Физические свойства изоморфных смесей
Говоря о физических свойствах минералов, мы имеем в виду химически чистые соединения, состав которых отвечает их формуле. Однако на химическом составе минералов сказываются явления изоморфизма. Свойства минералов закономерно изменяются при вхождении в их состав изоморфных примесей: чем больше примесей, тем сильнее отклоняются физические свойства от идеальных (эталонных). Явления изоморфизма приводят к тому, что физические свойства могут так сильно изменяться у крайних членов изоморфных рядов, что минералы становятся непохожими сами на себя. Например, сульфид цинка (сфалерит) прозрачен и бесцветен, имеет алмазный блеск, но при частичном замещении цинка железом (изоморфизм несовершенный и ограниченный) становится сначала коричневым, затем черным, блеск его меняется до полуметаллического, становится совершенно непрозрачным. Другой пример – полный ряд минералов от колумбита (Fe,Mn)Nb2O6 до танталита (Fe,Mn)Ta2O6. Из-за разницы в атомных массах (у ниобия 92,9, у тантала 180,9) плотность минералов меняется от 5,2 до 8,2 соответственно, также изменяется твердость и другие свойства. Таких примеров можно привести много. Внешне, часто можно наблюдать изменение цвета минералов, который становится более интенсивным из-за большего вхождения примесей-хромофоров.
Оптические свойства
Важную роль для минералогии играют многие оптические явления: отражение и преломление света, блеск, прозрачность, цвет, цвет черты (тонкого порошка) и люминесценция.
Отражение и преломление света
Когда луч света, проходящий в воздушной среде. Падает наклонно к поверхности не полностью непрозрачного твердого тела, часть света отражается в обратном направлении, а другая часть проникает внутрь этого тела. Угол отражения равен углу падения луча. Падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости. Проходя через вещество луч света отклоняется от продолжения падающего луча. Показатель преломления определяют как отношение синуса угла падения к синусу угла преломления. Также показатель преломления можно представить как отношение скоростей распространения света в воздухе и в данном твердом теле.
Скорость света в воздухе составляет 300 000 км/с; если скорость света в некотором веществе равна 200 00 км/с, то показатель преломления для этого вещества будет 300 000 / 200 000 или 1,5. Показатели преломления большей части твердых тел лежат в пределах от 1,4 до 2,0.
Показатель преломления вещества, так же как и плотность, зависит от его химического состава и кристаллической структуры.
Поляризация и двойное лучепреломление
В прозрачных кристаллах кубической сингонии и некристаллических телах свет распространяется так же, как в воздухе или стекле. Частично он отражается, а частично преломляется. При распространении света в воздухе электромагнитные колебания совершаются во всех направлениях перпендикулярно лучу с одинаковой амплитудой. Такие вещества называют оптически изотропными.
Во всех других веществах скорость света зависит от направления его колебаний. Такие вещества называют оптически анизотропными.
При прохождении света через кристаллы с анизотропным строением, свет становится поляризованным, т.е. электромагнитные колебания в нем направлены в одну сторону. Единый луч света, проходя через анизотропный кристалл, распадается на два луча с разными показателями преломления – это явление двойного лучепреломления. Нагляднее всего это можно наблюдать в кальците.
Разность показателей преломления называется величиной двупреломления. Она обычно очень мала (например, для кварца она составляет 0,009) и ее невозможно обнаружить без соответствующих приборов. В отдельных минералах, однако, эта разность достаточно высока (0,172 в кальците), и поэтому, если глядеть на одну точку сквозь пластинку такого минерала, эта точка будет казаться раздвоенной.
Двупреломление зависит от направления, в котором проходит свет через кристаллическую решетку. В изотропных (кубических) кристаллах двупреломление и поляризация отсутствует. В каждом кристалле гексагональной, тригональной и тетрагональной сингоний есть одно направление – его ось симметрии – оптическая ось. Если свет идет вдоль этой оси, то он не распадается на два луча. Если свет входит в кристалл перпендикулярно оптической оси, происходит наиболее сильное двупреломление. Закономерности прохождения света через кристаллы низших сингоний более сложные.
Блеск
Блеск – оптическое свойство, тесно связанное с явлениями отражения и преломления света, можно определить как внешний вид минерала в отраженном свете. Блеск зависит от многих факторов.
