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La
Couleur dans les Minéraux
La
couleur des minéraux est importante lors de leur détermination.
la
question est : d’où vient cette couleur ?
Pour bien
comprendre les phénomènes physiques liés à la couleur il faut
d’abord connaître l’origine de la couleur, c'est-à-dire la lumière.
La lumière est
un mouvement ondulatoire ou vibratoire qui se caractérise par des
paramètres : la longueur, la fréquence, l’amplitude, la célérité.
Longueur
La longueur est la distance séparant deux maximas successifs, on
l'exprime en nanomètres. Elle varie en fonction de la couleur.
Un nanomètre = un millionième de millimètre.
Fréquence
La fréquence est le nombre d’oscillations par seconde.
Amplitude
L’amplitude est fonction de l'intensité lumineuse; la lumière de
forte intensité est de grande amplitude, celle de faible intensité
est de petite amplitude.
Célérité
Plutôt que de parler de vitesse, puisqu'il n'y pas de
transport de matière mais d'énergie, on parle de célérité. Celle-ci
s'écrit c, elle est égale à :
d est la distance (mm, ..., km) parcourue pendant
une durée t (s, ..., h)
Pour la lumière, dans le vide, sa célérité est de 299
792.458 km.s-1 (prononcer kilomètres par secondes) que
l'on arrondit à 300 000 km.s-1 le plus souvent dans le
langage populaire.
Dans le vide ou dans les gaz et matériaux homogènes, la lumière se propage en ligne droite. Dans la matière, solides, liquides ou gaz, elle se propage moins vite; on dit de ces milieux
qu'ils sont dispersifs, la célérité varie selon la couleur de la
lumière. Nous reviendrons à cela en étudiant l'indice de réfraction.
Les photons
L’onde
électromagnétique est la propagation d'un mouvement vibratoire qui
se transmet dans les corps qu’ils soient gazeux, liquides ou
solides. Son vecteur est le photon, un élément de la physique très
mystérieux.
En 1926 le
chimiste Gilbert Newton Lewis baptise les photons que l’on appelait
« quanta de lumière » (paquets de lumière) avant lui.
Ce sont les
travaux de Maxwell (1865), Planck (1900) et Einstein (1905) qui
mettent en évidence l’existence des quantas.
Maxwell résout
les équations fondamentales des forces électromagnétiques, il
démontre que le champs électromagnétique vibre et qu’il se propage à
la vitesse de 300 000 km par seconde. Puis Planck et Einstein
complètent ces travaux par le comportement des quantas.
Les photons
sont les vecteurs de la force électromagnétique, ce sont des
particules d’énergie qui n'ont ni masse, ni charge électrique.
L'interaction
Rayonnement Matériau
La lumière est
un phénomène physique, photoélectrique, elle est due à l’interaction
entre photons et électrons.
Les photons émis par une source lumineuse ont un mouvement
rectiligne ondulatoire dont la fréquence grandit avec l’énergie.
Les interactions
rayonnement-matériau montrent les conséquences d'un rayonnement sur
un atome.
Le terme
« rayonnement » est à prendre dans son sens quantique :
·rayonnement
électromagnétique (lumière, rayon X, rayon gamma) ;
Ces émissions
sont utilisées pour observer la matière.
Les atomes étant
trop petits pour être perceptibles, on observe la façon dont ils
modifient un rayonnement incident.
L’étude du
rayonnement incident permet deux types de procédés d'analyse :
·la
diffraction
·la
spectrométrie
Ces méthodes et
leurs utilisations seront étudiées plus tard.
Diffusion & Ionisation
Quels sont les différents cas de
figure?
Le rayonnement électromagnétique, photon, incident agit de plusieurs façons sur un atome :
-la diffusion
-l'absorbtion (ionisation)
Il peut rebondir on dit diffuser :
Il rebondit sans perdre
d'énergie c’est la diffusion Rayleigh
Il rebondit en provoquant
l'éjection d'un électron faiblement lié, il perd donc de
l'énergie, c'est la diffusion Compton
Sur cette animation le
photon le rebondit sur l'atome
sans perdre d'énergie, sous forme de
rayonnement électromagnétique, c'est la
diffusion Rayleigh.
