Proprietà ottiche

Riflessione. Quando un raggio di luce viene riflesso, l'angolo d'incidenza è uguale all'angolo di rifrazione e il raggio riflesso giace nel piano di incidenza.

 

riflessione

 

Rifrazione. Un raggio di luce incidente sulla superficie di un mezzo rifrangente prosegue il suo cammino avvicinandosi alla normale alla superficie, mantenendosi sullo stesso piano. Il rapporto tra il seno trigonometrico dell'angolo di incidenza (i) e il seno trigonometrico dell'angolo di rifrazione (r) è costante e costituisce l'indice di rifrazione (n). L'indice di rifrazione è indipendente dall'angolo d'incidenza.

formula rifrazione

rifrazione

 

Assorbimento. La capacità di riflettere la luce è accompagnata da assorbimento. I minerali che al variare della direzione di assorbimento danno riflessi diversi si dicono pleocroici. I corpi in rapporto con l'energia luminosa si comportano da monorifrangenti o da birifrangenti. Nei primi la luce si propaga con la stessa velocità in tutte le direzioni, negli altri il raggio di luce si scinde in due che si propagano con velocità diversa.

 

prismaPolarizzazione della luce. La luce ordinaria è costituita da vibrazioni elettromagnetiche in tutte le direzioni perpendicolari alla direzione di propagazione. I raggi che attraversano i cristalli birifrangenti, invece, vibrano in una sola direzione perpendicolare alla direzione di propagazione, con piano di vibrazione perpendicolare al piano di polarizzazione. I due raggi rifratti, ordinario e straordinario, sono polarizzati in due piani perpendicolari tra loro. Se un raggio di luce polarizzata attraversa un mezzo trasparente il suo piano di vibrazione può subire una rotazione a destra o a sinistra.
Un romboedro di calcite detto spato d'Islanda tagliato lungo la diagonale minore e incollato con una resina speciale costituisce il prisma di Nicol. In esso il raggio ordinario viene riflesso mentre quello straordinario lo attraversa liberamente, perciò abbiamo la luce polarizzata in un solo piano.

 

Birifrangenza. Quando un raggio luminoso attraversa un cristallo del dimetrico o del trimetrico, si scinde in due raggi di luce polarizzata, tra loro perpendicolari, che si propagano con velocità diverse. Se si disegna un punto su un foglio di carta e lo si osserva attraverso un romboedro di calcite, si nota una doppia immagine. Facendo ruotare il cristallo attorno a se stesso, uno dei punti rimane fermo mentre l'altro ruota, descrivendo una circonferenza. Il punto fermo è dato dal raggio ordinario che ha un indice di rifrazione uguale in tutte le direzioni e obbedisce alle ordinarie leggi della rifrazione. Il punto in movimento è dato dal raggio straordinario, che ha un indice di rifrazione diverso nelle varie direzioni e apparentemente non segue le leggi della rifrazione. Nel gruppo trimetrico tutti raggi si comportano come straordinari.

spato

 

Un'immagine sotto il minerale ulexite viene trasmessa in superficie con effetto analogo a quello delle fibre ottiche.

ulexite

 

Assi ottici: direzioni in cui non si verifica il fenomeno della birifrangenza. I minerali del dimetrico sono uniassici mentre quelli del trimetrico sono biassici.

 

Indicatrici ottiche: sono superfici vettoriali che visualizzano le proprietà ottiche dei cristalli.

Nel monometrico le sostanze posseggono un indice di rifrazione uguale in tutte le direzioni dello spazio, sono quindi otticamente isotrope. La figura geometrica che rappresenta l'insieme dei valori è la sfera e i cristalli sono monorifrangenti.

cristalli monorifrangenti

 

Nel dimetrico le sostanze hanno indice di rifrazione variabile con la direzione tra due valori estremi: ε raggio straordinario e ω, raggio ordinario. Nello spazio c'è una sola direzione straordinaria e infinite direzioni ordinarie perpendicolari alla straordinaria. Gli assi delle indicatrici ottiche hanno lunghezza proporzionale ai valori degli indici di rifrazione ε e ω e la figura che li rappresenta è un ellissoide di rotazione. La birifrangenza è data dalla differenza di valore tra i due indici di rifrazione Δ=ω-ε e i cristalli sono birifrangenti uniassici. Si dicono otticamente negativi quei cristalli in cui ω>ε; si dicono otticamente positivi se ω<ε. A seconda dei casi l'ellissoide è allungato o schiacciato nella direzione dell'asse ottico.

 

cristalli birifrangenti uniassici

 

Nel trimetrico gli assi ottici sono proporzionali ai 3 indici di rifrazione: α il più corto, β il medio e γ il più lungo. La superficie che li rappresenta è un ellissoide a tre assi e la birifrangenza è data da Δ=γ–α. I cristalli sono birifrangenti biassici e e i due assi ottici nei cristalli trimetrici sono rappresentati da direzioni simmetriche rispetto a quelle corrispondenti ad α e γ: essi formano tra loro un angolo detto angolo degli assi ottici e indicato con 2V. Se la bisettrice dell'angolo acuto formato dagli assi ottici è la direzione, γ e α è la bisettrice dell'angolo ottuso i cristalli sono detti otticamente positivi; se la bisettrice dell'angolo acuto è α sono otticamente negativi.