1. Во-первых, от величины показателя преломления (n) и величины его отражательной способности (R[1]). Отражательная способность измеряется в процентах от интенсивности падающего света. Например, для серебра она составляет 94–96 %, для золота – 82–86 %, пирита – 53–54 %, сфалерита 17–19 %. Отражательная способность зависит от химического состава, от типа связи и структуры вещества, от характера отражающей поверхности. Чем выше отражательная способность, тем сильнее блеск минерала на его зеркальных поверхностях. Очевидно, что гладкая поверхность спайности будет отражать больше света, чем неровная поверхность излома, даже если это поверхности одного и того же минерала. Также различные кристаллографические направления, особенно в анизотропных минералах, будут различаться по количеству поглощенного света, и, следовательно, по-разному отражать падающий луч. Поэтому даже различные грани одного и того же минерала могут иметь различный блеск.
Как правило, минерал с большим показателем преломлением имеет более сильный блеск. В зависимости от соотношения n и R блеск может быть металлическим, полуметаллическим, стеклянным и алмазным.
Металлический блеск характерен для минералов, сильно поглощающих видимый свет, непрозрачных или почти непрозрачных даже в тонких сколах. Показатель преломления этих минералов – 3 и более. В данную группу входят самородные металлы и большая часть сульфидов.
Полуметаллический блеск имеют минералы с показателем преломления от 2,6 до 3. Они большей частью непрозрачные или почти непрозрачные. Примером может служить киноварь (n = 2,85), гематит (n = 2,9).
Алмазный блеск – яркий блеск, типичный для алмаза. Он характерен для минералов с показателем преломления от 1,9 до 2,6. В качестве примеров можно привести циркон (n = 1,92–1,96), касситерит (n = 1,99–2,09), самородную серу (n = 2,4), сфалерит (n = 2,4), алмаз (n = 2,45) и рутил (n = 2,6). Сочетание показателей преломления, лежащих в этом интервале, с желтым или коричневым цветом дает смолистый блеск.
Стеклянный блеск характерен для минералов с показателем преломления от 1,3 до 1,9. В этот интервал попадает около 70 % общего количества минералов, в том числе и почти все силикаты, большая часть солей кислородных кислот (карбонатов, фосфатов, сульфатов и др.).
2. Во-вторых, блеск зависит от характера отражающих поверхностей, т. е. от рельефа граней, от шероховатости на сколах кристаллов, от неровностей зернистых, параллельно-волокнистых, пластинчатых минеральных агрегатов.
Алмаз часто обладает несколько жирноватым блеском, что обусловлено микроскопическими неровностями его поверхности, рассеивающими отраженный свет. Спайные поверхности галита имеют стеклянный блеск, пока они свежие, а со временем под действием воздуха приобретают восковой блеск, вызванный небольшими неровностями поверхности.
Жирный блеск типичен для нефелина, является результатом начавшегося изменения этого минерала.
Для тонкокристаллических (скрытокристаллических) и аморфных минералов, таких, как халцедон и опал характерен восковой блеск.
Минералы, для которых характерны параллельно-волокнистые агрегаты, например, асбест и некоторые разновидности гипса, обладают шелковистым блеском.
Для прозрачных минералов со слоистыми структурами и совершенной пластинчатой спайностью характерен перламутровый блеск, вызванный отражением света от нескольких чередующихся поверхностей спайности. Примером могут служить тальк, слюды и крупнокристаллический гипс.
Пористые агрегаты некоторых минералов, подобных глинам, рассеивают падающий свет таким образом, словно они вовсе не обладают блеском; их называют тусклыми или землистыми.
Блеск одних и тех же минералов на гранях кристаллов, в их изломах и агрегатах обычно разный. На это надо обращать внимание и использовать при визуальной диагностике минералов. Например, у гипса на гранях блеск стеклянный, но если в кристалле есть трещины спайности, их блеск перламутровый. В зернистых агрегатах блеск гипса стеклянный или матовый, в волокнистых агрегатах – шелковистый. У серы на гранях блеск алмазный, в изломе – жирный.
Преломление и поглощение света, а следовательно и отражательная способность минералов (блеск) в основном зависят от преобладающего типа химической связи. Преобладающая металлическая связь даст металлический или полуметаллический блеск минерала. Ковалентная связь обеспечит алмазный блеск. Ионная связь обеспечит стеклянный блеск. Блеск также в некоторой степени зависит от цвета минерала. Те из них, которые обладают темным цветом черты и (или) непрозрачны, имеют металлический или полуметаллический блеск. Большая часть минералов с белой или светлоокрашенной чертой и (или) прозрачных отличается неметаллическим блеском. Однако в минералах важнейших классов блеск, по-видимому, не зависит от цвета.
Блеск минералов может придавать им особую ценность, и некоторые минералы с сильным блеском используются в качестве драгоценных камней. Блеск в такой же степени определяет качество и красоту некоторых драгоценных камней, как и их прозрачность и цвет. В самом деле, от блеска зависит игра драгоценного камня; при прочих равных условиях, чем выше его блеск (и показатель преломления), тем сильнее игра и ощущение красоты драгоценного камня.