vật lý của khoáng vật
3.2.1.2. ánh vμ chiết suấ t
Khi tia sáng xuyên qua môi tr−ờng không khí chiếu xiên góc xuống bề mặt khoáng vật không hoμn toμn trong suốt, một phần ánh sáng bị phản xạ lại, một phần ánh sáng xuyên qua tinh thể khoáng vật gọi lμ tia thấu quang (bị lệch góc so với h−ớng đi ban đầu).
Các góc t−ơng ứng giữa tia tới vμ tia thấu quang có liên hệ với nhau theo một quy luật do V.Xnhenius (1591 - 1626 - Hμ Lan) tìm ra năm 1621 (luật Xnhen). Ông xác định đ−ợc rằng mỗi một chất có chỉ số chiết suất riêng của mình theo công thức:
r i n sin sin =
Sau nμy ng−ời ta đã xác định đ−ợc rằng chiết suất có thể tính theo tốc độ của tia tới V vμ tốc độ tia sáng lan truyền trong khoáng vật (v)
v V n=
Thực tế cho thấy rằng đa số các chất có chiết suất từ 1,4 - 2,0.
Hình 3.13: Mô phỏng đ−ờng đi của tia sáng chiếu vμo bề mặt của khoáng vật Chiết suất của khoáng vật đ−ợc dùng nhiều để nhận biết vμ phân biệt khoáng vật (ph−ơng pháp lát mỏng - sẽ học ở phần quang tinh).
Trong các tinh thể đồng nhất, sự sắp xếp các nguyên tử giống nhau theo mội h−ớng vμ ánh sáng đ−ợc truyền dẫn theo mọi ph−ơng nh− nhau. Khoáng vật đó đ−ợc gọi lμ khoáng vật đẳng h−ớng (isotropic). Trong tr−ờng hợp tinh thể có sự xắt xếp
nguyên tử khác nhau theo những ph−ơng khác nhau dẫn đến ánh sáng đ−ợc truyền dẫn với vận tốc khác nhau theo các h−ớng. Những tinh thể nμy đ−ợc gọi lμ dị h−ớng. Chỉ những khoáng vật đ−ợc kết tinh ở các hệ đồng nhất vμ các thể vô định hình mới có tính đẳng h−óng, còn lại các khoáng vật khác có tính dị h−ớng.
Phần ánh sáng phản xạ trở lại từ bề mặt khoáng vật lμ 1 hằng số quang học đối với từng loại khoáng vật vμ đ−ợc gọi lμ khả năng phản xạ (R) của khoáng vật đó. Khả năng phản xạ phụ thuộc vμo nhiều yếu tố: chẳng hạn thμnh phần của nguyên tử hoặc ion vμ
ph−ơng thức sắp xếp chúng. Thông số về độ phản xạ của ánh sáng tới bề mặt khoáng vật đ−ợc gọi lμ chỉ số phản xạ (Index of refraction hay Reflactive Index). Trị số t−ơng đối vμ tuyện đối của chỉ số phản xạ có thể xác định đ−ợc theo những h−ớng dao động khác nhau trong một vật thể trong suốt vμ đ−ợc thể hiện bằng các mặt quang suất (indicatrix) lμ những bề mặt elipsoit hoặc cầu có các thông số khác nhau đ−ợc gọi lμ
các trục quang.
Đối với các tinh thể đẳng h−ớng các trục quang có độ dμi nh− nhau, chỉ số phản xạ nh− nhau theo các h−ớng vμ mặt quang suất lμ hình cầu.
Đối với loại kết tinh 4 ph−ơng vμ 6 ph−ơng có một trục tinh thể dọc theo trục c với các thông số lớn hơn hoặc nhỏ so với trục a vμ b, mặt quang suất lμ elipxoit tròn xoay có đ−ờng tròn nằm trong mặt chứa ab. Các tinh thể kết tinh trong các tinh hệ nμy đ−ợc gọi lμ tinh thể một trục quang (hình 3.14) vμ sự khác biệt về chỉ số chiết suất giữa trục c vμ ab đ−ợc gọi lμ l−ỡng chiết suất (birefringence).
