COULEUR ET MINÉRAUX

LA LUMIÈRE & LA COULEUR

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.

La couleur des minéraux est importante lors de leur détermination.
Question : d’où vient la couleur des minéraux ?

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.

Fluorite sans fond.png

Fluorite multicolore.

Erzgebirge, Allemagne.

Photo : Cristal and Mineral.

 

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.


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 :

* nanomètre = milliardième de mètre (0,000 000 001m ) soit millionième de millimètre (0,000 001mm)

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.

Schéma d'une onde
formule de la célérité

LA TEMPERATURE DE LA LUMIERE 

C'est une notion qui qualifie la sensation visuelle et sa chromaticité.

Elles s'expriment en degrés Kelvin dans une bande de 1 000 à 11 000°K .

température de la lumière.png

LA LUMIERE VISIBLE 

La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.

La lumière visible.png

Rappel de chimie ...

Les électrons, particules du type lepton dont la charge électrique est négative. ils forment un nuage électronique autour des noyaux d'atomes.

Nuage électronique
Nuage d'électrons simplifié

Les schémas montrant les électrons en orbites autour des noyaux d'atomes sont une simplification.

Formes probables d'orbites d'électrons

Les électrons autour d’un atome n’ont pas réellement de position définie. Ils forment une sorte de nuage autour du noyau, et ils sont constamment à tous les endroits à la fois, avec des probabilités bien définies toutefois. On ne peut pas parler de position, ou de quantité de mouvement, pour une particule, mais seulement de densité de probabilité de présence. Ces probabilités sont calculables avec une énorme précision, grâce à l’équation de Schrödinger. Mais on ne peut jamais dire où se trouve un électron à un instant donné.

C'est pourquoi l'on parle d'orbitale plutôt que d'orbite de l'électron, l'orbitale est la distribution de probabilité de position de l'électron. Pour se faire une image, on a calculé des vitesses prodigieuses d'environ 7.1015 (sept millions de milliards) de révolutions par seconde.

Simplification

Un atome peut avoir jusqu'à 7 orbitales d'électrons désignées par les lettres K à Q du niveau inférieur au niveau supérieur.
Chaque orbitale peut recevoir un maximum d'électrons ainsi répartis :

  1. K maximum 2

  2. L max 8

  3. M max 18

  4. N max 32

  5. O max 32

  6. P max 18

  7. Q max 8

La couche K est la seule couche électronique commune à tous les éléments. Ainsi, le nombre de couches électroniques d'un atome dépend du nombre d'électrons de cet atome. Mais la capacité des couches électroniques d'un atome ne laisse pas présager de la répartition par couche de ses électrons. En effet, seuls les 18 premiers éléments chimiques du tableau périodique (de l'hydrogène [Z = 1] à l'argon [Z = 18] suivent un remplissage linéaire tendant vers la saturation de leurs couches électroniques (K, L et M).

Les électrons d’un atomes peuvent avoir plusieurs rôles au sein d’une structure d’atomes :
 

  1.     électrons de cœur : ceux-ci sont proche du noyau et n’interagissent pas vraiment avec les autres atomes ;

  2.    électrons de valence : ceux-ci sont sur les couches externes de l’atome et permettent de créer des liaisons interatomiques et de former les molécules ;

  3.    électrons de conduction : ceux-ci sont responsables de la circulation du courant électrique.

orbitales.jpg
sept niveaux d électrons.png

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 192