Оптические свойства относятся к числу наиболее важных диагностических признаков. На них основана методика определения минералов под микроскопом и макроскопически. Световой луч, падая на поверхность минерала, частично отражается от неё, частично преломляется или поглощается минералом. С этими свойствами в минералах связаны явления светопреломления, светоотражения, светопоглащения, цвета минералов и люминесценция.
1. Светопреломление – способность минерала изменять ход световых лучей, обусловленная различными скоростями распространения света в воздухе и в минерале. Проявляется в прозрачных и полупрозрачных минералах.
В разных направлениях минерала скорость распространения может быть разной или наоборот одинаковой. В первом случае такие минералы называются оптически анизотропными, к ним относятся минералы средней и низшей категории сингоний. Во втором случае – оптически изотропными, к ним относятся минералы кубической сингонии или аморфные минералы.
Величина отклонения светового луча в минерале является величиной безразмерной, постоянной и определяется показателем преломления (n), который рассчитывается по формуле:
n = sin α / sin β (угол падения / угол отражения).
Явление светопреломления минералов используется в микроскопах при диагностике минералов в шлифах или шлиховых минералов, в лазерах (рубин, флюорит, кальцит, исландский шпат).
2. Светоотражение – способность минерала отражать часть световых лучей (блеск).
Следует различать блеск, принадлежащий зеркально гладким поверхностям индивидов, и блеск, принадлежащий агрегатам.
В первом случае блеск определяется на гранях или плоскостях спайности минерала. Выделяют следующие основные виды блесков:
1) стеклянный (кварц),
2 ) алмазный (циркон, сфалерит),
3 ) полуметаллический (киноварь, ильменит),
4) металлический (пирит, халькопирит),
В агрегатах и на неровных поверхностях минералов различают следующие разновидности блесков (отливы):
1) шелковистый отлив – обусловлен параллельно-волокнистыми агрегатами минерала (хризотил-асбест, селенит),
2) перламутровый отлив – характерен для минералов со слоистым строением агрегатов и весьма совершенной спайностью (мусковит, арагонит),
3) матовый блеск – наблюдается у мелкозернистых агрегатов с грубой неровной поверхностью (пиролюзит, кальцит в известняке),
4) восковой блеск – наблюдается у тонкодисперсных агрегатов минералов (глинистые минералы),
5) жирный блеск – отмечается на сколах светлоокрашенных минералов со стеклянным блеском (кварц, нефелин),
6) смолистый блеск – отмечается на сколах тёмноокрашенных минералов (гидрогётит, ильменит).
Для количественной характеристики силы отражательной способности минерала используется безразмерная величина – коэффициент отражения (R), рассчитывается по формуле:
R = Yo/Yp*100 (%),
где R – коэффициент отражения, Yo – отраженный световой поток, Yp – общий световой поток.
Самый высокий коэффициент отражения у самородных металлов:
RAg = 98 %, RAu = 86 %.
Между двумя оптическими параметрами – показателем преломления (n) и коэффициентом отражения (R) существует следующая зависимость:
n = 1,3-1,9; R = 2-10 % – стеклянный блеск;
n = 1,9-2,5; R = 10-19 % – алмазный блеск;
n = 2,5-3,0; R = 19-25 % – полуметаллический;
n > 3; R > 25 % – металлический.
3. Светопоглощение – способность минерала пропускать или задерживать световой луч. Зависит от химического состава, строения кристаллической решетки минерала и механических примесей в нём.
По величине показателя поглощения света все минералы делятся на:
1 ) прозрачные (горный хрусталь, алмаз),
2) полупрозрачные (флюорит, сфалерит),
3 ) непрозрачные (пирит, марказит, ильменит).
В природе часто наблюдаются постепенные переходы от прозрачных разностей к непрозрачным. Они вызываются изменением химического состава.
Как правило, среди прозрачных минералов не наблюдается полуметаллического блеска, а среди непрозрачных – алмазного.
4. Цвет минерала – способность минерала поглощать свет определенной длины волны, в результате чего прошедший через минерал световой поток, лишившийся ряда волн, окрашивает минерал в тот или иной цвет. Он является важнейшим диагностическим свойством и нередко определяет практическую ценность ряда минералов. Например: ювелирные камни – изумруд, сапфир, александрит.
