Proprietà ottiche

Riflessione. Quando un raggio di luce incidente colpisce una superficie con un angolo i, misurato tra una linea perpendicolare all'interfaccia e la direzione di propagazione del raggio incidente, subisce una riflessione con un angolo r uguale al raggio incidente:

i = r

Il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale nel punto di incidenza giacciono nello stesso piano, detto piano di incidenza.

Se la superficie non è liscia ma scabra, la luce non è riflessa ma deviata in molte direzioni, cioè viene diffusa.

Rifrazione. Un raggio di luce incidente sulla superficie di un mezzo rifrangente prosegue il suo cammino avvicinandosi alla normale alla superficie, se passa da un mezzo meno denso a uno più denso (es. da aria a vetro), mantenendosi sullo stesso piano.
Se passa da un mezzo più denso a uno meno denso - dal vetro all'aria - il raggio si allontana dalla perpendicolare.
Se il raggio incidente colpisce perpendicolarmente il minerale, allora prosegue senza cambiare direzione.

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.

Quanto maggiore è la deviazione che il raggio subisce attraversando il minerale, tanto maggiore è l'indice di rifrazione. Il massimo valore dell'indice di rifrazione si ha tra aria e diamante.

Assorbimento. La capacità di riflettere la luce è accompagnata da assorbimento. Se la luce è completamente assorbita, i corpi appaiono neri, se invece lo è in parte, il corpo assume il colore delle radiazioni riflesse, chiamato colore di assorbimento. Un minerale rosso, per esempio, deve il suo colore al fatto che ha assorbito tutte le radiazioni tranne quella rossa, che è riflessa e viene percepita dalla nostra retina.

I minerali che al variare della direzione di osservazione manifestano colori diversi, perché diverso l'assorbimento in tali direzioni - e anche l'intensità -, si dicono pleocroici. La cordierite, per esempio, ha un colore che può variare dal giallo al blu-viola.

Nei cristalli del gruppo monometrico l'assorbimento è uguale in tutte le direzioni. Nei cristalli birifrangenti l'assorbimento può anche essere diverso. In particolare, i cristalli dimetrici possono essere dicroici, cioè avere due direzioni principali di assorbimento, mentre i cristalli trimetrici possono essere tricroici, avendo tre direzioni principali di assorbimento.

Pleocroismo di tormalina

Polarizzazione della luce. La luce ordinaria, o naturale, è costituita da vibrazioni elettromagnetiche in tutte le direzioni, ma sempre perpendicolari alla direzione di propagazione. Con appositi apparecchi si può fare in modo che le vibrazioni avvengano in una sola direzione, perpendicolare alla direzione di propagazione. La luce che ha subito queste modificazioni è detta luce polarizzata. La luce polarizzata presenta quindi un unico piano di vibrazione, mentre la luce ordinaria ne presenta infiniti.

La luce polarizzata può attraversare i cristalli solo se l'asse ottico (vedi più sotto) è disposto in modo tale da essere parallelo alle sue vibrazioni.

Quando un raggio di luce polarizzata attraversa un mezzo trasparente, il suo piano di vibrazione può subire una rotazione a destra o a sinistra.

Un tipo di polarizzatore è il prisma di Nicol, ideato nel 1828 dal fisico scozzese William Nicol (1768 - 1851), costituito da un romboedro di calcite detto spato d'Islanda, opportunamente tagliato lungo la diagonale minore e incollato con una resina speciale trasparente, con indice di rifrazione 1,536, il balsamo del Canadà (figura a fianco). Due delle quattro facce lunghe del prisma vengono annerite. In esso il raggio ordinario (vedi sotto) viene totalmente riflesso dal balsamo e deviato verso la faccia annerita che lo assorbe, mentre quello straordinario lo attraversa liberamente, perciò abbiamo la luce polarizzata in un solo piano.

Birifrangenza. Nelle sostanze vetrose e nei cristalli del sistema cubico la luce si propaga con velocità costante nelle diverse direzioni, per cui un raggio incidente, se le sostanze sono trasparenti, procede senza modifiche dopo aver subito la rifrazione.
Quando un raggio luminoso attraversa invece un cristallo del gruppo dimetrico o trimetrico - che sono anisotropi anche rispetto alla propagazione della luce -  si comporta in modo particolare.
Se il raggio di luce colpisce un minerale del dimetrico perpendicolarmente a una faccia, si sdoppia in due raggi: uno mantiene la stessa direzione del raggio incidente seguendo le leggi dalla rifrazione ordinaria, perciò è detto raggio ordinario; l'altro è invece deviato senza seguire le leggi ordinarie della rifrazione e perciò è detto raggio straordinario.
Se il raggio colpisce il cristallo obliquamente a una faccia, si ha ancora lo sdoppiamento, come nel caso precedente, solo che entrambi saranno deviati. Questi cristalli sono detti birifrangenti.
I due raggi rifratti sono polarizzati in due piani perpendicolari tra loro e si propagano con velocità diverse.
Nel gruppo trimetrico i due raggi polarizzati si comportano entrambi come straordinari.

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.

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

Da un cristallo di calcite si può ricavare una lamina in diverse direzioni. Se la lamina ha l'asse ternario perpendicolare alle due facce parallele che limitano la lamina stessa, si comporterà da monorifrangente e l'asse ternario è detto asse ottico. La lamina ricavata in tutte le altre direzioni è birifrangente.