Sur cette animation, le rayonnement rebondit et produit
l'éjection d'un électron de l'orbite
électronique extérieure, donc faiblement
lié. Il y a perte d'énergie, c'est la
diffusion Compton.
Il peut être absorbé, ce qui
déclenche une transition électronique, c'est-à-dire le passage d’un
électron d’un niveau d’énergie à un autre ; l'atome est excité
puisque son état d’énergie change. Il en découle une désexcitation :
un électron d'une couche supérieure remplace l'électron éjecté.
Lorsque l'énergie incidente
est faible, cela provoque simplement le changement d'orbite d'un
électron
Lorsque l'énergie est modérée, cela provoque une ionisation, on appelle cela un effet
photoélectrique et l'électron éjecté est un photoélectron ; la
désexcitation induit l'émission d'un photon de faible énergie
(visible ou ultra-violet), c'est le phénomène de fluorescence.
Lorsque l'énergie est forte, l’ionisation est semblable au cas d’une énergie modérée; la
désexcitation induit deux cas de figure :
Soit l’émission d’un
photon fluorescent de forte énergie, c’est un photon X, c’est la fluorescence X.
Soit ce photon X est
capturé par l’atome, provoquant ainsi l’éjection d’un
électron périphérique, on appelle cela l’émission Auger.
Sur cette animation, l'énergie est suffisante pour provoquer une
ionisation, c'est à dire l'éjection d'un
photoélectron. Lors de la désexcitation, un
électron d'une orbite supérieure vient
remplacer l'électron éjecté et un photon de
faible énergie est émis, phénomène de
fluorescence U-V visible.
Ci-dessous l'énergie
de transition est élevée, deux cas se présentent :
1- il y a émission d'un
photon fluorescent qui par son énergie est
un photon X, c'est le phénomène de
fluorescence X.
2- le photon X est capturé
par l'atome, ce qui provoque l'éjection d'un
électron périphérique, c'est l'émission
Auger.
Indice de Réfraction
L'indice de réfraction d'un matériau s'écrit
n il est défini ainsi :
c
est la célérité de la lumière dans le vide
v
est la célérité de la lumière dans le matériau
c'est un nombre positif > 1 puisque
c>v,
il est fonction de la couleur. Plus n
est grand, plus le matériau est dit réfringent.
Milieu
n
Vide
1
Air
1, 000293 (arrondit à 1
le plus souvent)
Eau
1, 33
Opale
1, 44 à 1, 46
Verre
1, 46 à 1, 70
Quartz
1, 544 à 1, 553
Béryl
1, 570 à 1, 599
Diamant
2, 418
Pyrite
2, 94
Ce tableau montre quelques indices de réfraction
de différents milieux.
Origine
de la couleur
Pour la lumière
il existe 2 sortes d'objets : les émetteurs et les récepteurs.
Il existe deux
sortes d’objets qui émettent de la lumière, ceux qui sont naturels
(soleil, étoiles) ou artificiels (systèmes d’éclairage), ils forment
les sources primaires. Ils produisent de la lumière blanche qui
rayonne alors dans l'univers qui les entoure. L’émission de lumière
est due à des réactions au sein de leur source par exemple la
lumière solaire est due à la fusion nucléaire.
Les sources
secondaires, elles, sont des objets qui reçoivent de la lumière
primaire et en renvoient une partie. Un objet de couleur verte
« absorbe » toutes les couleurs de la lumière blanche sauf le vert
qu’il réfléchit (renvoie).
Les miroirs
quant à eux n’absorbent aucune couleur et donc ils les réfléchissent
toutes.
La
lumière blanche est donc formée de différentes couleurs.
Comment les a-t-on découvertes ?
C’est en 1669
qu’Isaac Newton (1642-1726) découvrit le procédé de décomposition de
la lumière.
Diffraction du
spectre de la lumière solaire.
Spectre continu de la lumière blanche
La lumière
primaire émise par un objet naturel ou artificiel est donc la
lumière blanche qui, lorsqu’elle traverse un prisme se décompose en
un faisceau de couleurs appelé spectre (l’arc en ciel). Dans le
spectre on passe d’une couleur à l’autre sans « frontière », le
spectre est continu.
