do poczytania

Pierwszą, rzucającą się w oczy własnością minerałów, a w szczególności kamieni szlachetnych i ozdobnych jest ich barwa. Skąd ona pochodzi? Arystoteles w IV wieku przed naszą erą głosił, że barwy powstają w wyniku mieszania się światła białego – słonecznego, ze światłem czarnym. Różne kolory są wynikiem mieszania się ich w odpowiednich proporcjach. Do XVII wieku wiedza ta wystarczała i nikt jej nie kwestionował. Pozazdrościć jedynie wypada Arystotelesowi autorytetu naukowego. Dziś właściwie dziwić może jedynie trafność spostrzeżeń tego wielkiego człowieka. Wystarczyłoby tylko prawidłowo zdefiniować, co to jest barwa czarna i jedna z przyczyn powstawania barw byłaby rozwiązana. Jedna, bo jak podaje Nikodem Sobczak w jednej ze swoich publikacji tych przyczyn jest ponad 100.

Chryzopraz Szklary foto Jerzy Baszuk

Niewidoczne pod mikroskopami przyczyny powstawania barw.

Wyobraźmy sobie sytuację najnormalniejszą w świecie. Promienie świetlne padają na minerał lub jego szlachetną odmianę (oczywiście minerał musi być pozbawiony powierzchniowych zanieczyszczeń, skutków erozji i utleniania). Padające światło słoneczne, jak wiadomo, składa się ze wszystkich kolorów tęczy, czyli różnych długości fal świetlnych. Część tych fal zostaje pochłonięta przez minerał, a pozostałe fale wracają do naszych oczu i widzimy barwę, czyli odbite pozostałe fale świetlne. Co powoduje, że część promieni świetlnych zostaje zatrzymane w kamieniu? Jednym z powodów powstania barw są metale tzw. przejściowe, czyli chrom, kobalt, nikiel, wanad, mangan, żelazo, kobalt, tytan, miedź, a także czasem metale ziem rzadkich w mineralogii zwane chromoforami. Powodują one, że część padającego białego światła zostaje w minerale zaabsorbowana Jeżeli jest to barwa czerwona, to do naszych oczu trafia barwa dopełniająca, czyli zielona.

Kwarc czerwony Maroko foto Krzysztof Pietras

Gdy chromofory są jednym ze składników minerału, to mówimy wtedy, że jest to jego barwa własna czyli idiochromatyczna. Jak to rozpoznać? Metale te są uwidocznione we wzorze chemicznym. I tak w malachicie Cu₂CO₃(OH)₂ jest to miedź (Cu), w rodonicie CaMn₄[SiO₅O₁₅] i w rodochrozycie MnCO₃–mangan (Mn), w oliwinie (Mg, Fe)₂[SiO₄] – żelazo(Fe), w almandynie (Fe₃Al₂)[SiO₄] – też żelazo (Fe). Minerały te występują tylko w barwie własnej w różnych odcieniach w zależności od zanieczyszczeń występujących w ich składzie.

Kwarc mleczny Madan Bułgaria foto Krzysztof Pietras

Zdarza się, że obce pierwiastki (nie tylko metale przejściowe) nie są składnikiem związku chemicznego, z którego składa się minerał, ale ich atomy występują w węzłach sieci krystalicznych lub miedzy węzłami sieci w ilościach śladowych (najczęściej do 1% masy minerału). W węzłach krystalicznych zastępują one atomy podstawowe minerału. Taki mechanizm powstawania barw nazywa się alochromatycznym. Gdy atom chromu (Cr) zamieni się z glinem (Al.) w niektórych węzłach bezbarwnego korundu (Al₂O₃) spowoduje powstanie czerwonej odmiany korundu czyli rubinu, ten sam chrom (Cr) zastępując w niektórych węzłach bezbarwnego berylu Al₂Be₃[Si₆O₁₈] atom glinu (Al) zmienia go w zielony szmaragd. Barwy zależą od wartościowości chromoforów, bo np. Fe²⁺ barwi beryl na niebiesko, Fe³⁺ na złotożółto, a mieszanka tych jonów na zielono. Oczywiście podobny skutek jak zamiana jonów dałoby „rozepchnięcie się” nowych atomów między atomami rodzimymi w siatce krystalicznej. Przedstawiony mechanizm jest bardzo uproszczony, ale przedstawia meritum zjawiska.

