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7.12 : Causes de la couleur - Géosciences

7.12 : Causes de la couleur - Géosciences


De base

En général, la couleur est causée par l'absorption de certaines longueurs d'onde de la lumière par une substance (comme une pierre précieuse) tout en permettant à d'autres longueurs d'onde de traverser la substance sans être modifiées. Le résultat net des longueurs d'onde qui traversent la pierre précieuse donne la couleur finale à la pierre précieuse.

Pour voir la couleur, nous avons besoin d'au moins 3 variables :

  • Léger
  • Une substance
  • Vision (l'œil)

Quand l'un d'eux est absent, nous ne pouvons pas voir la couleur. Par exemple, votre pull rouge n'aura pas de couleur dans le noir car il n'y a pas de lumière à absorber.

Figure (PageIndex{1}): Absorption de toutes les longueurs d'onde sauf le rouge

La lumière blanche est un mélange des 7 couleurs spectrales (visibles dans un arc-en-ciel) : rouge, orange, jaune, vert, indigo, bleu et violet. Chacune de ces couleurs voyage à une certaine longueur d'onde (environ 700 nm pour le rouge et 400 nm pour le violet) et transporte une quantité d'énergie spécifique.
Lorsqu'une substance absorbe toutes les couleurs spectrales (les couleurs de l'arc-en-ciel) à l'exception du rouge, la couleur résiduelle est le rouge. Par conséquent, le résultat net sera rouge. Si toutes les couleurs sauf le rouge et le bleu sont absorbées, la couleur résiduelle (résultat net) sera une pierre précieuse violette.

Au total, il existe environ 16 millions de combinaisons pouvant produire des couleurs.

L'absorption de la lumière entraîne généralement la transformation de l'énergie lumineuse en chaleur. C'est pourquoi les frigidaires sont blancs ; les substances blanches n'absorbent pas la lumière, elles sont donc très efficaces pour éloigner la chaleur.

Tableau (PageIndex{1}): Éléments à colorier
ÉlémentCouleurs
TitaneBleu
VanadiumVert / Changement de couleur
ChromeRouge, Vert
ManganèseRose
Le ferRouge - Vert - Jaune
CobaltBleu
NickelVert
CuivreVert bleu

L'absorption des longueurs d'onde (couleurs) se produit parce que certains éléments absorbent l'énergie de ces longueurs d'onde. Les principaux éléments qui absorbent la couleur sont les éléments « métal de transition ». Ces métaux de transition ont des coquilles d partiellement remplies (par opposition aux coquilles entièrement remplies) et certains des électrons dans les coquilles d ne sont pas appariés.

Lorsqu'une longueur d'onde transporte suffisamment d'énergie pour élever un électron non apparié à un état d'énergie plus élevé, l'énergie de cette longueur d'onde est complètement absorbée par l'électron et l'énergie lumineuse est généralement transformée en chaleur lorsque l'électron tombe à son état d'origine (fond). Cela signifie que cette longueur d'onde (ou couleur) particulière est supprimée du spectre, ou mieux "absorbée".

L'énergie requise pour élever un électron non apparié à un état d'énergie plus élevé (et ainsi provoquer une absorption) est bien inférieure à l'énergie requise pour élever un électron apparié. L'énergie de la lumière visible n'est pas suffisante pour élever un électron apparié, mais elle peut élever les électrons non appariés qui résident dans les couches d des éléments métalliques de transition. C'est pourquoi les éléments de transition sont également nommés "éléments colorants" ou "agents colorants". Outre les éléments des métaux de transition, certains métaux des terres rares agissent également comme éléments colorants.

Les agents colorants peuvent soit faire partie de la composition chimique idéale, soit se présenter sous forme d'impuretés dans le cristal.
Nous divisons les minéraux en deux groupes, en fonction de cela.

  • Idiochromatique - minéraux colorés par un agent colorant faisant partie de la formule chimique (par exemple la malachite)
  • Allochromatique - les colorants ne font pas partie de la composition chimique idéale (comme l'émeraude et le rubis)

Bien que la théorie des éléments des métaux de transition constitue une bonne compréhension de base des causes de la couleur, d'autres mécanismes peuvent être à l'œuvre. Certains éléments travaillent ensemble pour former la couleur (la théorie des orbitales moléculaires) tandis que dans d'autres cas, l'absence d'un électron ou d'un élément à un endroit particulier ("site") dans le cristal crée un centre de couleur.
Ce que toutes les théories ont en commun, c'est qu'une partie de l'énergie de la lumière entrante (longueurs d'onde) est absorbée et que les couleurs résiduelles (longueurs d'onde) déterminent la couleur finale de la pierre précieuse (ou de toute autre substance).