Chaque couleur
est définie par une longueur d’onde, la lumière visible est contenue
dans une plage de 400 à 750 nm (nanomètre)
couleur
longueur
d'onde (nm)
fréquence (THz)
rouge
~
625-740
~
480-405
orange
~
590-625
~
510-480
jaune
~
565-590
~
530-510
vert
~
520-565
~
580-530
cyan
~
500-520
~
600-580
bleu
~
446-500
~
690-600
violet
~
380-446
~
790-690
Lorsqu’une lumière colorée ne se décompose pas à travers un prisme
elle est monochromatique.
En 1801 Thomas
Young, physicien (1773-1829) entreprit le contraire de Newton qui
avait décomposé la lumière dans les principales couleurs du spectre
en utilisant un prisme, Young lui, recomposa la lumière.
Avec six
projecteurs il fit converger six faisceaux de lumière des couleurs
du spectre. Ainsi superposées il obtint de nouveau la lumière
blanche.
Il fit une
autre importante découverte. Il réussit à déterminer que les six
couleurs initiales pouvaient être réduites à trois couleurs
basiques, Rouge, Verte et Bleue (RVB). Puis il découvrit qu’en
mélangeant les couleurs basiques deux par deux on obtenait les trois
autres que l’on appellera secondaires, Cyan, Magenta et Jaune.
C’est ainsi que
furent déterminées les couleurs primaires et secondaires.
A
partir de ces couleurs, leur combinaison peut former des millions
d'autres couleurs.
L'animation ci-dessous montre ce
que notre œil perçoit lorsqu'un objet de couleur est frappé par un
faisceau de lumière blanche.
Cette première partie s'achève, elle sera suivie plus
tard de quelques méthodes d'analyses basées sur la lumière et la
couleur, mais comme il s'agit avant tout d'un cours élémentaire de
minéralogie et pour ne pas vous laisser sur votre faim, voici un
excellent article sur :
Pour la plupart des gemmes et des
minéraux, le caractère le plus évident ou l’aspect qui frappe le
plus immédiatement l’observateur est la couleur. Les causes de
coloration des minéraux sont multiples et la complexité des théories
permettant leur étude ne facilite pas la transmission des
connaissances sur ce sujet.
Les théories permettant l’étude des causes des colorations des
cristaux reposent toutes sur de la chimie et de la physique. Dans
toutes les causes de coloration décrites dans cet article, à
l’exception de la dernière, la clé de la compréhension de la couleur
réside dans le comportement des électrons célibataires (présents
dans les atomes ou les ions) et dans leur interaction avec la
lumière, régie par les conditions restrictives de la théorie
quantique. Dans la plupart des minéraux, la couleur provient de
l’absorption sélective de la lumière blanche selon différents
processus ; dans certains cas plus rares, c’est le cas du dernier
mécanisme abordé dans cet article, ce sont des effets d’optique qui
créent la couleur.
Des recherches scientifiques récentes ont permis d’identifier six
causes spécifiques permettant d’expliquer la couleur des cristaux.
Voici donc un rapide tour d’horizon sur les principales causes de
coloration, illustrées de quelques exemples. Si vous souhaitez en
savoir plus sur ce sujet passionnant, vous trouverez à la fin de
l’article, une liste de sources d’informations en langue française.
La coloration "
idiochromatique ", produite par certains ions métalliques
présents en grande quantité; il existe environ 12 ions
métalliques d’éléments de transition (voir annexe) pouvant
colorer les cristaux. Ce type de coloration donne une seule
couleur caractéristique du minéral. L’ion métallique responsable
de la couleur est présent dans la formule chimique du minéral, puisqu’il s’y retrouve en grande quantité.
L’AZURITE
:
Carbonate de cuivre hydraté
de formule chimique
Cu3(CO3)2(OH)2
La couleur idiochromatique bleu azur de l’azurite
s’explique par la présence d’ions cuivre (II) Cu2+
en grande quantité dans le minéral.
La coloration "
allochromatique ", produite par certains ions métalliques
(éléments de transition), présents en très petite quantité. Ces
ions métalliques sont des impuretés présentes à l’état de "
traces " dans le minéral ; sans impureté, de tels cristaux sont
théoriquement incolores.
L’EMERAUDE
:
béryl vert chromifère
de formule chimique
Be3Al2(Si6O18)
(Aluminosilicate de béryllium)
La coloration allochromatique vert intense des émeraudes
s’explique par la présence d’impuretés, à savoir des
ions chrome Cr3+. Il faut également noter
l’existence de certaines émeraudes dites " vanadifères "
dont la couleur verte est due à des ions vanadium V3+.
