10.5.3. Поглинання світла внаслідок міжзонних електронних переходів і риса мінералу

Основним механізмом, що зумовлює поглинання електромагнітного випромінювання у видимому діапазоні і більш енергетичній частині спектру є міжзонні переходи, що розглядаються в рамках зонної теорії.

Поглинання, зумовлене міжзонними переходами залежить, в першу чергу, від кристалічної структури мінералу і є його невід’ємною характеристикою. Саме міжзонні електронні переходи визначають таку фундаментальну властивість мінералу, як здатність його поглинати чи пропускати основну частку світла, а ширина забороненої зони визначає яким буде мінерал – непрозорим, напівпрозорим чи прозорим у видимому, сонячному світлі.

У подальшому, поглинання видимого світла, зумовлене між зонними електронними переходами, ми будемо називати власним поглинанням мінералу. У випадку, коли власне поглинання є незначним, зовнішній вигляд мінералу контролюється іншими механізмами поглинання світла.

	Рис. 10.20. Схема енергетичних рівнів молібденіту і спектри поглинання та відбиття (за Воган, Крейг, 1981). R0 і Rе –спектри найбільшого і найменшого відбиття при різній орієнтації перетинів молібденіту. Максимуми поглинання відповідають певним електронним переходам в межах забороненої зони, а максимуми відбиття – енергетичним рівням із найбільшою щільністю станів електронів
Рис. 10.21. Позиція краю власного поглинання для деяких мінералів. На рисунку показані спектри прозорих мінералів: синього галіту, голубого кіаніту, голубого кальциту, край власного поглинання яких знаходиться в ультрафіолетовій області і поступо­во зміщується в сторону видимого діапазону. Край власного поглинання напівпрозорих мінералів ґетиту і вольфраміту попадає у видимий діапазон світла, але відрізняється шири­ною вікна пропускання: в ґетиту пропускається оранжевий і червоний діапазон, а у вольфра­міту – кінець червоного діапазону. Край поглинання непрозорого мінералу – піриту – попа­дає в інфрачервону область і весь видимий діапазон світла поглинається.

Таблиця 10.6. Залежність оптичних властивостей мінералів від ширини забороненої зони

Ширина забороне­ної зони, еВ	Інтенсивність відбиття, R (λ=589 нм)	Коефіцієнт поглинанняα, см-1	Зовнішній вигляд	Приклади
>4	до 10	~2	Прозорий, риса безбарвна	Кварц, кальцит
3-4	до 20	3-10	Прозорий із алмазним блиском, риса безбарвна або слабо забарвлена	Діамант, сфалерит, каситерит
1,8-3	20-30	~100	Напівпрозорий, інтен­сив­но забарвле­ний, блиск алмазний до напівметалічного, риса виразно забарвлена	Рутил, сфалерит, гематит, куприт, кіновар, піраргірит
1,0-1,8	25-45	1000 – 10000	Майже непрозорий, блиск металічний, риса чорна	полібазит, блякла руда, антимоніт, буланджерит
<1,0	20-95	>10000	Повністю непрозорий , сильний металічний блиск, риса чорна	піротин, вісмутин, халькопірит, молібденіт, пірит, нікелін, арсенопірит, галеніт, магнетит, срібло

Оптична непрозорість свідчить, що ширина забороненої зони є меншою, ніж енергія світлового кванта, тобто фотони, взаємодіючи із електронами у валентній зоні, спричинюють переміщення електронів у зону провідності. Повна непрозорість спостерігається при ширині забороненої зони менше 1,8 еВ. Максимальне поглинання властиве магнетиту. Воно охоплює весь інтервал від інфрачервоного діапазону (починаючи із 16500 нм) до ультрафіолетового. Непрозорість в червоній і ближній інфрачервоній області зумовлена міжзонними переходами із валентних 3d-зон на незаповнені рівні у зоні провідності, що пов’язане із наявністю вільних носіїв заряду – нелокалізованих d-електронів в октаедричних позиціях

Коефіцієнт власного поглинання залежить від довжини хвилі. Коефіцієнт поглинання для короткохвильового випромінювання завжди вищий, порівняно із довгохвильовим. Залежність поглинання від довжини хвилі має складний характер і визначається кристалохімічними особливостями мінералу.

В області власного поглинання максимумам відбиття та поглинання відповідають переходи між екстремальними точками енергетичних станів зон мінералів, в яких є максимуми густини станів електронів; тобто профіль кривої відбиття (поглинання ) в цій області відображає енергетичну структуру зон і є індивідуальним для кожного мінералу (рис. 10.20).