Avancée

Les causes de la couleur peuvent être divisées en 4 théories différentes :

  1. La théorie du champ de cristal
    • Composés de métaux de transition (malachite, almandine) - idiochromatiques
    • Impuretés de métaux de transition (rubis, émeraude, citrine, jade) - allochromatiques
    • Centres de couleur (améthyste, maxixe-beryl)
  2. La théorie de l'orbite moléculaire
    • Transfert de charge (saphir, iolite)
  3. La théorie du groupe
    • Isolateurs (verre)
    • Conducteurs (métaux)
    • Semi-conducteurs (galène)
    • Semi-conducteurs dopés (diamant)
  4. La théorie des propriétés physiques
    • Dispersion (Feu dans le diamant)
    • Diffusion (pierre de lune, yeux de chat, étoiles)
    • Interférence (irisation, opale)
    • Diffraction (opale)

La théorie du champ de cristal

La théorie du champ cristallin décrit les couleurs provenant de l'excitation des électrons dans les éléments de transition (soit idiochromatiques ou allochromatiques) et les centres de couleur.

Lorsqu'un ion de métal de transition a une couche d partiellement remplie, les électrons de la couche d externe orbitent autour du noyau sans être appariés (ou au moins certains des électrons le font). Les ions environnants du réseau cristallin créent une force (un "champ cristallin") autour d'un tel élément de transition et la force de ces champs détermine les niveaux d'énergie disponibles pour les électrons non appariés. Un tel système de niveaux d'énergie dépend de la force et de la nature de la liaison dans le réseau ainsi que de l'état de valence de l'élément de transition. Ceux-ci sont différents dans chaque cristal.
Au fur et à mesure que l'énergie et les niveaux d'énergie sont quantifiés, les électrons ont besoin d'une quantité spécifique d'énergie pour "sauter" de leur état fondamental à un niveau d'énergie plus élevé. Les calculs complexes qui déterminent les niveaux d'énergie disponibles pour l'excitation de l'électron fournissent également quelques règles de sélection qui excluent certains niveaux d'excitation.

Figure (PageIndex{2}): Absorption en rubis

En rubis, Cr3+ remplace une partie de l'Al3+ ions dans l'Al2O3 treillis. Le chrome ne faisant pas partie du maquillage idéal, le rubis est dit allochromatique. Le champ cristallin autour de l'impureté de chrome met quelques niveaux d'énergie quantifiés à la disposition des électrons non appariés. Ceux-ci sont présentés comme les niveaux B, C et D. Cependant, les règles de sélection déterminent que le niveau B n'est pas disponible pour l'excitation dans ce cas.
Les niveaux C et D correspondent à des énergies respectivement de 2,23 eV et 3 eV. L'énergie nécessaire pour passer au niveau C (2,23 eV) correspond à la lumière jaune-verte et le niveau D (3 eV) correspond à la lumière violette.
Cela signifie que lorsque la lumière blanche pénètre dans un rubis, la lumière jaune-vert et violette sera absorbée par les électrons non appariés et ces électrons ont maintenant suffisamment d'énergie pour être excités aux niveaux C ou D. Les couleurs résiduelles qui ne sont pas absorbées déterminent la couleur rouge. du rubis.
Les mêmes règles de sélection interdisent également à l'électron excité de retomber dans son état fondamental (A), mais doivent à la place retomber d'abord dans B. Lorsque les électrons du niveau B se désexcitent vers leur état fondamental, il se produit une émission de lumière rouge (fluorescence) qui donne un éclat supplémentaire à la couleur déjà rouge causée par l'absorption des parties jaune-vert et violet de la lumière blanche.

Figure (PageIndex{3}) : Aperçu schématique des niveaux d'énergie dans le rubis et l'émeraude

Pour l'émeraude, quelle couleur allochromatique est également causée par un Cr3+ impureté, le mécanisme est similaire mais le champ cristallin des éléments environnants a moins de force et provoque un décalage des bandes d'absorption. Le niveau D est abaissé à 2,8 eV et le niveau C est abaissé à 2,05 eV mais le niveau B est quasiment le même (1,82 au lieu de 1,79 eV).
Le résultat est que l'émeraude absorbe la plupart des parties violettes et rouges de la lumière visible, laissant une transmission bleu-vert dominante avec une fluorescence rouge.

L'Alexandrite, une variété de chrysobéryl, est également colorée par un Cr3+ impureté. Le schéma d'absorption de l'alexandrite se situe entre celui du rubis et de l'émeraude et l'intensité de la lumière incidente détermine la couleur de l'alexandrite. La lumière du jour naturelle est plus riche en bleu-vert tandis que la lumière incandescente a plus de rouge dans son spectre. Cela fait que l'alexandrite est bleu-vert (comme l'émeraude) à la lumière du jour et rouge-violet (comme l'améthyste) à la lumière incandescente.

Vanadium (V3+) provoque le même effet de changement de couleur "alexandrite" dans le corindon naturel et synthétique.

Couleurs allochromatiques causées par les impuretés des métaux de transition

La simple apparition d'une impureté de métal de transition ne provoque pas nécessairement la couleur d'une pierre précieuse. Outre le besoin d'une valence spécifique, l'ion doit être responsable de l'absorption, d'autres mécanismes (tels que les centres de couleur et le transfert de charge) peuvent être plus dominants.
Comme certaines impuretés peuvent être responsables de couleurs différentes, comme le rouge et le vert pour le chrome, d'autres impuretés peuvent également provoquer la même couleur (comme le vanadium dans l'émeraude).

Couleurs idiochromatiques causées par les constituants des métaux de transition

La théorie des champs cristallins décrite ci-dessus s'applique également aux minéraux qui ont un ion de métal de transition dans sa composition chimique idéale.