LA KUNZITE
:
variété de spodumène de couleur rose lilas,
Silicate de lithium et d’aluminium
de formule chimique LiAl(SiO3)2
La coloration allochromatique rose s’explique par la
présence d’ions manganèse Mn2+, dispersés
dans le cristal à l’état de traces. La Kunzite possède
un trichroïsme très marqué, se traduisant par trois
colorations différentes suivant trois axes
d’observation.
Questions souvent posées au sujet de
la couleur des minéraux
concernant le
lithium Li ? On croit souvent que Li est la cause de
diverses couleurs dans les minéraux (par exemple la couleur
rose lilas de la Kunzite). En réalité il n’en est rien, l’ion Li+ n’est pas responsable de la couleur, mais il
accompagne fréquemment d’autres ions tels que l’ion
manganèse Mn2+ qui eux, représentent la cause
réelle de la couleur.
concernant le
césium Cs ? On croit souvent que Cs est la cause de diverses
couleurs dans les minéraux. En réalité il n’en est rien, l’ion Cs+ n’est pas responsable de la couleur, mais il accompagne fréquemment d’autres ions tels que l’ion
manganèse Mn2+ qui eux, représentent la cause
réelle de la couleur.
La coloration due à
la présence de "centres colorés" dans le cristal. Les centres
colorés correspondent à différents défauts dans la structure du
cristal (empilement ordonné des ions). Ces défauts de structure
sont généralement créés par une irradiation naturelle
(radioactivité...) ou artificielle. On peut avoir par exemple
dans la structure cristalline, des ions manquants (lacunes) ou
des ions additionnels (interstitiels). Un bon critère de
reconnaissance des centres colorés est très souvent la
disparition de la couleur par exposition à la lumière ou à la
chaleur et son rétablissement par irradiation.
L’AMETHYSTE
Variété de quartz SiO2 de couleur violette
La coloration violette de l’améthyste dépend d’un centre
coloré faisant intervenir l’ion fer (III) Fe3+
présent à l’état de traces, en substitution de certains
ions silicium Si4+. La couleur de l’améthyste
n’est stable que jusque vers 250°C ; la plupart des
améthystes se décolorent au delà. Le chauffage d’une
améthyste permet d’obtenir une coloration jaune ou
verte, de type allochromatique puisqu’elle résulte de la
présence d’ions fer (Fe2+ ou Fe3+)
à l’état de traces.
LA FLUORITE
Fluorure de calcium
de formule chimique CaF2
La fluorite possède une très grande variété de couleurs.
La couleur violette des fluorites s’explique par la
présence de centres colorés où un ion fluorure F- est
remplacé par un électron.
La coloration due
aux phénomènes appelés " transferts de charges ". Ce type de
coloration est en relation avec les orbitales moléculaires. Un
électron, charge négative, passe d’un atome à un autre. Il
existe trois types de transferts de charges : transfert de
charge oxygène-ion métallique, transfert de charge
d’intervalence c’est à dire ion métallique-oxygène-ion
métallique, et transfert de charge par délocalisation
d’électrons n’impliquant pas d’ions métalliques.
L’AIGUE MARINE
:
béryl bleu clair à bleu verdâtre Be3Al2(Si6O18)
(Aluminosilicate de béryllium)
La coloration bleue caractéristique de l’aigue marine
peut s’expliquer par la présence d’ions fer (II) Fe2+
en impuretés, ainsi que par le transfert de charge
d’intervalence Fe2+-O-Fe3+
La coloration due à
la " théorie des bandes de valence " valable pour les métaux et
les semi-conducteurs.
Dans ce cas, c’est la structure électronique du cristal tout
entier qui est responsable de la couleur. Les électrons de
certains minéraux sont délocalisés à l’intérieur du cristal tout
entier, et produisent de la couleur par une interaction avec la
lumière visible. Une telle délocalisation est une propriété
caractéristique de la plupart des métaux et des
semi-conducteurs. La théorie des bandes produit des couleurs qui
ne peuvent être provoquées ou améliorées par un traitement
commercial car elles sont directement reliées à la structure du
cristal et ne dépendent pas de quelques défauts ou de
concentrations d’impuretés.