 

cristalli birifrangenti biassici

 

Lucentezza: è la riflessione della luce dalle superfici dei cristalli e dipende dall'indice di rifrazione, dall'assorbimento cromatico, dalla perfezione delle facce.
La lucentezza può essere:

  • Metallica: dovuta all'alto potere riflettente dei metalli.
  • Non metallica:
    • vitrea: limpida, simile al vetro (quarzo, berillo ...);
    • adamantina: legata alla differenza di velocità della luce tra l'aria e il cristallo; è tipica del diamante;
    • resinosa: ricorda la resina, come lo zolfo;
    • sericea: prodotta da aggregati isoorientati di fibre sottili (gesso);
    • grassa: dovuta alla ruvidità microscopica delle superfici (calcedonio);
    • madreperlacea: dovuta a piccole scaglie di inizio sfaldatura su cui si riflette la luce;
    • terrosa: opaca, tipica dei minerali in aggregati terrosi come l'argilla o di minerali con superfici alterate.

 

Colore: il colore nei minerali è prodotto dall'assorbimento delle lunghezze d'onda nello spettro visibile. I minerali che contengono nella loro formula chimica un elemento di transizione, esclusa la triade zinco, cadmio, mercurio, sono tutti colorati. Pertanto un minerale che nella sua formula chimica abbia un metallo quale il ferro, il cobalto, il rame, il cromo o il manganese è colorato. Ad esempio: la malachite è verde perché c'è il rame, la cobaltocalcite è rosa perché il cobalto la colora in rosa e così via.
I minerali di tutti gli altri elementi sono normalmente bianchi, anche se talvolta li ritroviamo colorati in natura. Ciò accade perché nel momento della loro formazione si sono "inquinati" di elementi che colorano, ma che non fanno parte della loro composizione chimica. Così ad esempio il corindone, ossido di alluminio, è incolore ma sono le varietà colorate: il rubino (il colore rosso è dovuto al cromo) e lo zaffiro (il colore blu intenso è dovuto alla presenza di titanio e ferro in quantità equivalente) ad essere conosciute ed apprezzate. Altro esempio ben conosciuto è quello del berillo, minerale incolore, che è più noto come smeraldo quando tracce anche minime di cromo lo colorano in verde o come acquamarina, quando è il ferro a colorarlo in azzurro.
Oltre che dalla interazione della luce con i componenti chimici, il colore dipende anche dalla struttura atomica: quanto più la struttura è semplice e simmetrica rispetto alla spaziatura e al legame atomico, tanto meno facilmente la luce viene assorbita. I minerali monometrici perciò tendono ad essere incolori. Alcuni minerali hanno un colore caratteristico (idiocromatici), altri hanno diversi colori (allocromatici) se possiedono delle impurità chimiche (ioni cromatofori, di solito metalli di transizione) o fisiche (bolle d'aria o inclusioni minute), oppure abbiamo difetti reticolari (centri di colore che assorbono selettivamente la luce). Se i minerali colorati sono monorifrangenti, mantengono lo stesso colore in tutte le direzioni. I minerali birifrangenti mostrano il pleocroismo, cioè cambiano colore secondo la direzione.

malachitecobaltocalcite emimorfitecrocoite

Malachite di colore verde per il rame. Miniera Tiny Arenas (CA). Foto P. Rodighiero
Cobaltocalcite rosa per il cobalto. Bou Azer (Marocco). Foto P. Rodighiero
Emimorfite azzurra per la presenza di rame. Miniera sa Duchessa (CA). Foto P. Rodighiero
Crocoite rossa per il cromo. Dundas (Tasmania). Foto P. Rodighiero

 

Streak: letteralmente striatura, in senso lato polvere. Si ottiene sfregando il minerale su un piatto di porcellana ruvida, non vetrificata. Il colore della polvere di un minerale è più costante del colore di massa perciò il vero colore di un minerale è dato in base alla sua polvere. In genere i materiali metallici hanno uno striscio molto scuro, mentre nei non metallici è chiaro.

striscio


scapoliteLuminescenza: emissione di luce di una particolare lunghezza d'onda, dovuta a una sollecitazione meccanica, fisica, o chimica. Quando la luce ultravioletta (normalmente la luce di Wood) investe un minerale, questo acquista energia che istantaneamente restituisce sotto forma di altra radiazione. Se questa è visibile al nostro occhio (noi percepiamo i colori dell'arcobaleno) osserviamo un colore, in caso contrario non vediamo nulla.
Se, cessata la stimolazione, cessa l'emissione luminosa si parla di fluorescenza, se l'emissione persiste abbiamo la fosforescenza. La fluorescenza è tipica di alcuni minerali e prende il nome dalla fluorite, in quanto il fenomeno è particolarmente intenso in questo minerale.

 

Nella foto la luminescenza della scapolite.

 

Minerale

Radiazione Emessa

fluorite viola
calcite rosa
cerussite giallo
adamite verde
rubino rosso cupo

 

Cangianza: cambiamento di colore secondo l'angolazione e tipo di luce, che conferisce un aspetto setoso, ondulato, che si osserva in alcuni minerali con struttura fibrosa o con sottili inclusioni aciculari. È comune nel quarzo, ortoclasio, albite e berillo.

 

Asterismo: fenomeno di cangianza multipla a causa di inclusioni aciculari disposte in un reticolo simmetrico, per cui si formano stelle luminose quando il minerale è illuminato da luce trasmessa o riflessa. Ne vediamo esempi in quarzo rosa, rubino stellato, corindone e zaffiro.

 

Opalescenza: aspetto nebbioso, trasparente lattiginoso, simile a quello dell'acqua a cui è stato aggiunto del latte, tipico degli opali, dovuto alla presenza di inclusioni disperse con indice di rifrazione diverso.

 

Iridescenza: scomposizione di un fascio luminoso in un alone di diversi colori quando su un minerale, come la bornite, si forma una patina di alterazione dovuta ai piani di sfaldatura.