Centres de couleur

Les électrons non appariés sur les ions métalliques non de transition peuvent également produire des couleurs dans certaines circonstances. Cela peut se produire soit en raison d'un mauvais placement d'un ion (et d'un électron non apparié prenant sa vacance), soit en raison du déplacement d'un électron à partir d'un rayonnement (naturel ou artificiel).
Dans les deux cas, un "centre de couleur" est créé et l'électron non apparié peut être élevé à des niveaux d'énergie plus élevés grâce à l'absorption de la lumière incidente comme avec les électrons non appariés des ions de métaux de transition. Dans le premier cas (un électron se substituant à un ion égaré), le centre de couleur est un "centre de trou d'électron" et dans le dernier cas il crée un "centre de couleur de trou".

Centres de couleur des électrons

Figure (PageIndex{4}): Centre de couleur électronique en fluorite


La fluorite est le plus souvent utilisée pour décrire le mécanisme d'un centre de couleur électronique. La couleur pourpre de la fluorite est causée par l'absence d'un fluor (F-) et un électron est piégé dans le vide qu'il laisse derrière lui.
Il existe diverses raisons pour lesquelles l'ion fluor est absent d'un site particulier du réseau cristallin. Parmi ceux-ci, il y a un excès de calcium et de radiations. pendant ou après la croissance du cristal. Cela crée un soi-disant "centre F" (ou "centre Farbe" - Farbe est le mot allemand pour couleur) et un électron libre du pool d'électrons non appariés dans le cristal (voir la théorie des bandes) est piégé dans la vacance. Cet électron non apparié peut ensuite être élevé aux niveaux d'énergie plus élevés maintenant disponibles par l'absorption d'énergie dans les photons et des règles similaires de champ cristallin d'absorption et de fluorescence, comme décrit ci-dessus, sont en vigueur.

L'ion fluor est généralement déplacé et crée un interstitiel dans le réseau, ce qu'on appelle un « défaut de Frenkel », ce qui signifie qu'il y a un ion à un site particulier du réseau où il ne serait normalement pas. Cet ion fluor déplacé ne joue pas de rôle dans le développement de la couleur (seule la lacune qu'il laisse derrière le fait).

Le terme "centre de couleur électronique" fait référence au fait qu'il existe un électron "libre" là où il ne serait normalement pas.
La situation A sur l'image montre la configuration idéale de la fluorite, tandis que la situation B montre l'électron qui est piégé dans la lacune laissée par l'ion fluor déplacé.

Centres de couleur des trous

Figure (PageIndex{5}): Centre de couleur du trou en quartz fumé

Les centres de couleur des trous sont généralement illustrés par du quartz fumé comme dans l'image de droite.
En quartz (SiO2) certains ions silicium avec un état de valence de 4+ sont remplacés par des ions aluminium avec une valence de 3+. Afin de conserver l'électroneutralité, un atome d'hydrogène (ou Na+) sera présent à proximité. Cela affaiblit les forces exercées sur les électrons des atomes d'oxygène et le rayonnement (rayons X, rayons gamma, etc.) peut éliminer l'un des électrons liés les plus faibles des atomes d'oxygène. Cela laisse un trou (un électron manque) et différents niveaux d'énergie deviennent disponibles pour l'électron maintenant non apparié sur l'ion oxygène.
La théorie du champ cristallin s'applique maintenant à l'électron d'oxygène non apparié restant et la couleur résultante est un brun fumé auquel le quartz fumé doit son nom. L'électron déplacé sera piégé sur d'autres sites du réseau cristallin et ne contribuera pas au schéma de fabrication des couleurs.
L'ion aluminium de substitution agit comme un "précurseur" et est vital pour le mécanisme.

Dans l'améthyste le fonctionnement est similaire, mais le précurseur est le fer ferrique (Fe3+) et produit la couleur violette typique.

Le terme "centre de couleur du trou" fait référence à l'électron manquant, laissant derrière lui un trou.


Si le cristal est chauffé (autour de 400°C pour le quartz fumé et ± 450°C pour l'améthyste), l'électron déplacé est libéré de son piège et retourne à son emplacement d'origine, voyageant à nouveau comme des électrons appariés. La couleur du cristal reviendra alors à sa couleur d'origine (généralement jaune ("citrine") ou verte ("prasiolite") pour l'améthyste et incolore pour le quartz fumé). Après ré-irradiation, le centre de couleur du trou peut être reproduit et tant que le cristal n'est pas surchauffé, ce processus peut être répété à l'infini.
Le processus de chauffage du cristal et de destruction du centre de couleur du trou est appelé "blanchiment".

La théorie de l'orbite moléculaire

La théorie des orbitales moléculaires décrit les chemins (orbitales) parcourus par les électrons lorsque plusieurs atomes (deux ou plus) se combinent chimiquement. Pour que les atomes se combinent en molécules, ils doivent partager ou échanger des électrons.