Assi ottici. Nei cristalli esistono direzioni lungo le quali essi sono isotropi rispetto alla luce; le direzioni in cui non si verifica il fenomeno della birifrangenza sono detti assi ottici.
I minerali del monometrico sono sempre monorifrangenti, quelli del dimetrico sono uniassici (asse singolare di maggiore simmetria) e birifrangenti mentre quelli del trimetrico sono biassici e birifrangenti.
Date queste considerazioni, osservando il comportamento ottico si può riconoscere il sistema cristallino.

Indicatrici ottiche. Sono superfici vettoriali che visualizzano le proprietà ottiche dei cristalli.

Nel monometrico le sostanze hanno 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.

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, dove l'asse di rotazione coincide con l'asse principale del cristallo, cioè con l'asse di simmetria ternario, quaternario o senario. 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. Secondo i casi, l'ellissoide è allungato o schiacciato nella direzione dell'asse ottico.

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 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.

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, che non si lasciano attraversare dalla luce (minerali opachi), e può essere:
  • splendente, come oro, argento e altri metalli nativi;
  • metallica propriamente detta, come molti solfuri (pirite).
• Sub-metallica, quando l'aspetto e quello di un metallo opacizzato dagli agenti atmosferici ed è tipico di minerali che in massa sono opachi, mentre appaiono trasparenti se ridotti in scaglie sottili (ematite, magnetite, euxenite).
• Non metallica, dove i minerali in parte riflettono la luce e in parte la trasmettono, cioè sono trasparenti o traslucidi e può essere:
  • adamantina: legata alla differenza di velocità della luce tra l'aria e il cristallo (alto indice di rifrazione); è tipica del diamante;
  • resinosa: aspetto ambrato che ricorda la resina e tende al giallo, come lo zolfo e la sfalerite;
  • vitrea: limpida, simile al vetro (quarzo, berillo, azzurrite);
  • sericea: prodotta da aggregati isoorientati di fibre sottili (gesso sericolite, amianto);
  • grassa: con aspetto di una sostanza ricoperta di olio, dovuta alla ruvidità microscopica delle superfici (calcedonio, nefelina);
  • madreperlacea: un po' iridescente, dovuta a piccole scaglie di inizio sfaldatura su cui si riflette la luce (brucite, talco);
  • umida: poco riflettente, se immerso in acqua non è più visibile (fluorite);
  • cerea: poco riflettente, appare come ricoperto da uno strato di cera (crisoprasio);
  • terrosa: opaca, tipica dei minerali in aggregati terrosi come l'argilla o di minerali con superfici alterate.

Lucentezza adamantina del diamante. Foto di Lars Plöger da Pixabay

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) a essere conosciute e 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.
Da notare che delle alterazioni superficiali possono modificare il colore, perciò bisogna rompere il minerale per vedere il colore della frattura fresca.
Oltre che dall'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) - pirite e oro, per esempio, sono sempre gialli -, 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.

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, è da intendere in senso lato polvere, cioè il colore di una polvere minerale 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. I minerali allocromatici danno una polvere biancastra o grigio chiaro, mentre quelli idiocromatici mantengono il colore del minerale, anche se più pallido. Con la prova dello striscio si possono distinguere vari minerali che, a prima vista, appaiono uguali.

Trasparenza. Alcuni minerali si lasciano attraversare dalla luce, ma questo può avvenire in misura diversa.
Se attraverso un cristallo si distinguono perfettamente gli oggetti, è detto diafano o trasparente (selenite, spato d'Islanda); si distinguono nettamente solo i contorni, è detto semidiafano; se i contorni si distinguono solo vagamente, il minerale è detto traslucido (alabastro); quando non è attraversato dalla luce si definisce opaco.

Braccialetto di calcedonio traslucido. Foto di jchou924 da Pixabay

Luminescenza. 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, ma con frequenza diversa dalla luce incidente, abbiamo la fosforescenza. La fluorescenza è tipica di alcuni minerali e prende il nome dalla fluorite, poiché il fenomeno è particolarmente intenso in questo minerale. La fosforescenza, invece, deve il suo nome al fosforo bianco che, ossidandosi all'aria, assume un colore verde luminoso (scheelite).

Nella foto la luminescenza della scapolite.

Cangianza. È il cambiamento di colore secondo l'angolazione e il tipo di luce e 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.

Cangianza di alessandrite. (Crediti: D. Weinberg - CC BY-SA 3.0)

Asterismo. Fenomeno di cangianza multipla a causa di inclusioni aciculari disposte in un reticolo simmetrico a 120°, per cui si formano stelle luminose a sei punte quando il minerale è illuminato da luce trasmessa o riflessa. Ne vediamo esempi in quarzo rosa, rubino stellato, corindone e zaffiro.

Asterismo nello zaffiro stellato

Gatteggiamento. È dovuto alla presenza di microscopiche cavità isoorientate o impurezze che concentrano la luce in una banda chiara e sottile, come il crisoberillo “occhio di gatto” e il quarzo “occhio di tigre”.

Opalescenza. Il minerale assume un 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.

Opalescenza nell'opale

Labradorescenza. Riflessi di colore che cambiano muovendo il minerale, dovuti alla presenza di strati lamellari con l'alternanza di composizioni chimiche differenti (labradorite).

Labradorite. (Crediti: Prokofiev - CC BY-SA 3.0)

Adularescenza. Piccoli cristalli di albite presenti nell'adularia “pietra di Luna” provocano la dispersione della luce.

Pietra di Luna

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

Iridescenza nella bornite