• Главная
• Контакты
• Нашёл ошибку
• Прислать материал
• Добавить в избранное

Поверил я алгеброй гармонию…

(А. С. Пушкин)

Каждый охотник желает знать, где сидит фазан — красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый — эти слова как простенькая мелодия всего из семи нот. Но как величаво звучит она в исполнении стихий — неба, моря, небесных светил; им вторят цветы и птицы, бабочки, жуки, ящерицы, змеи и звери! С каким истинным блеском исполняют ее кристаллы! Но вот чудо — каждое семейство минералов «проигрывает» все те же семь классических цветовых нот на свой лад.

Темпераментно, с жаром и звездным мерцаньем — рубины и все многоцветные сапфиры.

Нежно, лирично, в легких теплых оттенках — бериллы: розовый морганит, оранжевые и желтые гелиодоры, светло-зеленые бериллы Украины, изумруды, голубые и синие аквамарины, сиреневые бериллы Мадагаскара.

Чисты, холодны, хрустально ясны окраски полихромных кварцев.

Гранаты рассыпают разноцветную дробь; их особенность — богатство оттенками и густота тона: огненно-красные пиропы, лилово-красные альмандины, оранжево-розовые спессартины, коричнево-оранжевые и медово-желтые гессониты, желто-зеленые гроссуляры, травяно-зеленые уваровиты и оливковые демантоиды.

Вся симфония минеральных окрасок усложняется, делается сочнее и богаче еще и оттого, что в каждой из минеральных групп есть и свой особый акцент в этой радуге: в группе корунда — красный и глубоко-синий, в группе берилла — изумрудный и аквамариновый, среди гранатов — огненный. А тут еще густые, глубокие «ноты» минералов, приверженных одному энергичному цвету: малахитово-зеленому, бирюзовому, лазуритово-синему!

А если попытаться «поверить алгеброй гармонию»? Задуматься, чем же обязаны мы этому фантастическому разнообразию? Почему «белый» солнечный луч, падая на минералы, окрашивает их так разно? Поисками ответа на этот вопрос занимались и занимаются ученые всего мира — минералоги, химики, физики. Ведь ключ к отгадке можно найти только совместными усилиями. И для того, чтобы хоть слегка коснуться сути этих явлений, нам придется совершить посильный экскурс в область физики и кристаллохимии.

В океане электромагнитных колебаний видимый нами свет — лишь узкая полоска, лишь волны от 3800 (фиолетовый) до 7600 (красный свет) ангстрем. Более короткие ультрафиолетовые волны (3800 — 100 ангстрем) глаз человека не видит, некоторые из этих волн (3600 — 510 ангстрем) различают фасеточные глаза насекомых, еще более короткие — рентгеновские и ?-лучи «чувствует» лишь эмульсия фотопленки. А волны длиннее красных? Инфракрасные (7600 — 10 000 000 ангстрем) мы ощущаем как тепло; немного подлиннее — миллиметровые и сантиметровые волны микроволнового диапазона, на которых работают локаторы и мазеры; более длинноволновые электромагнитные колебания — радиоволны (10⁷ — 10¹³ ангстрем, или 0,1 — 10⁶ см); еще более длинные используются в электротехнике. Из них самую большую, бесконечную длину волны имеет постоянный ток.

 Зеленый турмалин — верделит

Любое нагретое тело излучает все волны, хотя и в разной степени. Максимум излучения Солнца лежит как раз в середине видимого диапазона. Поэтому и человеческий глаз в процессе эволюции приобрел максимальную чувствительность к этим длинам волн, к желто-зеленым лучам.

Потоки лучистой энергии Солнца падают на все большие и малые предметы Земли, падают и на наши минералы. Как же реагируют минералы на свет? Это зависит от их строения и состава. Поэтому придется сказать несколько слов о строении минералов. Нейтральные атомы некоторых элементов, таких, как кислород, сера, фтор и др., входя в состав минерала, вырывают наиболее подвижные «валентные» электроны у своих соседей — атомов металлов — и превращаются в отрицательные ионы (анионы), а покладистые соседи, упустившие эти электроны, становятся положительно заряженными ионами (катионами). Электрические силы притяжения между этими разно заряженными частицами и удерживают в равновесии ионные постройки — кристаллические решетки минералов. Бесконечно разнообразны пространственные комбинации ионов или их группировок (тетраэдров, октаэдров и др.): то это великолепные, идеально прочные каркасы (например, кварц), то объемы их моделируются цепочками (асбест) или колоннами ионов (берилл), то строятся целыми «панелями» — слоями (слюды).