La plupart des diagrammes et des manuels utilisés pour expliquer les orbitales en chimie fondamentale (et en gemmologie) montrent les orbitales ou les mouvements des électrons dans des anneaux bidimensionnels. Bien que cela suffise pour une compréhension de base, les orbitales sont en 3 dimensions et les électrons se déplacent dans des nuages ​​complexes.
Une explication approfondie de ces orbitales peut être très utile pour décrire cette théorie, mais c'est un sujet très complexe et va au-delà du domaine de la gemmologie.

Au lieu de cela, nous nous concentrerons sur les différents types de liaisons qui peuvent se produire entre les atomes.

  1. Une liaison ionique
  2. Liaison covalente

Bien que ces deux liaisons aient des caractéristiques différentes, elles jouent principalement un rôle dans la liaison chimique des pierres précieuses et sont directement liées à la électronégativité des différents éléments qui composent la formule chimique d'une pierre précieuse.
Ce ne sont que les électrons dans les couches externes des atomes qui jouent un rôle à la fois dans la liaison ionique ou covalente.

Électronégativité

Figure (PageIndex{6}): Échelle d'électronégativité

L'électronégativité fait référence à la force à laquelle certains éléments s'attirent. L'une des façons dont le tableau périodique des éléments est organisé est leur électronégativité. En général, les éléments dans le coin supérieur droit ont une électronégativité plus forte que ceux dans le coin inférieur gauche.
Comme différents éléments tentent de se combiner pour former des molécules, les éléments qui ont la plus grande électronégativité sont les plus gourmands et prennent le pas sur les éléments avec une électronégativité plus faible.

Lorsqu'il existe une grande différence d'électronégativité entre deux éléments, l'élément ayant l'électronégativité la plus élevée saisira les électrons de l'autre élément, ce qui provoque une liaison très forte entre ces deux éléments.
L'élément "gourmand" aura une charge négative supplémentaire (car il a récupéré les électrons chargés négativement de l'autre élément) et donc polarisation entre les deux éléments se produit. Cette polarisation (un élément aura une charge positive et l'autre une charge négative) agit comme un aimant et les deux éléments seront très proches l'un de l'autre. En d'autres termes, ils forment un lien très fort et il y aura un échange (don et réception) d'électrons. C'est ce qu'on appelle une liaison ionique.

Cependant, si la différence d'électronégativité est très faible ou si l'électronégativité est la même, les liaisons ne sont pas aussi fortes et les électrons dans les couches externes des atomes (éléments) sont partagés entre les différents éléments et ces électrons peuvent voyager librement (mais selon à certaines règles) entre les deux éléments. Ce type de liaison lâche est nommé liaison covalente et les atomes qui composent la molécule sont plus espacés que dans les liaisons ioniques.
La liaison covalente joue un rôle important dans la formation de la couleur car l'énergie requise pour échanger les électrons provoque l'absorption. Transfert de charge est un terme courant pour décrire l'échange continu d'électrons dans des liaisons covalentes lorsque de l'énergie est appliquée à la molécule.

La principale différence entre les liaisons ioniques et covalentes est que dans les liaisons ioniques, il existe un don/recevoir d'électrons, tandis que dans les liaisons covalentes il y a un partage d'électrons.

Transfert de charge

Figure (PageIndex{7}): Transfert de charge en Iolite

Différents éléments (en particulier les éléments de transition) peuvent exister dans différents états de valence. Lorsque ces atomes chargés (ions) forment des liaisons covalentes, certains électrons des couches externes peuvent voyager entre ces deux ions. Cela se traduit par un transfert de charge entre ces deux ions et ne peut se produire que par absorption d'énergie. Lorsque l'énergie requise pour cette transition est équivalente à l'énergie dans la plage visible (ou proche de celle) de la lumière, il en résultera une couleur.

Dans le cas de l'iolite, on pense que la couleur est causée par le transfert de charge entre Fe2+ et Fe3+ ions. Le Fe2+ l'ion a un électron de plus dans sa couche externe que le Fe3+ ion. Cet électron est attiré par le Fe3+ ion et lorsque l'électron orbite autour du Fe3+ ion, cet ion deviendra un Fe2+ ion. Le Fe d'origine2+ l'ion deviendra alors un Fe3+ ion et le processus se répète.


La notation usuelle pour un tel transfert est : [Fe^{2+} + Fe^{3+} ightarrow Fe^{3+} + Fe^{2+}]

Pour le saphir, le fonctionnement est similaire, mais la transition se fait entre Fe2+ et Ti4+. Bien qu'il existe de nombreux autres éléments qui pourraient jouer un rôle dans la coloration des saphirs, la notation générale pour le saphir (bleu) est : [Fe^{2+} + Ti^{4+} ightarrow Fe^{3+} + Ti^{3+}]

La théorie du groupe

La théorie des bandes a été développée à l'origine pour expliquer la conductivité électrique dans les métaux. Plus tard, cette théorie a été développée avec la mécanique quantique et avec elle, elle pourrait également expliquer les couleurs dans les matériaux (tels que les pierres précieuses).