Kwarc zielony Grecja foto. Adam Juśkiewicz

Po odkryciu promieni rentgenowskich, okazało się, że wpływ na barwę minerału ma różnego rodzaju promieniowanie. Nie będę opisywać skomplikowanych procesów powodujących te zmiany, ale jedno jest pewne, że promieniowanie ma wpływ na barwę np. kwarcu dymnego i morionu, a także szafiru (niebieski szafir uzyskuje czarną barwę) i heliodoru, czyli jedną z odmian berylu, który uzyskuje złocistą barwę.

Labradoryt Madsagaskar foto Krzysztof Pietras

Jedną z przyczyn powstawania barw w minerałach niewidoczną pod nawet największym powiększeniem mikroskopów, jest przemieszczania się ładunków elektrycznych w chromoforach będących w kryształach minerałów. Przykładem tego jest jednoczesna zmiana ładunków jonów żelaza i tytanu, Fe²⁺ na Fe³⁺ i Ti⁴⁺ na Ti³⁺ . Taki mechanizm zachodzi w wysokich temperaturach. To ma miejsce, gdy kryształ minerału został już ukształtowany, a wysoka temperatura wynika ze zmian związanych z wulkanizmem Ziemi. Zjawisko to, jest powodem między innymi powstawania niebieskiej barwy w szafirach.

Labradoryt z kolekcji Jerzego Buszuka Fot. Jerzy Baszuk

Ostatnią z prezentowanych przyczyn powstawania barw w minerałach, które nie można obserwować pod żadnym mikroskopem są defekty sieci krystalicznej. Jest to jednocześnie najbardziej skomplikowana przyczyna, nie tylko dla laików, ale także dla mineralogów. Powstające regularnie w całym minerale pustki w sieci krystalicznej (z różnych powodów), a także przesunięcia płaszczyzn tej sieci są powodem powstawania barw. Przykładem minerału, w którym zachodzą takie zjawiska jest np. różnobarwny fluoryt.

Widoczne pod mikroskopami przyczyny powstawania barw.

Czasem wewnątrz krystalizującego minerału pojawiają się zanieczyszczenia innymi minerałami. Często i one ulegają krystalizacji. Nazywamy je wrostkami. Występują one w postaci płatków, łusek, igiełek lub bąbli, gdy wrostki są gazami lub cieczami. Przechodzące przez taki kryształ promienie świetlne odbijają się od nich zmieniając barwę minerału. Wrostki hematytu w kwarcu powodują jego czerwoną barwę, chlorytu i fuchsytu - zieloną, a bąbelki powietrza - mleczną.

Szczególnym przypadkiem zmiany barw w minerale z powodu wrostków jest zjawisko tygrysiego oka (złocisto-brunatnego), a w jego odmianach barwnych , sokolego (niebiesko-granatowego), kociego (zielono-niebieskiego) i bawolego oka (czerwono-brunatnego). W drobnokrystalicznym kwarcu (chalcedonie) są równolegle ułożone igiełki amfiboli, azbestu, krokidolitu lub tremolitu, które stanowiły zarodki krystalizacyjne kwarcu. Powodują one że padające na kamień światło częściowo odbija się, a częściowo ulega interferencji powodując powstawanie ciemnych i jasnych smug na powierzchni kamienia. Obracanie nim powoduje efekt, jakby kamień mrugał, stąd nazwa. Podobne zjawisko zachodzi w niektórych chryzoberylach zwanych cymofanami.