Минералы глубинного происхождения, возникающие при высоких температурах, характеризуются тёмным цветом (чёрный – ильменит, тёмно-зелёный – роговая обманка, буро-зелёный – энстатит, зелёный – оливин и т.д.), тогда как минералы, образующиеся вблизи поверхности земли и на ней, при низких температурах, обычно светлые, прозрачные (кварц – белый, прозрачный, кальцит – молочно-белый и т.д.). Это объясняется тем, что в конце минералообразующих процессов накапливаются ионы, лишённые сильной поляризации и поэтому дающие бесцветные соединения.
Причина окраски минералов:
1) природа образующих минерал атомов и ионов;
2) их координация;
3) поляризационные свойства химических элементов;
4) тип структуры.
В.И.Севергин в 1824 г. выделил три типа окраски минералов: 1) собственная, 2) зависящая от примесей, 3) случайная, которые А.Е.Ферсман в 1936 г. назвал соответственно идиохроматической, аллохроматической и псевдохроматической окрасками.
Идиохроматическая (идиос – свой собственный, хромос – цвет, греч.) окраска, обусловленная вхождением в минерал элементов-хромофоров (красителей), которыми могут быть основные ионы металлов, или группа ионов, а также изоморфные примеси (Ti, V, Cr, Fe2+, Fe3+, Co, Ni, Cu и в меньшей степени Nb, U, Th). Например: Cr3+ - изумрудно-зеленая окраска уваровита, Fe2+ - зелёная окраска оливина, Fe3+ - бурая, красная окраска гидрогётита и гематита.
А ллохроматическая (аллос – чужой, посторонний, греч.) окраска, не свойственная самому минералу, зависит от вхождения в него механических примесей. Она изменчива и непостоянна. Например: авантюрин – буровато-красный кварц с проблесками золотистого цвета из-за включений железной слюдки (разность гематита) или серицита, празем – зеленоватый кварц с включениями иголочек актинолита или хлорита.
Псевдохроматическая (псевдо – ложный, греч.) окраска, не свойственная самому минералу, зависящая от:
а) дефектов кристаллической решетки или присутствия в минерале разноориентированных кристаллов плагиоколазов различной основности. Такое явление называется ирризация – яркий световой отлив на плоскостях спайности или гранях и наблюдается у лабрадора, олигоклаза (лунного камня);
б) образования пленки выветривания на поверхности минерала, которая придаёт минералу пёструю игру цветов. Такое явление называется побежалостью. Наблюдается у халькопирита, ильменита, вольфрамита.
5. Цвет черты – цвет минерала в порошке. Представляет собой след, оставленный минералом на фарфоровой пластинке. По сравнения с окраской минерала цвет черты является более постоянным свойством и используется для диагностики непрозрачных (рудных) и полупрозрачных минералов. Минералы с твердостью больше 7 не дают черты (твердость фарфоровой пластинки – 7). Цвет черты является характерным признаком для оксидов и сульфидов.
6. Люминесценция – оптическое излучение минерала, вызванное воздействием на минерал определённых внешних факторов (облучение, нагревание, трение, разламывание и пр.). В результате влияния этих факторов минерал приобретает новое возбужденное состояние, результатом которого является свечение минерала в видимом спектре.
По современным представлениям сущность люминесценции заключается в том, что приведённые в возбуждённое состояние электроны атомов, находясь в нестабильном состоянии, стараются перейти на более низкие электронные орбиты, т.е. вернуться в первоначальное состояние и при этом излучают часть поглощённой энергии в виде светового пучка.
Переход из возбуждённого в первоначальное состояние, сопровождаемое свечением, может осуществляться в момент воздействия внешнего возбудителя (флюоресценция – флюорит, алмаз, циркон) или в течение некоторого времени после произведённого возбуждения (фосфоресценция – фосфор).
Люминесценция, вызываемая нагреванием, получила название термолюминесценция, а облучение различными лучами – рентгенолюминесцения, катодолюминесценция, фотолюминесценция (при облучении ультрафиолетовыми лучами). Излучение, обусловленное трением и разламыванием, называют триболюминесценция (трибо – трение, греч.). Последнее явление сильно выражено у светлых разностей сфалерита.
Люминесценция зависит от присутствия в минерале элементов-люминофоров – Mn, Cr, Cd, S, Cu, Th, U. Химические элементы, препятствующие проявлению люминесценции, называются гасителями люминесценции. К ним относятся Mn+2, Fe+2, Fe+3.