Окраска минералов во многом зависит от архитектуры их кристаллической решетки. Наиболее совершенные сооружения свет пронизывает, ничего не меняя в них. Таковы бесцветные и прозрачные кубики поваренной соли, ромбоэдры оптического кальцита или всем известные кристаллы горного хрусталя. Но законы природы всегда сопровождаются бесчисленными оговорками, исключениями, уточнениями — они-то и создают невоспроизводимую прелесть, бесконечную «игру» природы!

Достаточно нарушить это совершенство — вот тут-то и начинается цвет! Вот, скажем, если сами ионы, из которых строится решетка минерала, не совсем правильны, не совсем симметричны. Из классической химии известно, что большинство элементов таблицы Менделеева по мере увеличения атомного веса наращивают внешние электронные уровни. Есть, однако, элементы — так называемые переходные, нарушающие это правило: в них формируются, «достраиваются» не внешние, а более глубокие электронные оболочки.

Сами по себе электроны внутренних уровней не могут перескочить на внешние, как не взлетит с земли камень; но свет — энергия, и, поглотив часть энергии падающего света, они перескакивают, или, как говорят, «возбуждаются». А из кристалла выходит уже не полный спектр лучей, а лишь его оставшаяся непоглощенной часть: она-то и окрашивает минерал. Этим элементам, способным избирательно поглощать энергию падающего света, мы и обязаны главным образом красочностью минерального мира. Они так и называются «хромофоры» — несущие цвет. К ним относятся титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель да еще медь, редкоземельные элементы и уран. Каждый из элементов-хромофоров поглощает свет по-разному: нагляднее всего «свой», индивидуальный характер поглощения света можно передать с помощью спектра поглощения, кривой, которая получится, если по горизонтальной оси отложить длину волн разного цвета, а по вертикальной интенсивность, с которой поглощает их минерал. На такой кривой сразу видно, какие лучи поглощаются сильнее всего и, значит, не входят в окраску, а для каких минерал прозрачен. Вот, к примеру, малахит: красные лучи поглощаются им максимально, т. е. гасятся, а зеленые проходят почти полностью. Минералы, в которых элементы-хромофоры играют ведущую роль, имеют обычно яркие интенсивные и постоянные цвета: оранжевый крокоит и зеленый гранат-уваровит окрашены ионами хрома в разных валентных состояниях, бирюза — медью. Но элемент-хромофор не всегда бывает хозяином в минерале: нередко он забирается «в гости», вытесняя хозяев из узлов кристаллической решетки или заполняя в этой решетке «дырки» — вакантные места. И бесцветный кристалл становится ярким самоцветом.

Например, примесь в 1,5 % окислов железа сообщает бериллу окраску аквамарина или гелиодора, 0,3 — 0,4 % окиси хрома превращают этот минерал в драгоценный изумруд, а всего только тысячные доли процента марганца — в розовый воробьевит.

Розовый турмалин — рубеллит, лучистый сросток

Но есть и совсем удивительный минерал — александрит, его тоже окрашивают ионы хрома, да так хитро, что при солнечном свете он ярко-зеленый, а при электрическом — красный. Можно разобраться и в этой загадке: окраска александрита создается и красными и зелеными лучами, он прозрачен для тех и других, но в дневном спектре сине-зеленые «энергичные» лучи преобладают (помните, чувствительность глаза максимальна к зеленым лучам) и как бы забивают красные, а в спектре электрической лампы сине-зеленых лучей очень мало, преобладают более длинные волны — тут-то и берут реванш красные!

Солнечный свет словно просеивается сквозь сита кристаллических решеток минералов, и каждое из них согласно своему симметричному рисунку и своим индивидуальным размерам и несовершенствам «выбирает» и поглощает свою часть солнечного спектра, пропуская такую узкоспецифическую часть спектра, что мы тотчас отличаем густую насыщенную зелень изумруда от солнечной, светящейся «золотой» зелени хризолита или пронзительной едкой зелени диоптаза.

