| hlavní stránka | obsah | učebnice | mapa webu | o autorech | rejstřík |
4.4.1 Příčiny vzniku barvy minerálů
4.4.1.1 Vznik barvy při odrazu světla
4.4.1.2 Vznik barvy při rozptylu světla
4.4.1.3
Přechody v krystalovém poli
4.4.1.4
Přechody v molekulových orbitalech
4.4.1.6 Další příčiny zbarvení minerálů
4.4.1.7 Exaktní měření barvy minerálů
Barva minerálu je jedním z prvních určovacích znaků, které vidíme. Její vnímání může být za určitých okolností problematické, takže exaktní reprodukovatelné posouzení barvy pouhým okem pozorovatele je velice obtížné. Průměrný člověk je schopen rozlišit kolem jednoho milionu barev, které vznikají aditivní nebo subtraktivní kombinací. Jako chromatické se označují všechny barvy ve spektru, nechromatické barvy v něm chybí, např. hnědá.
Barva jako taková je výsledek skládání elektromagnetického vlnění v oblasti mezi 380 a 700 nm. Při kontaktu bílého světla (viditelná oblast) s povrchem průhledného nebo průsvitného minerálu může docházet k řadě jevů (obrázek 44-1). Dopadající světlo může být částečně odraženo a částečně vstupuje do minerálu. Světlo procházející dále minerálem může být rozptýleno nebo absorbováno, absorbované světlo může být vyzářeno ve formě fluorescenčního záření. Světlo, které prochází minerálem, označujeme jako procházející nebo prošlé světlo. Ve většině případů je dominující složkou světlo odražené. K rozptylu světla v minerálu dochází na rozptylových centrech. Množství absorbovaného světla je závislé na intenzitě dopadajícího světla a absorpčním koeficientu daného minerálu.
Výsledná barva minerálů je zpravidla kombinací jevů popsaných v následujících kapitolách, které se u jednotlivých minerálů uplatňují různou měrou.
Světlo, které dopadá na povrch minerál, je odraženo různou měrou v závislosti na úhlu dopadajícího světla, míře polarizace a indexu lomu minerálu. Pro hodnocení změn intenzity odraženého světla se používá veličena odrazivost.
Při dopadu monochromatického světla na povrch minerálu se část světla odrazí přímo na povrchu a část se odráží na strukturních rovinách těsně pod povrchem. Tyto paprsky musí část své dráhy projít minerálem s indexem světelného lomu n a tím dojde ke změně jejich rychlosti a následnému zpoždění vůči paprskům odrážejících se přímo na povrchu minerálu. Odražené a vzájemně zpožděné paprsky spolu interferují a tato interference může mít za následek zeslabení nebo zesílení odrazivosti (záleží na hodnotě fázového posunu paprsků). Míra zeslabení nebo zesílení je rovněž závislá na úhlu dopadu původního světla.
Ve skutečnosti dopadá na povrch minerálu bílé světlo, které obsahuje nejrůznější vlnové délky. Pro světla různých vlnových délek (tj. různých barev) vznikají v minerálu s určitým indexem světelného lomu různá zpoždění. Výsledkem je, že intenzity některých vlnových délek jsou zesíleny a jiné zeslabeny. Výsledná barva odraženého světla, kterou bude vnímat i pozorovatel, je určena vzájemnou interferencí všech těchto zúčastněných složek (obrázek 44-2). Podobně jako pro intenzitu i pro barvu platí, že je závislá na úhlu dopadu primárního svazku na povrch minerálu.
K rozptylu světla dochází, když látkou, která obsahuje rozptylová centra, prochází světelný paprsek a jeho části jsou rozptylovány do různých směrů a tím klesá jeho intenzita. Typickým příkladem může být rozptyl světla částicemi prachu a kouře v atmosféře.
Snížení intenzity primárního svazku je možné vyjádřit exaktně pomocí lineárního rozptylového koeficientu (aS): I = I0 exp (-aS l), kde I0 je intenzita původního svazku a l je dráha, kterou paprsek urazí v rozptylujícím prostředí. Je zřejmé, že velikost rozptylového koeficientu (a tím i míra rozptylu) závisí především na počtu rozptylových center, na poměru velikosti rozptylujících částic a vlnové délky světla (obrázek 44-3), poměru indexů světelného lomu rozptylující částice a okolního prostředí a konečně i tvaru rozptylujících částic.