La conductivité électrique dépend de la libre circulation des électrons chargés négativement à travers un matériau. Pour qu'un électron voyage à travers un solide (comme un métal ou un cristal), il doit y avoir de la place pour que l'électron voyage.
Imaginez que vous êtes dans une pièce pleine de monde et que vous voudriez marcher jusqu'à l'autre bout de la pièce. Dans une salle pleine à craquer, vous ne pourriez pas la traverser car il y a trop de monde dedans. Imaginez maintenant qu'il y a un balcon au-dessus de la pièce où il n'y a personne. Lorsque certaines personnes auraient assez d'énergie dans leur corps pour sauter sur le balcon, ces personnes ont maintenant la liberté de se déplacer. Pendant que ces personnes se déplacent vers le balcon, elles laissent des espaces dans la pièce afin que le reste d'entre nous ait plus d'espace pour se déplacer.
Bien sûr, pour que les gens sautent sur le balcon, ils ont besoin d'énergie pour le faire. S'ils n'ont pas cette énergie, ils vont simplement reculer. Il y a donc un espace entre la pièce et le balcon qu'ils doivent combler.
La même chose s'applique aux électrons dans un solide.

Chiffre (Index des pages{8}): La théorie de la bande (écart) illustrée

Dans les théories précédentes, l'accent était mis sur un ou deux atomes chargés (ions). Certains électrons sont dans des niveaux d'énergie remplis autour des atomes et sont très localisés dans le sens où ils ont une force de liaison très forte avec le noyau. Pourtant, les électrons des enveloppes externes (non remplies) peuvent jouer un rôle dans la liaison avec d'autres atomes, soit par des liaisons ioniques ou covalentes. Ces électrons sont nommés électrons de valence et sont faiblement liés au noyau. En réalité, il y a un très grand nombre d'électrons de valence dans un cristal (une multitude de milliards par millimètre cube).
Si nous jetions tous ces électrons de valence liés plus lâches dans un pool d'électrons, nous obtiendrions un pool imaginaire d'électrons de valence. Cette "piscine" s'appelle la bande de valence.
Comme la bande de valence est complètement remplie d'électrons, aucun voyage d'électrons n'est possible. Il ne peut donc y avoir de conductivité électrique. Si les électrons avaient assez d'énergie pour sortir de cette bande de valence et entrer dans la bande de conduction (le balcon), alors la conductivité électrique sera possible. Dans divers matériaux, le bande interdite (la distance entre le rez-de-chaussée et le balcon) diffère.

En fonction de l'énergie nécessaire à un électron pour surmonter cet écart, nous divisons les matériaux en trois catégories :

  1. Isolants (grand écart sans conductivité électrique)
  2. Conducteurs (petit ou aucun écart aux niveaux d'énergie qui se chevauchent avec une bonne conductivité électrique)
  3. Semi-conducteurs (intermédiaire entre les isolants et les conducteurs)

Dans les isolants, l'écart est si grand que dans des conditions normales (température ambiante), il n'y a pas assez d'énergie pour qu'un électron comble le grand écart entre la valence et la bande de conduction. En conséquence, les matériaux avec un écart important seront des isolants électriques ainsi qu'incolores. La dernière partie (incolore) est logique car le solide ne peut pas absorber l'énergie de la lumière visible. Le verre est un exemple de bon isolant.

Dans les conducteurs (tels que les métaux), il y a une très petite bande interdite ou pas de bande interdite du tout (généralement la bande et les écarts de conduction se chevauchent). Par conséquent, les électrons peuvent facilement être dans la bande de conduction. Comme peu d'énergie est nécessaire pour qu'un électron passe de la bande de valence à la bande de conduction, ces matériaux seront opaques car toute l'énergie de la lumière visible sera absorbée. La situation idéale résulterait en un matériau noir opaque, mais d'autres forces peuvent le transformer en un matériau opaque coloré (comme le jaune pour l'or).

Les semi-conducteurs sont intermédiaires entre les deux états mentionnés ci-dessus et nous divisons les semi-conducteurs en deux catégories :

  1. Semi-conducteurs intrinsèques (éléments purs)
  2. Semi-conducteurs extrinsèques (éléments dopés)

Le dopage signifie qu'il y a des impuretés avec un état de valence différent dans le réseau cristallin, comme dans les pierres précieuses allochromatiques.

Figure (PageIndex{9}): structure de points de Lewis du diamant.

Les semi-conducteurs intrinsèques à large bande interdite se comportent généralement comme des isolants (comme le diamant). Chaque atome de carbone dans la structure du diamant a 4 atomes de valence et ils essaient de se combiner avec 4 autres atomes de carbone pour former une structure moléculaire tétraédrique. Cela signifie que dans une structure en diamant pur, la bande de cantonnière est entièrement occupée et la bande de conduction est vide (donc aucune conduction électrique n'est présente). Pourtant, si nous pouvions trouver un moyen de faire de la place dans la bande de valence et/ou d'occuper la bande de conduction, alors le diamant pourrait être un conducteur électrique.
Pour cela, nous aurions besoin d'une impureté pour remplacer un atome de carbone dans la structure "idéale" du diamant.

Figure (PageIndex{10}): Deux types de semi-conducteurs dopés

Si nous remplaçons un atome de carbone (C) par un atome d'azote (N), qui a 5 électrons de valence au lieu de 4, alors nous aurions un électron de trop. Cet électron en excès créerait un niveau d'énergie supplémentaire à l'intérieur de la bande interdite en dessous de la bande de conduction. Certains électrons de ce niveau d'énergie électronique supplémentaire peuvent maintenant être excités dans la bande de conduction. Ce type de semi-conducteur dopé est appelé un semi-conducteur de type N (N après la charge négative des électrons supplémentaires). Le diamant jaune de type IIa est un exemple de ce type.