У спектральному діапазоні від УФ до ІЧ випромінювання для кожного мінералу існують ділянки прозорості і істотного поглинання. Діапазони прозорості припадають на низько енергетичне (довгохвильове) випромінювання, а діапазони поглинання – на високо енергетичне (короткохвильове).

Початок різкого зростання коефіцієнту поглинання характеризує довгохвильову границю області власного поглинання (край власного поглинання), що відповідає ширині забороненої зони. У більшості непрозорих та напівпрозорих мінералів край власного поглинання знаходиться близькоінфрачервоній або у видимій області, у прозорих – в ближньому ультрафіолеті (рис. 10.21).

Рис. 10.21.Схема, що ілюструє відмінність в прозорості мінералів. а – прозорий мінерал; б – мутне зерно мінералу - результат розсіяння світла; в – напівпрозорий мінерал; непрозорий мінерал.Коефіцієнт власного

За характером взаємодії мінералу із видимим світлом всі мінерали можна поділити на три групи:

1. Непрозорі мінерали, що не пропускають видимого світла. Значна частина світла поглинається при взаємодії із мінералом, а частина відбивається поверхнею мінералу. Відбите світло складає від 20 до 90 відсотків початкового світлового потоку. Існують непрозорі мінерали, що поглинають більше світла, ніж відбивають – таким є магнетит. Інші ж мінерали в одинаковій мірі поглинають і відбивають світло – це пірит, халькопірит, галеніт, арсенопірит. Срібло, як метал, так і мінерал, відбиваю 90 % світлового потоку. Необхідно пам’ятати, що ми говоримо про пропускання видимої частини спектру. Ряд мінералів, що непрозорі у видимій частині спектру, прозорі для інфрачервоних променів, що можна побачити за допомогою інфрачервоного мікроскопу. Такі властивості є у піриту, вольфраміту, енаргіту. Необхідною ознакою непрозорих мінералів є чорна риса, яку отримуємо розтираючи мінерал на шорсткій фаянсовій чи порцеляновій поверхні.

2. Н

   Риса мінералу – порошок, який от­римуємо при терті мінералу по шорс­ткій порцеляновій чи наждаковій (при твердості мінералу більшій 6) поверхні. Діагностичним є забарв­лення ри­си.

   Риси бувають чорними, безбар­вними та забарвленими від­по­від­но забарвленню мінералу у прохідному світлі.

   апівпрозорі мінерали, що пропускають невелику частину світла, решту поглинаючи та відбиваючи. Звичайно відбите світло складає більше 20% світлового потоку, а прохідне – від 1 до 10 %. Здатність мінералів пропускати видиме світло помітна тільки при невеликій товщині мінералу, тобто в порошку або тонких препаратах чи уламках. Напівпрозорі мінерали мають густо забарвлену рису. Колір риси відповідає кольору мінералу на просвіт. Індивіди напівпрозорих мінералів зовні чорні. Характерним прикладом є гематит, що із поверхні чорний і здатність його пропускати світло спостерігається тільки в тонкому порошку. Риса гематиту забарвлена в густо-червоний колір. Прозорість ряду мінералів змінюється залежно від хімічного складу. Так, в ряді твердих розчинів полібазит Ag₁₆Sb₂S₁₁ – пірсеїт Ag₁₆As₂S₁₁ прозорість мінералу зростає, що проявляється в зміні забарвлення риси від майже чорної, темно-червоної до яскраво червоної в пірсеїту. У сфалериту (Zn,Fe)S по мірі зростання вмісту Fe в його складі відбувається перехід від повністю прозорого до непрозорого мінералу, що проявляється в зміні риси від безбарвної через відтінки від жовтого до темно-коричневого до чорної. Напівпрозорі мінерали мають густе виразне забарвлення риси.

3. Прозорі мінерали характеризуються низьким співвідношенням відбите/прохідне світло і низькою абсорбцією світла в об’ємі кристалу. Зовнішній вигляд мінералів може бути різним. Для різних відмін кварцу ми можемо спостерігати прозорі індивіди гірського кришталю, виразно фіолетові аметисти, чорний моріон; та всі вони мають одну особливість – безбарвну білу рису. Це свідчить про незначну частку абсорбції світла у формуванні світлового потоку, що проходить через мінерал. Прозорими також є зовні чорні мінерали, такі як турмалін (шерл), рогова обманка, залізисті піроксени. Всі вони мають білу або сірувату рису із слабким відтінком. Значення коефіцієнту поглинання світла в цих мінералах є замалим для зміни потоку світла в невеликих зернах, але достатнім для істотного зменшення інтенсивність світлового потоку в більших зернах.