Minerały dzielone są ze względu na barwę na dwie główne grupy:
- minerały bezbarwne – są przezroczyste, o ile tylko nie zawierają żadnych domieszek, lub ich barwa jest bardzo zróżnicowana,
- minerały barwne (inaczej idiochromatyczne) – mają stałą, charakterystyczną barwę; barwę tę nadają pierwiastki lub związki chemiczne stanowiący stały element składu minerału; barwa może się nieco zmieniać w stałej gamie odcieni.
Minerały bezbarwne często posiadają w swojej strukturze krystalicznej domieszki, które nadają im różne kolory. Zależą one od składu chemicznego tych domieszek. Minerały z domieszkami mają zróżnicowane barwy, niekiedy niemal wszystkie odcienie tęczy. Nie są to jednak ich charakterystyczne barwy. O minerałach takich mówimy, że są zabarwione (inaczej allochromatyczne). Wystąpienie odmian zabarwionych może wynikać nie tylko z domieszek, ale także być skutkiem napromieniowania kryształu lub obecności w jego wnętrzu wrostków innych minerałów.
Wśród pierwiastków nadających minerałom barwę oraz zabarwienie wyróżniają się zwłaszcza żelazo, miedź, mangan, tytan, chrom, nikiel oraz wanad. Z kolei inne pierwiastki, takie jak glin, wapń, sód, beryl, fosfor oraz tlen, nie mają wpływu na barwę/zabarwienie.
W przypadku niektórych minerałów (na przykład cyrkonu oraz kwarcu dymnego) za zabarwienie odpowiada nie obecność pierwiastków, związków chemicznych ani wrostków, ale defekty sieci krystalicznej powstałe na skutek promieniowania krótkofalowego. Zmiany w strukturze kryształu powodują pochłanianie wybranych długości fal światła widzialnego, zabarwiając w ten sposób minerał.
Zarówno minerały barwne, jak i zabarwione, pochłaniają (czyli absorbują) część promieniowania świetlnego. Jednak zjawisko absorpcji światła obserwowane jest w przypadku niektórych minerałów bezbarwnych. Pochłaniają one niewielką część promieniowania w całym zakresie widma światła widzialnego, co w przypadku grubszych kryształów prowadzi do zmniejszenia przezroczystości. W przypadku minerałów barwnych i zabarwionych absorpcji ulegają tylko wybrane zakresy fal.
Minerały zabarwione
Barwa nie jest w przypadku minerałów zabarwionych cechą diagnostyczną. Decyduje tylko o nadaniu nazwy odmianom tych minerałów. Przykładowo, bezbarwny kwarc to kryształ górski, a fioletowy – ametyst. I kryształ górski, i ametyst są tym samym minerałem – kwarcem. Barwa nie jest więc cechą pozwalającą na rozpoznanie kwarcu, ale pozwala na nadanie nazwy jego odmianom.
Odmiany minerału kwarcu o różnym zabarwieniu. U góry po lewej znajduje się szczotka fioletowego ametystu. U góry po prawej stronie: cytryn. U dołu po lewej: kwarc różowy. U dołu po prawej: kryształ górski. Fot. kwarcu różowego i cytrynu: bjphotographs (Fotolia.com); fot. ametystu: zelenka68 (Fotolia.com); fot. kryształu górskiego: by-studio (Fotolia.com).
Jeżeli minerał jest zabarwiony, to cechą diagnostyczną jest dla niego rysa, czyli barwa sproszkowanego minerału. Kryształ może nas oszukać pięknymi kolorami, ale jeżeli zetrzemy różne odmiany barwne tego samego minerału, to zawsze otrzymamy proszek o tej samej barwie. Przykładowo: po sproszkowaniu zarówno kryształu górskiego jak i ametystu otrzymamy biały proszek, choć kryształy były odpowiednio przezroczyste i fioletowe. Więcej o badaniu rysy można przeczytać tutaj.
Różne kolory minerałów zabarwionych wynikają z tego, że zawarte w nich w postaci domieszek pierwiastki pochłaniają (absorbują) wybrane barwy światła widzialnego. Domieszki te mogą być rozpoznane za pomocą analizy widma absorpcyjnego. Pomocne są też filtry, przez które badacz spogląda na okaz, dostrzegając składowe barwy widma niezauważalne w zwykłym (białym) świetle. Pozwala to niekiedy na rozpoznanie imitacji kamieni szlachetnych.