L'inverse fonctionne aussi, si nous introduisons du bore (B) dans le réseau, qui a 3 électrons de valence, le diamant aurait une charge positive et cela créerait un trou dans la bande interdite (un autre terme pour une bande interdite). Un électron de la bande de valence est excité pour remplir le trou et cela crée un trou dans la bande de valence. Un électron voisin dans la bande de valence remplira ce trou et le trou semble se déplacer à travers la bande de valence, ce qui crée de la conductivité. Ce type est nommé semi-conducteur de type P (P d'après la charge positive créée par le trou). Le diamant bleu de type IIb en est un exemple. Le diamant bleu irradié n'est pas conducteur, une distinction peut donc être faite entre eux.

La théorie des propriétés physiques

Bien que les théories précédentes décrivent les causes des couleurs provenant des interactions électroniques, il existe quelques autres façons de créer des couleurs. La plupart du temps, ils apparaissent sous forme de taches de couleurs causées par la dispersion, la diffusion, l'interférence et/ou la diffraction.
Tous ces phénomènes sont expliqués dans d'autres chapitres.


7.12 : Causes de la couleur - Géosciences

Les minéraux peuvent être naturellement colorés pour diverses raisons. Parmi ceux-ci figurent :

La couleur est caractéristique (idiochromatique) de certains minéraux et peut donc servir d'aide à l'identification. La couleur est souvent assez variable (allochromatique) et peut donc contribuer à une mauvaise identification.

La couleur dépend de la réponse de l'œil au rayonnement visible, environ entre 400 et 700 nanomètres. La lumière frappant la surface d'un minéral peut être transmise, réfléchie, réfractée, absorbée ou diffusée. La réflexion et la diffusion contribuent à l'éclat du minéral, pas la couleur. Si aucune absorption de lumière ne se produit, le minéral sera incolore à la fois en lumière réfléchie et en lumière transmise. La couleur résulte de l'absorption de certaines longueurs d'onde de la lumière, le reste étant transmis. Notre œil mélange les couleurs transmises en une seule "couleur". Cependant, les spectromètres peuvent résoudre la lumière transmise en ses composants. (Voir figure 4.60, p. 158 de Klein, 22e édition) Le spectre d'absorption du béryl montre des pics à 400 et 700 nanomètres, et une transmission maximale près de 500 nanomètres, correspondant à une couleur bleu-vert.

Un minéral est coloré si certaines longueurs d'onde sont absorbées au fur et à mesure que la lumière est transmise à travers le minéral. De nombreux minéraux absorbent plusieurs couleurs différentes. Les longueurs d'onde de lumière non absorbées se combinent pour donner sa couleur au minéral. L'absorption se produit parce que l'énergie de la longueur d'onde absorbée correspond exactement aux différences d'énergie entre les niveaux d'énergie autorisés dans les atomes ou les ions du minéral. Les minéraux incolores n'ont pas de transitions dont l'énergie correspond à la lumière visible. Les minéraux colorés ont une ou plusieurs de ces transitions. Les trois causes de ces transitions sont les suivantes :

Exemple 2 : Le minéral chrysobéryl (Al 2 BeO 4 ) a une structure similaire à l'olivine. Du fer ferrique peut remplacer les ions aluminium, qui sont en coordination octaédrique. Le spectre résultant est très différent de celui de l'olivine (voir Figure 4.62 de Klein, p. 160). Une certaine absorption bleu-vert se produit dans le visible et le minéral est jaune pâle. Ainsi, l'état électronique de l'ion affecte grandement la couleur.

Exemple 3 : Dans le grenat almandin (Fe 3 Al 2 Si 3 O 12 ), le fer ferreux se trouve dans un site octuple coordonné. Cela change l'absorption visible en une forte absorption du jaune, du bleu et du vert et une certaine absorption de l'orange. Le minéral présente ainsi une couleur rouge foncé (voir figure 4.62 de Klein, p. 160).

La fluorite pourpre est connue pour obtenir sa couleur des défauts de Frankel (anion F manquant). L'anion manquant peut résulter d'une exposition à un rayonnement de haute énergie (rayons X ou énergie plus élevée) ou d'une croissance dans un environnement déficient en fluor. Le trou vide était censé avoir une charge négative. Un électron, maintenu en place par le champ cristallin global, occupe donc le site. Cet électron peut occuper soit un niveau d'énergie de l'état fondamental, soit divers états excités. Le mouvement des électrons entre les états fondamental et excité peut provoquer une couleur ou une fluorescence optique. Le chauffage du cristal recuit ces défauts et la couleur s'estompe.