Vznik barev při rozptylu světla je opět spjat s interferencí rozptýlených paprsků. Významnou roli zde hraje i polarizace světla, kdy světelný paprsek rozptýlený kolmo ke směru dopadu původního svazku je polarizován až z 85%. U minerálů nemají barvy vzniklé v souvislosti s rozptylem světla příliš velký význam.
Na úrovni atomů a iontů dochází k neustálé výměně energie. Tato energie může být definována jako E = hn, tedy součin Plancovy konstanty a frekvence fotonu, který ji přenáší. Atom nebo iont, který absorbuje určitou energii se posunuje ze svého základního energetického stavu na vyšší úroveň a naopak atom nebo iont, který emituje energii se dostává na nižší energetickou úroveň (obrázek 44-4). V případě energií, které odpovídají vlnovým délkám viditelného světla, probíhá tato interakce mezi fotonem a elektrony atomu nebo iontu. K interakci mezi světelným fotonem a elektronem může dojít za určitých podmínek. Nejdůležitější podmínkou je, aby foton měl takovou energii, která posune elektron v rámci jeho definovaných (kvantovaných) energetických hladin.
Přechody elektronů v rámci dovolených energetických hladin v atomovém obalu nemohou obecně způsobit vyzáření fotonu ve viditelné oblasti. Výjimku tvoří prvky, které mají částečně zaplněné 3d orbitaly (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni a Cu), nebo při jejich excitaci elektrony do d-orbitalů vstupují (obrázek 44-5). Elektronová konfigurace d-prvků prvků je 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10-n 4s1-2. Je-li takový atom nebo iont izolován, je energie na d-orbitalech stejná. V okamžiku, kdy je atom nebo iont vázán ve struktuře, energie některých d-orbitalů vzroste, díky odpudivým silám k elektronům okolních atomů a iontů. Energie elektronů v sousedním vázaném iontu je odlišná a vznikne „rozpolcení“ krystalového pole. Elektrony s vyšší energií přecházejí na nižší hladiny a emitují fotony v oblasti viditelného světla. Vliv na výslednou barvu má oxidační stupeň daného prvku (určuje počet valenčních elektronů v 3d orbitalu) a také jeho geometrie ve struktuře (typ koordinace).
Jako příklad můžeme uvést rubín, který je varietou korundu s malým obsahem Cr+3. Absorbovaná energie z dopadajícího světla způsobí excitaci iontů z hladiny E0 na hladiny E2 a E3. Tento přechod absorbuje převážně zelené a fialové barvy a výsledné emitovaná barvy pak mají převážně červený odstín (obrázek 44-6). Příkladem závislosti výsledné barvy na koordinaci iontu a celkové geometrii jsou malachit a azurit. V obou minerálech je „barevným“ prvkem měď, která je ale v různých strukturních pozicích, proto je výsledná barva malachitu zelená a azuritu modrá.
Také lantanoidy s částečně zaplněnými f-orbitaly vykazují obdobné vlastnosti díky přechodům elektronů v rámci f orbitalů. Orbitaly f nejsou ale ve vnějších sférách elektronových obalů a proto nejsou významně ovlivněny okolní strukturou. Např. Ce+2 s konfigurací 4f1 způsobuje žlutou barvu, Eu+3 s konfigurací 4f6 vykazuje růžovou barvu.
Při vzniku chemických vazeb mezi atomy dochází k překrytí atomových orbitalů a vzniku molekulových orbitalů. Elektrony v molekulových orbitalech mohou přecházet mezi energetickými hladinami při jejich redistribuci, ke které dochází např. při změně valence atomu. Podmínkou je stejná geometrie pro oba zúčastněné atomy, což je případ, kdy se ve struktuře minerálu zastupuje Fe+2 a Fe+3. Výsledný energetický stav po elektronové redistribuci musí být odlišný od původního – potom může dojít k emisi fotonu ve viditelné oblasti. Změna náboje nemusí probíhat pouze mezi dvěma ionty stejného prvku. Podobný princip funguje při výměně např. Fe+2 + Ti+4 = Fe+3 + Ti+3 a dokonce může jít o výměnu mezi kationtem a aniontem. Příkladem aplikace tohoto principu může být modrá barva akvamarínu a cordieritu (změna valence Fe) nebo safíru a kyanitu (změna Fe+2 na Ti+4).