Opal australijski fot. Piotr Tomaszewski

Opal biały Wello, foto Piotr Tomaszewski

Niektóre minerały zbudowane są z bardzo cienkich płytek, często pochodzących ze zbliźniaczenia kryształów, ułożonych równolegle do siebie. Gdy światło pada na takie minerały zachodzą praktycznie wszystkie zjawiska optyczne. Światło częściowo przechodzi przez nie, częściowo się odbija, a częściowo, z powodu szczelin między płytkami ulega interferencji czyli powstawania jasnych i ciemnych miejsc na powierzchni kamienia. Są one wielobarwne, żółte, czerwone, niebieskie i zielone z dominacją jednej barwy, jak to ma miejsce w przypadku labradoru (labradoryzacja). Patrząc na taki kamień ma się wrażenie , że jest on przezroczysty. Zmieniając kąt padania promieni świetlnych widzimy ten sam minerał jako nieciekawy, brudnoszary lub czarny kamień. W przypadku adularu na jego powierzchni obserwujemy biało-niebieską lub biało-zieloną poświatę (adularyzacja).

Opal fot. Piotr Tomaszewski

Przedstawiłem w sposób uproszczony kilka powodów powstawania barw w minerałach. Ale gdzież im do tych wymienionych w naukowych opracowaniach. Niestety nie jest możliwe w takim miejscu opisać je wszystkie. Jeden jeszcze tylko przypadek, moim zdaniem , powinien być omówiony. To przyczyna powstawania barw w opalach. Jej wyjaśnienie było możliwe dzięki zastosowaniu mikroskopu elektronowego. Opal nie jest minerałem, jest substancją bezpostaciową (SiO₂ ^. n H₂O), dlatego wyjaśnienie barw w nim powstającym było wyjątkowo trudne.

Opal Turcja foto Adam Juśkiewicz

Okazało się, że opal szlachetny ukazuje w obrazie mikroskopowym regularnie uporządkowane jednorodne, kulki krzemionkowe o wymiarach od 0,15 do 0,3 mikrometrów. Kuleczki te są uporządkowane w sposób bardzo staranny, tak, że stykają się ze sobą punktowo. Między nimi są wolne przestrzenie. Promień świetlny przechodząc przez tak zbudowaną materię ugina się wiele razy, ulega rozszczepieniu i część widma świetlnego zgodnie z zasadą interferencji ulega wzmocnieniu inne zaś są pochłaniane. Zmieniając kąt padania promieni świetlnych powodujemy, że inna część widma ulega wzmocnieniu. Stąd widzimy w przezroczystym opalu różnobarwne płaszczyzny, skupienia i błyski. Gdy przestrzenie między kulkami zostaną wypełnione jakąś substancją np. hematytem, mamy do czynienia z opalem czarnym. Tak należy tłumaczyć zgodnie z dzisiejszą wiedzą, zjawisko opalizacji. Ale takie odmiany opali o jednorodnych krzemionkowych kulkach zdarzają się niezmiernie rzadko , znacznie częściej mamy do czynienia z opalami mlecznym. Kulki w nich są niejednorodne i ich wymiary mogą być większe od 0,3 lub mniejsze od 0,15 mikrometra. Budowa ich nie może zatem, być regularna, a co za tym idzie i barwne zjawiska optyczne wzajemnie się równoważą i pozostaje tylko charakterystyczna błyszcząca poświata przeważnie perłowo-niebieska lub przy barwnych opalach perłowo-biała nazwana opalescencją.

Jak widać problem powstawania barw jest bardzo skomplikowany, zwłaszcza dlatego, że w wielu minerałach barwa powstaje na skutek wielu przyczyn wymienionych w tym artykule.

Szafir cejloński. fot.Dominik Zawadzki

Szafir z Łaki Izerskiej fot. Piotr Rachwał

Ryszard Juśkiewicz