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Jun 13, 2023

Come le rocce e i minerali giocano con la luce per produrre colori mozzafiato

Rocce e minerali sono ovunque intorno a noi. Alcuni sono apprezzati per la loro bellezza, mentre altri sono così comuni da essere facilmente ignorati. Sono disponibili in una varietà di colori e sfumature. Alcuni catturano la luce, altri

Rocce e minerali sono ovunque intorno a noi. Alcuni sono apprezzati per la loro bellezza, mentre altri sono così comuni da essere facilmente ignorati. Sono disponibili in una varietà di colori e sfumature. Alcuni catturano la luce, altri la piegano e altri addirittura la spezzano.

Ma perché i rubini sono rossi mentre gli zaffiri, che hanno quasi la stessa formula chimica, sono disponibili in una miriade di colori? Perché il quarzo, uno dei minerali più abbondanti sulla Terra, ha una tale diversità di colore e opacità? E perché alcuni minerali creano il proprio mondo di arcobaleni? Le risposte a queste domande combinano il comportamento delle rocce su scala molecolare con alcuni aspetti fisici affascinanti.

Anche il rubino, lo zaffiro o lo smeraldo dal taglio più impeccabile ottengono il loro colore brillante perché sono imperfetti.

Cominciamo con rubini e zaffiri, entrambi una varietà di corindone. Questo minerale si forma quando l'ossido di alluminio si compatta strettamente in una struttura cristallina esagonale. Nella sua forma pura il corindone è limpido; tuttavia, a volte, uno ione cromo può sostituire uno ione alluminio all'interno del reticolo cristallino. Non ci vuole molto - forse viene sostituito solo 1 atomo su 100 - ma l'imperfezione risultante significa che il cromo ora assorbirà i fotoni verdi o viola dalla luce che colpisce la gemma. La luce rossa, tuttavia, continua ad essere trasmessa, creando quella tonalità rubino brillante.

Come accennato, gli zaffiri sono disponibili in una miriade di colori: rosa, rossi, gialli, dorati, viola, pesca, champagne e, ovviamente, il pregiato blu. Come i rubini, gli zaffiri derivano dalla sostituzione degli ioni di alluminio all'interno di un reticolo di corindone; solo che questa volta vengono sostituiti con ioni di ferro e titanio (solo 1 su 10.000 ioni). Quando la luce di una certa lunghezza d'onda cade su uno zaffiro, viene assorbita e provoca il trasferimento di un elettrone da uno ione ferro a uno ione titanio. Ciò si traduce in uno zaffiro blu. Per produrre colori diversi, nello zaffiro devono essere presenti altri oligoelementi, come piombo, cobalto, silicio, magnesio o cromo.

Parlando di cromo, succede qualcosa di molto diverso quando sostituisce l'1% degli ioni di alluminio nel minerale incolore berillo: questo fa sì che la luce rossa e gialla venga assorbita, creando un ricco verde smeraldo.

Alcuni minerali brillano in inquietanti sfumature di rosa acceso, giallo vibrante o persino un verde dall’aspetto alieno quando irradiati dalla luce ultravioletta. Questo fenomeno si verifica quando gli ioni o alcune impurità all'interno del minerale (chiamati attivatori) assorbono un fotone ultravioletto, provocando la promozione di un elettrone in un orbitale atomico di energia superiore. Quando l'elettrone ritorna al suo stato fondamentale, non ci va direttamente ma passa invece attraverso diversi orbitali energetici diversi. Una di queste transizioni può far sì che l'atomo emetta un fotone di lunghezza d'onda maggiore nello spettro visibile. Quando ciò accade, il minerale “brilla” in un processo chiamato fluorescenza.

I minerali emettono fluorescenza in una gamma di colori, tra cui blu (come fluorite e scheelite), giallo (esperite), rosso (smithsonite) e viola (apatite). Poi c'è l'autunite, un minerale contenente cristalli simili a blocchi. È composto per quasi il 50% da uranio e emette una fluorescenza verde brillante.

Alcune pietre sembrano contenere un arcobaleno di colori. Ad esempio, gli opali brilleranno in un'ampia varietà di colori a seconda dell'angolo in cui vengono osservati. L'iridescenza di queste pietre ha a che fare con la disposizione di minuscole sfere di silice. La distanza tra queste sfere è minuscola, nell'ordine della lunghezza d'onda della luce visibile. Per questo motivo agiscono come una sorta di reticolo di diffrazione, separando la luce nei colori che la compongono.

L'iridescenza delle perle è simile. Una perla si forma all'interno di un'ostrica quando un piccolo pezzo di sabbia o un altro oggetto estraneo entra nella conchiglia. Lentamente si ricopre di strati di madreperla, un tipo di carbonato di calcio. Lo spessore degli strati di madreperla è vicino alla lunghezza d'onda della luce visibile. Per questo motivo, se guardi una perla da diverse angolazioni, la luce si rifletterà sui diversi strati all'interno della perla.