Hình 3.14. Mặt quang suất của tinh thể một trục
Đối với tinh thể kết tinh ở các dạng khác mặt quang suất lμ hình elipxoit có 3 trục vμ
có 2 đ−ờng tròn có các thông số bằng nhau vμ hai trục quang vuông góc với chúng. Mặt quang suất đó gọi lμ mặt hai trục vμ góc hợp bởi hai trục đó gọi lμ góc quang (optic angle), ký hiệu lμ 2V (hình 3.15). Các khái niệm sâu hơn về tính quang của khoáng vật nh− độ chậm, hình giao thoa... sẽ đ−ợc xem xét ở phần quang học tinh thể.
____________________________________________________________ 83 + ánh của khoáng vật
Chuyển từ trị số tuyệt đối của khả năng phản xạ R sang t−ơng đối (−ớc l−ợng bằng mắt th−ờng) cho ta khái niệm về ánh khoáng vật. Giữa chiết suất vμ ánh có quan hệ tỷ lệ thuận theo công thức thực nghiệm (do Fresnel đ−a ra).
⎩⎨ ⎨ ⎧ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + − = xạ n suất phả năng - R vật g suất khoán chiết - n (%) 1 1 2 n n R
Căn cứ vμo khả năng phản xạ ng−ời ta phân ra các loại ánh sau:
Loại ánh Chiết suất (N) Độ phản xạ R (%) Ví dụ
- ánh thuỷ tinh 1,3 - 1,9 2 - 10 Fluorit, thạch anh, canxit - ánh kim c−ơng 1,9 - 2,6 10 - 19 Zircon, casiterit, sfalerit,
vonframit, thần sa - ánh bán kim 2,6 - 3,0 19 - 25 Ilmenit, hematit
- ánh Kim >3 >25 Molipdenit, galenit, vμng Ng−ời ta còn chia các loại ánh trên chi tiết hơn: ánh bán thủy tinh, thủy tinh, thủy
tinh mạnh, ban skim c−ơng, kim c−ơng, kim c−ơng mạnh, ánh bán kim, ánh kim vμ
ánh kim mạnh (hình 3.16)
Ngoμi ra ng−ời ta còn chia ánh theo độ trong suốt của khoáng vật: Khoáng vật trong suốt vμ bán trong suốt (khoáng vật tạo đá): n = 1.3-1,9 ; R = 2-9%: ánh thủy tinh
n = 1.9-3,2; R = 9-27%: ánh kim c−ơng
Khoáng vật không trong suốt (khoáng vật tạo quặng): n = 1.9-2,6 ; R = 9-20 %: ánh bán kim
n > 2,6 ; R > 27%: ánh kim loại
Thực tế cho thấy khoảng 70% khoáng vật có ánh thuỷ tinh.
Các loại ánh trên đặc tr−ng cho đơn tinh thể khoáng vật. Nhìn chung ánh của tập hợp khoáng vật th−ờng thấp hơn ánh thực (do bề mặt gồ gề) vμ nhiều tr−ờng hợp có thể tạo các ánh khác: mỡ, xμ cừ, tơ, đất...
Hình 3.16: T−ơng quan giữa ánh vμ độ phản xạ của khoáng vật
Ghi chú: Các loại ánh của các khoáng vật kim loại:
a-Bán thủy tinh, b-thủy tinh, c-bán kim cuơng, d-kim cuơng, e-kim c−ơng mạnh Các loại ánh của các Khoáng vật phi kim:
3.2.1.3. Mầu khoáng vật:
Đây lμ một đặc tính quan trọng để xác định khoáng vật. Rất nhiều khoáng vật có mầu đặc tr−ng có thể dùng lμm dấu hiệu nhận biết. Mầu khoáng vật lμ hiệu ứng kết hợp của thμnh phần tạo khoáng vμ ph−ơng thức xắp xếp các thμnh phần đó, các tạp chất hóa học, vμ khuyết tật của tinh thể.