Barwienie minerałów
Barwę niektórych minerałów (zwłaszcza kamieni szlachetnych) można niekiedy zmieniać poprzez barwienie, ogrzewanie lub napromieniowanie. Niektóre okazy dostępne w sprzedaży nie mają swoich naturalnych barw! Przykładowo: podgrzewanie ametystu może prowadzić do jego odbarwienia. W ten sposób uzyskuje się między innymi o wiele rzadsze od ametystu cytryny. Oprócz podgrzewania w celu zmiany barwy stosuje się również promieniowanie rentgenowskie.
Niektóre minerały mogą też zmieniać barwę w sposób naturalny. Niektóre z nich blakną pod wpływem światła słonecznego (na przykład kwarc różowy).
Zjawiska związane z barwą: Załamanie światła
Załamanie światła jest skutkiem zmiany kierunku promienia świetlnego na granicy dwóch ośrodków. Występuje ono powszechnie, a najprostszym przykładem jest optyczne “złamanie” łyżeczki do jej włożeniu do szklanki napełnionej wodą. Zjawisko to jest stałe i możliwe do zmierzenia. W tym celu stosowany jest współczynnik załamania światła, który jest ilorazem prędkości światła w powietrzu (około 300.000 km/s) oraz prędkości światła w krysztale. W przypadku kamieni szlachetnych oraz ozdobnych współczynnik ten przybiera najczęściej wartości w przedziale 1,5-3,0.
Pomiary współczynnika załamania wykonywane są za pomocą refraktometru. Urządzenie zwraca najbardziej precyzyjne wartości w przypadku okazów oszlifowanych w sposób fasetkowy.
Prostsza metoda wyznaczenia załamania światła polega na zastosowaniu cieczy imersyjnych, to jest posiadających znane współczynniki załamania (na przykład nafta, gliceryna, anilina. Oszlifowane kamienie wykazują w takich cieczach jasne lub ciemne krawędzie fasetek, a także kontury o różnej szerokości. Pozwala to na ustalenie, czy okaz ma większy czy niższy współczynnik załamania światła niż wykorzystana ciecz.
Dyspersja
Dyspersja to zdolność minerału do rozszczepienia światła białego na części składowe. Jeżeli osiąga ona wysokie wartości, to na powierzchni minerału mogą pojawiać się błyski nazywane „ogniem”. Świetnym przykładem zjawiska dyspersji jest diament, którego ogień wraz z charakterystycznym, silnym połyskiem diamentowym decyduje o wysokiej cenie tego kamienia szlachetnego.
Miarą dyspersji jest różnica współczynników załamania światła czerwonego oraz fioletowego przy przejściu przez kryształ minerału. Im ta różnica większa, tym silniejsza dyspersja. Wyraźna dyspersja może istnieć jedynie w minerałach bezbarwnych lub delikatnie zabarwionych. Pomiar tego zjawiska jest stosunkowo skomplikowany: ponieważ barwa czerwona i fioletowa obejmują stosunkowo szeroki zakres widma światła widzialnego, zatem wykorzystuje się przyjęte umownie długości fali (nazywane liniami Fraunhofera). Pomiar wymaga zastosowania refraktometru.
Pleochroizm
Niektóre z minerałów zmieniają barwę w obrębie pojedynczego kryształu. Nazywamy to pleochroizmem. Klasycznym przykładem tego zjawiska jest turmalin. Inny minerał wykazujący pleochroizm to beryl. W obu przypadkach kryształ oglądany z różnych stron wykazuje różne barwy. Obserwacja tego zjawiska gołym okiem jest oczywiście możliwa tylko w przypadku większych kryształów.
Zjawisko pleochroizmu związane jest z niejednorodną absorpcją światła w kryształach. W przypadku tak zwanych kryształów anizotropowych absorpcja zależy od kierunku: barwa zmienia się wtedy wraz ze zmianą położenia minerału względem źródła światła. Zjawisko występowania dwóch głównych barw (obserwowane w rubinie oraz turmalinie) nazywane jest dychroizmem, natomiast pojawianie się trzech barw (tak jak w kordierycie) – trychroizmem. Oba te zjawiska są szczególnymi przypadkami pleochroizmu. Minerały krystalizujące w układzie regularnym nie wykazują żadnego z tych efektów.
Do badania pleochroizmu kamieni szlachetnych służy dychroskop. Może on mieć postać urządzenia ręcznego lub znajdować się w mikroskopie gemmologicznym. W drugim przypdku możliwe jest uniknięcie wpływu innych zjawisk optycznych, w tym odbicia lustrzanego oraz załamania światła.
