сфалерит),

3) непрозрачные (пирит, марказит, ильменит).

В природе часто наблюдаются постепенные переходы от прозрачных разностей к непрозрачным. Они вызываются изменением химического состава.

Как правило, среди прозрачных минералов не наблюдается полуметаллического блеска, а среди непрозрачных – алмазного.

4. Цвет минерала – способность минерала поглощать свет определенной длины волны, в результате чего прошедший через минерал световой поток, лишившийся ряда волн, окрашивает минерал в тот или иной цвет. Он является важнейшим диагностическим свойством и нередко определяет практическую ценность ряда минералов. Например: ювелирные камни – изумруд, сапфир, александрит.

Минералы глубинного происхождения, возникающие при высоких температурах, характеризуются тёмным цветом (чёрный – ильменит, тёмно-зелёный – роговая обманка, буро-зелёный – энстатит, зелёный – оливин и т.д.), тогда как минералы, образующиеся вблизи поверхности земли и на ней, при низких температурах, обычно светлые, прозрачные (кварц – белый, прозрачный, кальцит – молочно-белый и т.д.). Это объясняется тем, что в конце минералообразующих процессов накапливаются ионы, лишённые сильной поляризации и поэтому дающие бесцветные соединения.

Причина окраски минералов:

1) природа образующих минерал атомов и ионов;

2) их координация;

3) поляризационные свойства химических элементов;

4) тип структуры.

В.И.Севергин в 1824 г. выделил три типа окраски минералов: 1) собственная, 2) зависящая от примесей, 3) случайная, которые А.Е.Ферсман в 1936 г. назвал соответственно идиохроматической, аллохроматической и псевдохроматической окрасками.

Идиохроматическая (идиос – свой собственный, хромос – цвет, греч.) окраска, обусловленная вхождением в минерал элементов-хромофоров(красителей), которыми могут быть основные ионы металлов, или группа ионов, а также изоморфные примеси (Ti, V, Cr, Fe²⁺, Fe³⁺, Co, Ni, Cu и в меньшей степени Nb, U, Th). Например: Cr³⁺ - изумрудно-зеленая окраска уваровита, Fe²⁺ - зелёная окраска оливина, Fe³⁺ - бурая, красная окраска гидрогётита и гематита.

Аллохроматическая (аллос – чужой, посторонний, греч.) окраска, не свойственная самому минералу, зависит от вхождения в него механических примесей. Она изменчива и непостоянна. Например: авантюрин – буровато-красный кварц с проблесками золотистого цвета из-за включений железной слюдки (разность гематита) или серицита, празем – зеленоватый кварц с включениями иголочек актинолита или хлорита.

Псевдохроматическая(псевдо – ложный, греч.) окраска, не свойственная самому минералу, зависящая от:

а) дефектов кристаллической решетки или присутствия в минерале разноориентированных кристаллов плагиоколазов различной основности. Такое явление называется ирризация – яркий световой отлив на плоскостях спайности или гранях и наблюдается у лабрадора, олигоклаза (лунного камня);

б) образования пленки выветривания на поверхности минерала, которая придаёт минералу пёструю игру цветов. Такое явление называется побежалостью. Наблюдается у халькопирита, ильменита, вольфрамита.

5. Цвет черты – цвет минерала в порошке. Представляет собой след, оставленный минералом на фарфоровой пластинке. По сравнения с окраской минерала цвет черты является более постоянным свойством и используется для диагностики непрозрачных (рудных) и полупрозрачных минералов. Минералы с твердостью больше 7 не дают черты (твердость фарфоровой пластинки – 7). Цвет черты является характерным признаком для оксидов и сульфидов.

6. Люминесценция –оптическое излучение минерала, вызванное воздействием на минерал определённых внешних факторов (облучение, нагревание, трение, разламывание и пр.). В результате влияния этих факторов минерал приобретает новое возбужденное состояние, результатом которого является свечение минерала в видимом спектре.

По современным представлениям сущность люминесценции заключается в том, что приведённые в возбуждённое состояние электроны атомов, находясь в нестабильном состоянии, стараются перейти на более низкие электронные орбиты, т.е. вернуться в первоначальное состояние и при этом излучают часть поглощённой энергии в виде светового пучка.

Переход из возбуждённого в первоначальное состояние, сопровождаемое свечением, может осуществляться в момент воздействия внешнего возбудителя (флюоресценция – флюорит, алмаз, циркон) или в течение некоторого времени после произведённого возбуждения (фосфоресценция– фосфор).

Люминесценция, вызываемая нагреванием, получила название термолюминесценция, а облучение различными лучами – рентгенолюминесцения, катодолюминесценция, фотолюминесценция (при облучении ультрафиолетовыми лучами). Излучение, обусловленное трением и разламыванием, называют триболюминесценция(трибо – трение, греч.). Последнее явление сильно выражено у светлых разностей сфалерита.

Люминесценция зависит от присутствия в минерале элементов-люминофоров – Mn, Cr, Cd, S, Cu, Th, U. Химические элементы, препятствующие проявлению люминесценции, называются гасителями люминесценции. К ним относятся Mn⁺², Fe⁺², Fe⁺³.