Căn cứ vμo nguyên nhân gây mầu do các tổ phần hóa học có trong khoáng vật gây ra A.Fesman đã phân ra 3 loại nh− sau:
+ Mầu tự sắc: Lμ mầu do các ion chính hoặc thay thế đồng hình tạo nên. Nó th−ờng bền vμ có ý nghĩa lớn trong việc nhận biết khoáng vật.
VD: Rutin: TiO2 do T+4 có mầu đỏ máu, Uvarovit: Ca3Cr2 [SiO4]3 Cr+3 - xanh lục Berin: Be3Al2[Si6O18] Be-2 - xanh da trời.
Ng−ời ta lấy 1 số mầu đặc tr−ng để gọi tên khoáng vật:
VD: Hematic - đỏ máu (hematicos) Hi Lạp; Anbit - trắng (anba); Azurit - xanh da trời (azurit - Hi lạp).
Một số mầu khoáng vật đ−ợc chọn lμm mầu tiêu chuẩn để xác định vμ mô tả khoáng vật:
1 - Xanh - Azurit Cu3(OH)2 [CO3]2 2 - Lục - Malachit Cu2(OH)2 [CO3] 3- Đỏ - Thần sa HgS 4- Đỏ đồng - Cu tự sinh Cu 5- Đen - Piroluzit MnO2 6- Đen sắt - Manhetit FeFe2O4
7- Vμng - Ocpimen As2S3 8- Vμng kim - Vμng tự sinh Au 9- Trắng thiếc - Acsenopirit Fe[AsS] 10- Xám chì - Galen PbS 11- Xám thép - Tetraedrit Cu10Cu2[SbS3]4 + Mμu ngoại sắc: Lμ mμu do các tạp chất cơ học gây ra do đó không ổn định vμ ít có giá trị xác định khoáng vật. Tuy vậy có tr−ờng hợp góp phần xác định điều kiện thμnh tạo.
VD: Thạch anh chứa Fe2O3 có mμu đỏ đ−ợc thμnh tạo trong môi tr−ờng oxy hóa tạo trong môi tr−ờng giμu Fe, chứa Bitum - đen (thạch anh ám khói) đ−ợc thμnh tạo trong môi tr−ờng giμu chất hữu cơ...
+ Mμu giả sắc: Mμu nμy đ−ợc tạo nên do sự giao thoa của ánh sáng tới trên bề mặt khoáng vật.
VD: mμu xμ cừ trên mặt các tinh thể mica. * Mμu vết vạch:
Thực chất đây lμ mμu của khoáng vật ở dạng bột, nó th−ờng ổn định hơn mμu khoáng vật vμ lμ dấu hiện nhận biết rất quan trọng.
VD: - Sfalerit có mμu đen, vμng, trắng, nh− có vạch mμu nâu nhạt hoặc trắng xám.
- Hêmatít - đen, đỏ, xám -> vết vạch mμu đỏ máu.
* Nguyên nhân gây mμu trong khoáng vật cho đến nay vẫn ch−a đ−ợc lμm sáng tỏ hoμn toμn nh−ng có thể khái quát ở các nguyên nhân sau (xem bảng 3.3):
Bảng 3.3: Các nguyên nhân gây mầu của khoáng vật (theo Nasau, 1983)
Lý thuyết nguồn gốc mầu
Nguyên nhân mầu Ví dụ
A. Lý thuyết tr−ờng tinh thể
1) Hợp chất của kim loại tham gia
2) Tạp chất kim loại tham gia 3) Các trung tâm gây mầu
Azurit, gơtit, spexactin - Xitrin (TA) rubi (corindon). - Fluorit, acmetit, TA ám khói B. Lý thuyết quỹ
đạo phân tử
4) Sự tham gia điện tích 5) Các vật liệu hữu cơ
- Cocdierit, kianit, vanadinit - Ianta, san hô, lignit
____________________________________________________________ 85 7) Bán dẫn
8) Bán dẫn bị hợp kim hoá
