От чего зависит цвет камней

Окраска драгоценных и цветных камней является ценным и характерным их свойством. Драгоценные камни, окрашенные или бесцветные, обычно прозрачны, и через них можно видеть окружающие предметы, как через стекло, тогда как поделочные камни не пропускают свет даже в тонких пластинках. Драгоценные и цветные камни весьма богаты разнообразием цветов, тонов и оттенков и их различным сочетанием. От чего зависит цвет и разнообразие окраски камней? В чем их первопричина?

Чтобы разобраться в этом вопросе, вспомним предварительно кое-что из истории науки. Вопрос о первопричине света, возможно, не скоро бы возник, если бы не наблюдалось одно весьма интересное явление природы, а именно возникновение радуги на небе. Ученые долго не могли понять причины появления радуги, пока знаменитый английский ученый Исаак Ньютон не объяснил этого явления. Однажды он впустил в темную комнату тонкий пучок солнечного света через маленькую дырочку, проделанную в ставне окна, и на пути этого пучка поставил 3-гранную стеклянную призму. При этом Ньютон наблюдал на противоположной от окна стене очень красивую цветную полосу, отливавшую всеми цветами радуги, с постепенным переходом от красного к фиолетовому цвету. Эту полоску Ньютон назвал греческим словом "спектр"^*.

^* (На греческом языке слово "спектро" означает "смотрю".)

Таким образом, оказалось, что белый солнечный свет является составным. Затем Ньютон захотел узнать, не является ли и каждый цветной луч солнечного спектра также составным. С этой целью он пропустил каждый из цветных лучей через вторую 3-гранную призму и убедился, что они не меняют своей окраски, и поэтому назвал их монохроматическими^*, т. е. одноцветными.

^* (По-гречески "монос" - один, а "хромое" - цвет.)

Следовательно, такое всем известное явление природы, как появление радуги на небе после дождя и при последующем проблеске солнца, объясняется расщеплением солнечного света на составляющие его спектр монохроматические лучи в мельчайших капельках воды, оставшихся в воздухе. Аналогичное явление наблюдается и при прохождении или отражении света в алмазе, который способен разлагать обычные солнечные лучи на все составляющие его спектр цвета. Поэтому игра света в алмазе и напоминает радугу. Следовательно, солнечный свет является первопричиной всевозможных окрасок - такова природа белого солнечного света. Почему же происходит расщепление света в 3-гранной призме с образованием спектра? При дальнейшем изучении природы света выяснилось, что свет представляет собой необычное единство волновых свойств и частичек (квантов). Один из выдающихся советских физиков - академик С. И. Вавилов писал, что "свет одновременно обладает свойствами волн и частиц, но в целом это не волны и не частицы, и не смесь того и другого. Наши привычные понятия не в состоянии полностью охватить реальность, у нас для этого не хватает сейчас ни слов, ни образов". Действительность всегда намного богаче, чем наше представление о ней. Однако, обладая уже имеющимися в настоящее время знаниями, можно вполне правильно разобраться в основных явлениях окружающей нас действительности. Для объяснения причины возникновений света вполне достаточно ограничиться представлением об электромагнитной природе световых колебаний. Длина волн электромагнитных колебаний, полный его спектр имеет весьма обширный диапазон с длиной волн от 0,0000001 миллимикрона до 100 км Видимый участок спектра, воспринимаемый нашими глазами, лежит в весьма узком пределе между 380 миллимикронами для границы фиолетового цвета и 760 миллимикронами для границы красного цвета. В пределах этих видимых границ лежат все цвета и их оттенки: синий, фиолетовый, голубой, зеленый, желто-зеленый, желтый, оранжевый и красный. Причем каждый цвет характеризуется своей определенной длиной волны. Отсюда становится понятным описанное выше явление расщепления белого солнечного света в 3-гранной стеклянной призме, так как отклонение луча в призме от первоначального направления зависит от длины волны. Чем меньше длина волны светового луча, тем больше угол отклонения.

На основании всего рассказанного выше можно будет ответить и на первоначально поставленный вопрос: от чего зависит окраска драгоценных и цветных камней? Почему, например, рубин красный, а изумруд зеленый? Да и вообще почему все окружающие нас тела и предметы кажутся окрашенными? Солнечный свет, падающий на поверхность какого-либо предмета, в зависимости от состояния этой поверхности может в той или иной степени отразиться от нее или поглотиться ею. Зеркальная поверхность почти полностью отражает все падающие на нее лучи. Все вещества белого цвета, например снег, бумага и т. д., частично поглощают свет, но та часть света, которая отражается от их поверхностей, содержит в процентном отношении то же количество монохроматических лучей, которое содержится в солнечном свете. Все тела черного цвета поглощают основное количество падающих на них лучей, и поэтому они кажутся темными.

Большинство окружающих нас веществ и предметов имеет разнообразную окраску. Это объясняется тем, что составляющие солнечный свет цветные монохроматические лучи неравномерно поглощаются ими, вследствие чего свет, отраженный от их поверхности, имеет другой процентный состав цветных лучей, чем исходный свет. Поэтому в такого рода отраженных лучах будут преобладать те цветные лучи, которые меньше всего поглощаются поверхностью наблюдаемых предметов, и эти предметы будут иметь соответствующую окраску. Рубин, например, имеет ярко-красную окраску. Это значит, что лучи красного участка спектра поглощаются рубином меньше всего, тогда как изумруд почти не поглощает зеленый цвет. Сапфир же поглощает все цвета, кроме синего. В случае если абсорбция, т. е. поглощение света, происходит равномерно во всех участках видимого спектра, окраска минералов приобретает гамму серых тонов (от белого до черного).

Таким образом, окраска камней зависит от того, как про исходит поглощение ими света. Способность тех или иных окрашенных материалов абсорбировать, или поглощать, некоторые участки солнечного спектра зависит от многих причин. Окраска некоторых материалов обусловлена их внутренним строением - структурой, как, например, окраска малахита, бирюзы и лазурита. Окраска этих минералов является их собственной. Собственной в том смысле, что избирательное поглощение монохроматических лучей обусловлено тем, что само вещество этих минералов обладает подобными свойствами или в их состав входит какой-либо химический элемент, обладающий избирательной способностью к цветным лучам.

К таким элементам-"красителям", или, как принято их называть, хромофорам, относятся: хром, марганец, титан, ванадий, железо, кобальт, никель, а также медь, уран и другие элементы.

Некоторые минералы по своей химической природе бесцветны, но они часто бывают окрашенными вследствие присутствия в них в качестве механических примесей посторонних веществ - носителей хромофоров, рассеянных в данном минерале. Так, например, бесцветный корунд, состоящий из чистой окиси алюминия, окрашивается хромом в темно-красный цвет рубина, а железо и титан окрашивают его в синий цвет сапфира.

Другие минералы окрашиваются в результате интерференции^* света от внутренних поверхностей трещин, включений или спайности^**. Подобное явление создает впечатление ложной окраски, например, у лабрадора при некоторых поворотах этого камня появляется красивая с синим переливом окраска, напоминающая окраску оперения павлина.

^* (Интерференция света представляет собой явление взаимодействия (при определенных условиях) двух или более пучков света, при котором налагающиеся друг на друга пучки лучей могут как усиливаться, так и ослабляться.)

^** (Спайность - способность кристаллов раскалываться в определенных направлениях по плоскостям, параллельным действительным или возможным граням кристалла. Примером минерала с весьма совершенной спайностью является слюда. Причина спайности заключается в том, что в минерале имеются особые направления с ослабленным сцеплением между частицами вещества. Следовательно, спайность находится в связи с структурными особенностями минерала.)