La substitution d'un cation avec une charge plus faible pour l'ion normalement présent, suivie de l'éjection d'un électron d'un anion adjacent, tel que l'oxygène, peut produire de tels trous. Dans le quartz fumé, Al 3+ peut se substituer à Si 4+ . Cela crée un déséquilibre de charge. Des niveaux élevés de rayonnement pendant une courte période, ou de faibles niveaux sur des périodes géologiquement significatives, peuvent expulser un électron d'une paire isolée sur un ion oxygène adjacent. Cela crée le "trou". L'électron restant a maintenant plusieurs états excités à sa disposition. Les transitions vers ces états peuvent absorber la lumière visible, créant de la couleur. Si Fe 3+ est substitué à Al 3+ , la couleur pourpre de l'améthyste en résulte.

Les mélanges mécaniques d'impuretés peuvent également provoquer une coloration des minéraux. L'hématite est un matériau de pigmentation commun, conférant une couleur rougeâtre aux minéraux comme le feldspath, la calcite et le quartz, variété de jaspe. La chrysoprase, une variété de couleur verte cryptocristalline, est généralement colorée en vert à cause de la chlorite. L'inclusion d'eau peut rendre le quartz laiteux. Le quartz laiteux est généralement formé à partir d'une solution hydrothermale. L'exsolution de minuscules aiguilles submicroscopiques de rutile provoque la diffusion de la lumière bleue et confère une couleur rose au quartz. Si les aiguilles sont plus grosses, la lumière rouge est diffusée et le résultat est du quartz bleu. La présence de carbone à grain fin, amorphe ou sous forme de graphite, peut provoquer une couleur grise à noire dans les minéraux incolores.

Les minéraux comme l'agate, qui sont assez poreux, sont sensibles à la coloration artificielle. Le trempage du minéral dans plusieurs solutions successives précipite de minuscules cristaux dans les pores de l'agate, la colorant.


De quelle couleur est la topaze ?

La topaze naturelle est translucide et incolore, tout comme le corindon naturel. La large gamme de couleurs de topaze disponibles est due soit à des traces d'impuretés naturelles, soit à des défauts structurels cristallins. La diversité des couleurs est également causée par les changements produits par l'industrie des pierres précieuses. La topaze est disponible dans une variété de couleurs allant du jaune, orange, gris, violet, bleu, noir, violet et vert.

La topaze incolore est assez courante et reçoit rarement une coupe éblouissante et est vendue en remplacement du diamant. En effet, l'une des pierres précieuses de topaze les plus célèbres au monde est une topaze incolore que l'on pensait à l'origine être un diamant.

Les couleurs les plus courantes de la topaze non traitée sont le jaune pâle, le brun et le gris. On trouve également des tons pastel de vert clair, violet et rose. La couleur de topaze la plus populaire est le bleu. En effet, la topaze bleue est la pierre de joaillerie vivace la plus vendue aux États-Unis.

La couleur de topaze la plus précieuse connue sous le nom de topaze impériale est une couleur orange à rose. La couleur exacte de la topaze impériale n'est pas bien connue, c'est pourquoi une large gamme de topazes orange doré, pêche et rose est proposée sous ce nom. Plusieurs gemmes de topaze rose pâle sont le résultat d'un traitement thermique.


Couleur de l'eau

L'eau pure est-elle vraiment claire ? Pas vraiment, même l'eau pure n'est pas incolore, mais a une légère teinte bleue. Dans le monde naturel, vous voyez souvent de l'eau qui n'est certainement pas claire. Les sédiments et les matières organiques colorent les nuances naturelles de l'eau de brun ou de vert. Et si trop de fer est présent, même votre eau potable peut avoir une teinte brune. Lisez la suite pour étudier la couleur de l'eau dans l'environnement.

Il est peut-être vrai qu'un peu de couleur dans l'eau ne la rend pas nocive à boire. mais cela le rend certainement peu attrayant à boire. Ainsi, la couleur de notre eau est importante lorsqu'il s'agit de la boire, ainsi que dans l'eau pour d'autres usages domestiques, industriels et dans certains environnements aquatiques.

"Envie d'une tasse d'eau délicieuse ?
C'est juste un peu de fer ferreux en suspension !
"

Crédit : Petr Kraatochvil, images du domaine public

Couleur et eau potable

Si vous avez déjà bu de l'eau contenant un peu de fer, vous le sauriez grâce au goût métallique laissé dans votre bouche. Les produits chimiques dissous dans l'eau potable peuvent être moins que souhaitables. La couleur de l'eau potable peut être causée par des matières dissoutes et en suspension, et une nuance brune dans l'eau provient souvent de la rouille dans les conduites d'eau. Although water can contain contaminants, which are usually removed by water-supply systems, the plus side is that the water you drink likely contains a number of dissolved minerals that are beneficial for human health. And, if you have ever drunk "pure" water, such as distilled or deionized water, you would have noticed that it tasted "flat". Most people prefer water with dissolved minerals, although they still want it to be clear.

Have you ever gotten a glass of water from your faucet and the water is milky white water or hazy? This is almost always caused by air in the water. To see if the white color in the water is due to air, fill a clear glass with water and set it on the counter. Observe the glass of water for a minute. If the white color is due to air, the water will begin to clear at the bottom of the glass first and then gradually will clear all the way to the top. This is a natural phenomenon and is caused by dissolved air in the water that is released when the faucet is opened. When you relieve the pressure by opening the faucet and filling your glass with water, the air is now free to escape from the water, giving it a milky appearance for a few minutes.