- Thần sa, galenit, pirit - Chì vμ kim c−ơng mầu vμng D. Lý thuyết các hiện t−ợng quang học 9) ánh sáng tán sắc 10) ánh sáng phân tán 11) ánh giao thoa 12) ánh nhiễu xạ - Sự lấp lánh của đá quý (VD: Kim c−ơng) - ánh sao, ánh rực rỡ - Sự phát ngũ sắc (Bornit)
Một ví dụ điển hình lμ mμu của các khoáng vật thuộc nhóm thạch anh: Bình th−ờng thạch anh không mμu vμ trong suốt nh−ng những khe nứt nhỏ vμ các bao thể trong đó tạo nên thạch anh mμu trắng sữa. Sự phân huỷ dung dịch cứng của các vi tinh thể kim que (th−ờng lμ rutin) có trong đó sẽ lμm phân tán ánh sáng mμu xanh vμ tạo nên mμu hồng của thạch anh. Trong khi đó các tinh thể kim que lớn hơn lại lμm phân tán ánh sáng đỏ tạo nên thạch anh xanh da trời. Sự thay thế của Al3+ cho Si4+ bằng tia phóng xạ tạo nên các trung tâm mμu hấp phụ hoμn toμn phổ ánh sáng nhìn thấy tạo thμnh thạch anh mμu đen hay ám khói (l−u ý rằng có loại thạch anh ám khói do có tạp chất mồ hóng). Sự thay thế của Fe3+ tạo thμnh các trung tâm mμu chọn lọc gây ra mμu tía tím của acmetit. Nếu acmetit bị nung nóng các trung tâm mμu trên bị biến đổi bởi việc khử sắt Fe3+ thμnh Fe2+ để tạo thμnh citrin hay thạch anh mμu lục.
3.2.2. Tính phát quangcủa khoáng vật
Các khoáng vật phát sáng d−ới ảnh h−ởng của các yếu tố kích thích bên ngoμi gọi lμ tính phát quang. Các nhân tố gây phát quang có thể lμ nhiệt, áp suất, tia tử ngoại, tia âm cực, tia X. Ng−ời ta chia ra hai loại phát quang:
- Loại phát quang thụ động (huỳnh quang hay kiểu phát quang fluo) khi tác nhân bên ngoμi chấm dứt thì khoáng vật cũng ngừng phát quang.
- Loại phát quang chủ động (lân quang hay kiểu phát quang phôtpho) khi tác nhân bên ngoμi chấm dứt nh−ng khoáng vật còn tiếp tục phát quang.
Mμu sắc vμ c−ờng độ phát quang tùy thuộc vμo tác nhân kích thích, bản chất hoá học của khoáng vật. Tính phát quang đ−ợc sử dụng đặc biệt rộng rãi trong lĩnh vực đá quý, các tác nhân kích thích th−ờng lμ tia tử ngoại vμ tia X, tia âm cực. Một số khoáng vật phát quang đ−ợc thể hiện ở bảng 3.4 d−ới đây.
Bảng 3.4: Tính phát quang của một số khoáng vật.
Kh vật Tác nhân kích thích phát quang
Tia âm cực Tia Rơnghen Tia tử ngoại
Mμu sắc Độ sáng Mμu sắc Độ sáng Mμu sắc Độ sáng
Kim c−ơng
Mμu lục Rõ Xanh da
trời
TB-yếu Xanh da trời Rõ
Xanh da trời Rất rõ - - Mμu tím Tr. bình Xanh Rõ - - Lục vμng Tr. bình Apatit Vμng Rõ-TB Mμu vμng Rõ-mờ Mμu hồng Rõ Lục nhạt Rất rõ Xanh da trời Tr.bình Mμu tím Tr. bình Barit Tím TB-mờ Tím Mờ-rất mờ Mμu tím Rõ - - - Mμu vμng Tr. bình Sfalerit Hồng Tr. bình - - Mμu hồng Tr. bình
Sielit Xanh da trời Rất rõ Xanh da
trời
Rất rõ Xanh da trời Rõ
Mμu lục Rõ - - Tím sẫm Rất mờ Mμu lục xẫm Rõ - - - - Zirconi Vμng vỏ quýt Rõ Lục Mờ Vμng gạch rõ