Barva minerálů může být způsobena strukturními defekty. Přebytečný elektron se může ve struktuře dostat do meziatomových poloh jako intersticiální „nečistota“, která vytváří tzv. barevné centrum. Stejný efekt vyvolá i vakantní pozice po chybějícím elektronu. Příkladem barevného minerálu, kde lze barvu vysvětlit tímto principem, je fluorit. V jeho struktuře chybí v regulérní pozici aniont fluoru, který je nahrazen intersticiálním elektronem (obrázek 44-7). Ten zde funguje jako barevné centrum. Elektron není vázán na atomové jádro, ale elektrickým polem okolních iontů. Pohyb elektronů po takových pozicích způsobuje barevnost a optickou fluorescenci.
Kouřová barva křemene (záhnědy) je způsobena vakantními barevnými centry. Dojde-li k částečné substituci Al+3 za Si+4 musí být tento proces kompenzován vstupem Na+ nebo H+ iontů. Při ozáření gama spektrem (stačí malé množství během miliónů let) je vypuzen jeden elektron z elektronového páru mezi kyslíkem a hliníkem a v orbitalu zbude nepárový elektron, který tvoří barevné centrum (obrázek 44-8).
Původní barva minerálu způsobená kombinací výše uvedených jevů je často překryta barvou pigmentu. Pigment tvoří v minerálu heterogenní inkluze zpravidla mikroskopických rozměrů, nejčastěji jsou to velmi jemné částice hematitu nebo chloritu. V závislosti na množství pigmentu jsou minerály zbarveny hematitem zpravidla do žlutých, okrových, červených, nebo hnědých odstínů. Chlorit způsobuje zbarvení převážně zelených odstínů.
Kvantitativní měření absorbovaných vlnových délek lze provádět pomocí spektrometru. Získané absorpční spektrum je složeno z maxim, které odpovídají určitým vlnovým délkám světla. Vznik těchto maxim vyplývá z interakce světla dané vlnové délky s atomy a molekulami ve struktuře minerálu. Měření se provádí v široké oblasti vlnových délek a viditelné spektrum je jen jeho malou částí (obrázek 44-9).
Jako barva vrypu se posuzuje barva jemného prášku minerálu, který za sebou zanechá otíráním (rýpáním) na neglazurované porcelánové destičce (obrázek 44-10). Barva vrypu může být důležitou pomůckou při určování minerálu. Barva minerálu a barva jeho vrypu se nemusí shodovat. Např. barva vrypu hematitu je vždy červenohnědá, ačkoliv je hematit makroskopicky často černý.
Lesk je vlastnost povrchu minerálu, která vyjadřuje jeho chování v odraženém světle. Rozhodujícím kritériem je převažující typ vazby v minerálu. V minerálech s převahou kovové vazby je rozdíl v energii mezi základním a excitovaným stavem elektronu malý, vzhledem k energii v iontových nebo kovalentních sloučeninách. Dopadající světlo je zpravidla zcela pohlceno (opakní minerály), ale jeho podstatná část je reemitována ve viditelné oblasti. Výsledkem je lesk povrchu minerál, který označujeme jako kovový (obrázek 44-11). U minerálů průhledných nebo průsvitných převažují vazby iontové nebo kovalentní, část světla minerálem prochází a pouze určitá část je pohlcena a ještě menší část reemitována ve viditelné oblasti. Obecně se lesk ploch takových minerálů označuje jako nekovový. Množství reemitovaného světla může být u různých minerálů rozdílné a tak se nekovový lesk dělí ještě dále na:
diamantový – silný lesk minerálů zpravidla s indexem světelného lomu větším než 1,9
skelný – odpovídá lesku skla, je typický pro většinu minerálů (obrázek 44-12)
mastný – připomíná lesk mastného papíru (obrázek 44-13)
perleťový – zpravidla se objevuje na plochách dokonalé štěpnosti
hedvábný – je typický pro vláknité agregáty
Stanovení kvality lesku minerálu je subjektivní záležitost, zpravidla se používají výše uvedené termíny. Pro některé minerály, které leží na hranici kovového a nekovového lesku se požívá termín polokovový lesk.