L’OR métal Au
La couleur jaune de l’or pur, s’explique par la théorie
des bandes de valence. Cette couleur est si spécifique
que ce métal définit la nuance " jaune d’or ". Les
variétés pâles sont celles qui contiennent de l’argent, tandis que l’apport de cuivre donne une couleur jaune
orangée.
La coloration "
pseudochromatique ", due à des phénomènes optiques (dispersion, diffusion, interférence ou diffraction de la lumière).
Ce type de coloration s’explique par l’interaction de la lumière
avec certaines caractéristiques physiques telles que des
inclusions, une texture particulière, ou la structure même de la
gemme, par exemple une structure lamellaire déterminée.
L’OPALE NOBLE
Silice hydratée de formule chimique SiO2, nH2O
Les irisations de l’opale noble sont un effet d’optique
; elles résultent de la diffraction de la lumière à
travers un empilement compact plus ou moins régulier de
minuscules billes de silice. L’opale est une des rares
gemmes qui peut présenter toutes les couleurs du spectre
visible dans une seule et même pierre. La couleur de
chaque parcelle de l’opale dépend de l’orientation de la
source de lumière incidente ; lorsque la pierre bouge, la couleur change, et c’est ce qui donne la vie à
l’opale. De plus, la couleur de l’opale dépend également
de la grosseur des billes de silice et de l’espacement
des différentes couches parallèles dans lesquelles elles
sont régulièrement rangées.
ANNEXE:
Les 12 ions métalliques issus d’éléments chimiques de transition
(sous couche électronique d incomplète) pouvant colorer les minéraux
sont : Ti3+ (titane) ; V3+ et V4+
(vanadium) ; Cr3+ et Cr4+ (chrome) ; Mn2+
et Mn3+ (manganèse) ; Fe2+ et Fe3+
(fer) ; Co2+ (cobalt) ; Ni2+ (nickel) ; Cu2+
(cuivre). Les éléments Cérium Ce et Uranium U peuvent être également
responsables de colorations..
BIBLIOGRAPHIE EN LANGUE FRANCAISE:
Ancienne Revue " Monde &
Minéraux " n° 67, 69 et 70 (article complet de 1985 : " La
couleur des minéraux et des gemmes " en trois parties, écrit par
Emmanuel Fritsch, Professeur et chercheur C.N.R.S. à l’Institut
des Matériaux de L’Université de Nantes, Laboratoire de Physique
Cristalline, Equipe Gemmologie).
Revue de minéralogie " Le
Règne minéral " n° 2 et 3 (article de 1995 : " La couleur des
minéraux " en deux parties, écrit par Jacques Galvier)
Revue de l’association
française de gemmologie (A.F.G.) n° 46 de mars 1976 : traduction
française de l’article du chercheur américain Kurt Nassau
intitulé " D’où provient la couleur des gemmes et des minéraux ?
"
Traduction française d’un
article de Mr Emmanuel Fritsch (C.N.R.S. Nantes), publiée en
Mars 1990 dans la revue " Gemma " de l’association Québécoise de
Gemmologie (AQueGem) ; l’article original en anglais est paru
dans la revue américaine " Gems & Gemology " Vol. XXIII Number
3.
Article intitulé " Le
traitement des gemmes " de Mrs Fritsch, Shigley, Lasnier, publié dans la revue " Pour la Science " N° 245 de Mars 1998.
Livre " Larousse des pierres
précieuses " de P. Bariand et J.P. Poirot (édition de septembre
1998)
SITES INTERNET:
http://minerals.gps.caltech.edu
(Université américaine de Caltech) Ce site web contient des
données sur la couleur des minéraux, dont les gemmes, et des
spectres de grande qualité UV-visible-infrarouge.
REMERCIEMENTS
:
J’ai été particulièrement sensible à l’aide qui m’a été apporté lors
de mes recherches d’informations sur la couleur des minéraux par Mr
Fritsch chercheur C.N.R.S. à l’université de Nantes, par Mme Borioli
de l’Association Française de Gemmologie, par Mr Bayle directeur de
la revue " Le Règne minéral, et enfin par Mr Schwab, responsable de
la Bourse minéralogique internationale de Sainte-Marie-aux-Mines.
Jean-Christophe FILLOUX
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