Air bubbles and pressure in water lines can make your drinking water look
cloudy. for a few seconds.

An indoor swimming pool appears blue from above. as light reflecting from the bottom of the pool travels through enough water that its red component is absorbed. The same water in a smaller bucket appears colorless.

Pure water and color

Is pure water really clear? First, you won't find truly pure water in a natural setting. The water you see every day contains dissolved minerals and often suspended materials. But, for practical purposes, if you fill a glass from your faucet the water will look colorless to you. The water is in fact not colorless even pure water is not colorless, but has a slight blue tint to it, best seen when looking through a long column of water. The blueness in water is not caused by the scattering of light, which is responsible for the sky being blue. Rather, water blueness comes from the water molecules absorbing the red end of the spectrum of visible light. To be even more detailed, the absorption of light in water is due to the way the atoms vibrate and absorb different wavelengths of light. The details are beyond the scope of this Web site, but Webexhibits explains this in much more detail.

Color and water in the environment

Color in water you see around you can be imparted in two ways: dissolved and suspended components. An example of dissolved substances is tannin, which is caused by organic matter coming from leaves, roots, and plant remains (picture below on the left). Another example would be the cup of hot tea your grandmother has in the afternoon. In the picture below the color is probably attributable to naturally dissolved organic acids formed when plant material is slowly broken down by into tiny particles that are essentially dissolved in the water. If you filtered that tannin-water in the picture the color would probably remain.

Natural water will never be totally clear, but will have some amount of color.

Most of the color in water you see around you comes from suspended material (pictured above on the right) of a tributary contributing highly-turbid water containing suspended sediment (fine particles of clay) to clearer, but still colored, water in the main stem of the river. Algae and suspended sediment particles are very common particulate matter that cause natural waters to become colored. Even though the muddy water would not be appealing to swim in, in a way that water has less color than the water containing dissolved tannins. That is because suspended matter can be filtered out of even very dirty-looking water. If the water is put into a glass and left to settle for a number of days, most of the material will settle to the bottom (this method is used in sewage-treatment facilities) and the water will become clearer and have less color. So, if an industry needed some color-free water for an industrial process, they would probably prefer sediment-laden water over tannin colored water.

Suspended material in water bodies may be a result of natural causes and/or human activity. Transparent water with a low accumulation of dissolved materials appears blue. Dissolved organic matter, such as humus, peat or decaying plant matter, can produce a yellow or brown color. Some algae or dinoflagellates produce reddish or deep yellow waters. Water rich in phytoplankton and other algae usually appears green. Soil runoff produces a variety of yellow, red, brown and gray colors.

High dissolved iron in the tap water has, over time, stained the porcelain in the sink.

Effects of color on ecosystems

Highly colored water has significant effects on aquatic plants and algal growth. Light is very critical for the growth of aquatic plants and colored water can limit the penetration of light. Thus a highly colored body of water could not sustain aquatic life which could lead to the long term impairment of the ecosystem. Very high algal growth that stays suspended in a water body can prevent light penetration as well as use up the dissolved oxygen in the water body, causing a eutrophic condition that can drastically reduce all life in the water body. At home, colored water may stain textile and fixtures and can cause permanent damage, as the picture of the sink shows.


Colored Diamonds at $800/carat

Element Six, a De Beers-owned company, has been producing synthetic diamond for experimental and industrial purposes since the 1980s. Although De Beers has historically only sold natural diamonds for use in jewelry, in 2018 they surprised the gem and jewelry industry by breaking that tradition. In September 2018 they began selling a collection of synthetic diamond jewelry under the Lightbox trademark. They distinguished their products from natural diamonds by calling then lab-grown diamonds.

Lightbox Jewelry features pink, blue, and colorless lab-grown diamonds for the previously unheard-of price of $800 per carat. These are all sold without grading or laboratory reports. They do not have the lab-grown diamonds graded for two reasons: 1) to minimize the cost of the product and, 2) they do not believe that lab-grown diamonds require grading. The goal is to sell them inexpensively for any occasion and for everyday wear.

At a price of only $800 per carat, almost anyone who wants a colored lab-grown diamond can afford one. Customers can purchase lab-grown blue or pink diamond solitaire stud earrings starting at $250 per pair. For $250, each earring contains a 1/8-carat lab-grown diamond set in 10-karat white gold.

In May, 2019, Stephen Lussier, a De Beers executive, reported that Lightbox's early sales have been mostly their pink and blue products. The company believes that this is happening because the buyers want "color". They are also selling all of the Lightbox jewelry that they have the ability to produce. [13] In the autumn of 2020, Lightbox opened their new factory in Gresham, Oregon, and it will soon be producing up to 200,000 carats per year. [14]

Mr. Lussier was asked if Lightbox was "cannibalizing the lower end of the diamond market". His reply was "Not significantly. We are selling in a category where it's competing largely with non-diamond jewelry. [We] are actually in a different market segment from a diamond perspective, and there is minimal cannibalization. It will affect some of the semiprecious, the low-end colored stones. But at the end of the market it's mostly color." [13]


Voir la vidéo: Department of Earth Sciences, ETH Zurich, Switzerland