Но у этого трио (свет — минерал — глаз) есть и другая игра — блеск! Ведь не весь свет солнца попадает внутрь минерала — часть его сразу же отбрасывается поверхностью кристалла, и мы получаем ее неизменной. Это и есть блеск. Блесков много! Они тоже сильно разнятся. «Блеск минерала не зависит от его цвета», — гласят учебники минералогии. Это непреложная истина, но давайте отвлечемся от нее. Давайте вообще отрешимся от цвета. Есть столько прекрасных минералов, изливающих свое совершенство, минуя цвет, одним чистым блеском. Алмазы и горный хрусталь. Соль и лед. Оптический исландский шпат и гипс. Своеобразный матово-белый халцедон кахалонг отличается восковым блеском. И наконец, эталон отсутствия блеска — матовый школьный мел, прочные поры-ловушки которого гасят всякий блеск.

В немой и мрачноватой толще темно-серых песчаников и сланцев Крыма, красиво именуемой таврикой, сверкают мелкие, идеально прозрачные шестигранные пирамидки горного хрусталя. В безотрадной таврике они кажутся просто бриллиантами. Впрочем, в Карпатах подобные кристаллики так и называются «мармарошские диаманты». Но достаточно положить подобный «диамант» рядом с истинным бриллиантом, чтобы увидеть, что они «и близко не лежали», — настолько меркнет стеклянный блеск горного хрусталя рядом с алмазным, играющим всеми цветами спектра.

А вот свежий осколок прозрачной поваренной соли можно было бы спутать с кварцем, но оставьте его часа на два на воздухе и его поверхность, впитав влагу воздуха, словно подернется маслянистой пленкой, блеск из стеклянного превратится в жирный.

Прозрачные ромбоэдры исландского шпата и пластинчатые кристаллы гипса на плоскостях спайности часто отливают перламутром. Перламутровый блеск порождает интерференция света, отражающегося не только от поверхности кристалла, но и от внутренних спайных плоскостей, подобно тому как перламутровый отлив возникает в стопке тонких стеклышек. Случается, что гипс заполняет трещины в породе в виде параллельно-волокнистой массы с шелковистым блеском, подобным блеску мотка шелковых нитей. Исследования минералогов показали: будет ли у минерала стеклянный, алмазный, металлический и полуметаллический блеск, зависит от соотношения отраженного и поглощенного света, а это соотношение прежде всего непосредственно связано с показателем преломления. Здесь наблюдается почти прямая зависимость: по мере увеличения показателя преломления все больше света отражается от поверхности минерала и стеклянный блеск сменяется сперва алмазным, а затем полуметаллическим и металлическим. Точнее, зависимость коэффициента отражения от показателя преломления минерала может быть выражены формулой:

(п — 1)²/(п + 2),

где п — показатель преломления. Коэффициент отражения для кварца 4 %, для алмаза — 17 %.

Природный блеск минерала можно усилить, направить и «заострить». Насколько ярче сверкают ограненные камни, замечал каждый. В чем же секрет огранки? Ограненный драгоценный камень словно маленькая ловушка для солнечного луча. Луч, отражаясь от одной грани, падает на следующую, от нее на соседнюю и так далее, обегая и освечивая изнутри весь объем камня. Но вот вы неожиданно поворачиваете камень, и угол падения этого «запертого» в граненой ловушке луча резко меняется: свет уже не скользит вдоль грани, не откидывается на соседнюю плоскость, он упал почти под прямым углом и способен выскочить резким узким пучком — граненый кристалл сверкнул. Чем дольше лучик будет метаться внутри и отражаться, не выбегая из ловушки, тем сильнее сможет «сфокусировать и заострить» формы огранка, тем ярче, резче будет сверкание самоцвета. Огранка кристаллов — необычайно сложное, тонкое и точное ремесло. Чтобы ловить и резко отбрасывать свет узким пучком, кристалл должен быть огранен в строгом соответствии с его природными кристаллооптическими характеристиками, законами преломления и отражения, да еще с учетом особенностей нашего зрения.

Особенно важен выбор правильных углов огранки, когда речь идет не только о ярком сверкании (как это, например, бывает у лейкосапфира), но и о разноцветной бриллиантовой игре, характерной для алмаза, циркона, меньше у топаза. Для этих минералов характерна, как вы помните, дисперсия оптических осей, т. е. кристалл разлагает белый луч, как призма, на радугу цветных лучиков, каждый из которых выходит из граненого самоцвета под своим углом. Теперь понятно, почему из бриллианта «сыплется» дождь цветных лучей: внезапный их «выход» из граненой ловушки, когда необходимый угол становится возможным, то для малинового, то для голубого или оранжевого луча — это уже зависит от вашего нечаянного движения. Даже не верится сразу, что подоплекой нечаянной подвижной игры радужных искр является самый точный, выверенный до третьего знака математический расчет углов огранки.