Cristalografía óptica

Química. Minerales. Vibraciones armónicas. Luz. Color. Tornasolado. Asterismo

  • Enviado por: Ainara
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TEMA 9:CRISTALOGRAFÍA ÓPTICA.

La luz son vibraciones armónicas caracterizado por:

Longitud de onda: es la distancia entre dos puntos consecutivos de igual valor y dirección ()

Amplitud: es el máximo desplazamiento de la vibración a ambos lados de la posición de equilibrio. (A)

Velocidad: espacio recorrido/ unidad de tiempo (V)

Frecuencia: (V) número de ondas que pasan por un punto en un segundo. Es inversamente proporcional a la longitud de onda

Las vibraciones armónicas tienen una longitud de onda entre 360m y 770m que pertenece a la luz visible. Es la luz blanca, es una mezcla.

Luz monocromática: está constituida por vibraciones de igual longitud de onda.

Aquellas que están restringidas a una sola dirección, en el espacio, se le llama “ luz polarizada”. La no polarizada viene representad por una especie de canoas, si le intercalamos una placa polarizada, está solo deja pasar vibraciones en una sola dirección. Cada onda vibra en torno a una recta que marca la dirección de propagación de dicha onda, llamado “ rayo luminoso”.

Las direcciones de propagación forman ángulos de 90º con el rayo luminoso.

Hay dos direcciones, una de propagación y en torno a ella está la dirección de vibración.

Todas las vibraciones que parten de un foco luminoso, se propagan en todas las direcciones posibles. A través de determinados mecanismos se pueden aislar haces de luz, donde sus direcciones coincidan “paralelas”. O que se corten en un punto son “convergentes”

Reflexión.

Cuando un rayo de luz incide sobre un cuerpo no opaco, una parte de esta luz se refleja en el aire. Si llamamos i al ángulo formado por la perpendicular a la superficie y el rayo luminoso y al que forma el rayo reflejado en dicha normal. Las leyes de la reflexión dicen: el ángulo de incidencia, es igual al ángulo de reflexión:

Los rayos incidentes y reflejados, se encuentran sobre el mismo plano.

Cuando la luz penetra en un vidrio, forman el rayo reflectado, que cambia de dirección (se dobla) y estas direcciones vienen relacionada por la ley de Snellius: la relación entre el seno del ángulo incidente y el seno del ángulo reflejado es una constante “índice de reflexión”.

Sen i / sen r = n

Estudios posteriores dicen que este índice es igual al cociente, entre la velocidad en el aire partido de la velocidad en el cuerpo.

La mayoría de los sólidos tienen un índice de: y va a depender de su composición y estructura cristalina.

En los gases, líquidos y amorfos y aquellos que cristalizan en el sistema cúbico, la velocidad de propagación es igual en todas las direcciones. Su índice también es igual. Estas sustancias son ópticamente isótropas.

Aquellos que cristalizan en el resto de los sistemas, la velocidad de propagación varía con su dirección de vibración y son ópticamente anisótropas.

En estas últimas se produce el fenómeno de la doble reflacción: si un rayo incide sobre superficie se producen dos rayos reflactados ( se desdobla) Ej: calcita.

Esos rayos son:

PO: rayo ordinario, sigue la ley de Snell, vibra perpendicular al plano que contienen al eje ternario.

PE: rayo extraordinario, no sigue el comportamiento esperado por la ley de Snell. Su dirección de vibración está contenida en el plano que contiene al eje ternario.

A cada rayo le corresponde una imagen. En estas sustancias al cambiar la dirección de vibración va a variar el índice de refracción ( dos velocidades distintas)

Birrefringencia: es la diferencia entre los dos índices. Siendo un valor tan pequeño que a veces es inobservable.

En la calcita transparente este valor es de 0'17 (valor alto) y por eso son observable las dos imágenes.

Con el índice de refracción y la estructura cristalina podemos hablar de la indicatriz óptica, que es la figura que resulta de dibujar en el cristal rectas que parten del centro del cristal, en todas las direcciones, siendo su longitud proporcional a los índices de refracción que corresponden a las distintas direcciones. Dando lugar a una superficie distinta en cada caso:

Sustancia isótropa: obtenemos una esfera.

Sustancia anisótropa:

- sustancia que cristaliza en el sistema trigonal, tetragonal y hexagonal, cuya indicatriz óptica es una elipse de dos ejes. La dirección de propagación paralela al eje, será perpendicular a la dirección de vibración que es paralela a la sección circular. La sección perpendicular al eje será siempre isotrópica.

La dirección de isotropía se dice que es el eje óptico de estos cristales. Estos cristales se denominan Uniaxicos.

- Sustancias que cristalizan en el sistema monoclínico, triclínico y rómbico ( los tres parámetros unidad distintos) la indicatriz óptica será una elipsoide de tres ejes, con tres índices diferentes. Tenemos dos direcciones de isotropía paralelos, dos ejes ópticos. Estos cristales se denominan Biaxicos.

La dirección de la indicatriz óptica en un cristal se relaciona con la simetría, en los cristales Uniaxicos, el eje óptico coincide con el eje ternario, senario o cuaternario.

En los cristales Biaxicos, estos ejes coinciden con los tres ejes del cristal. En el sistema rómbico coinciden con los tres ejes cristalográficos.

De ahí que exista una estructura relacionada entre índices de refracción y la estructura cristalina; utilizándolos para determinar el sistema cristalino al que pertenece.

Color: los minerales absorben determinadas longitudes de onda. El color del mineral depende de la longitud de onda que absorba. Las causas que lo producen son variadas y complejas.

  • La composición química, como la malaquita que tiene verdes y azules.

  • Tipos de enlace, como es el caso del grafito que es negro y el diamante que es incoloro, que tienen distinto color debido a que son distintos los enlaces que los forman.

  • Procesos electrónicos:

  • transición del campo de cristales: transición electrónica que tiene lugar entre orbitales 3d parcialmente llenos y que son las más comunes en aquellos minerales que contienen elementos que pertenecen a la primera transición: Cu, Ni... Los electrones de estos orbitales pueden ser fácilmente excitados por cuantos de energía de la luz visible, produciendo saltos en los distintos niveles colores. En los compuestos iónicos, cuyos componentes tienen una configuración electrónica de gas noble, son casi siempre incoloros. Esto se debe a que la variación de energía entre orbitales p y los siguientes era considerable ( la energía de la luz no es suficiente para excitar un electrón)

  • transición en orbitales moleculares; transferencia de carga: esto se presenta en aquellos minerales en que los electrones de valencia efectúan un movimiento de vaivén entre los iones adyacentes. En este caso, los electrones contribuyen a los orbitales moleculares compartidos, los electrones deslocalizados en esos orbitales y no pertenecen a un determinado orbital atómico( no están centrados en los átomos) Por ello, una consecuencia de esto, es la transferencia de carga entre iones, dando lugar a la coloración de los minerales. Existe una variedad del Corindón (azul) que tiene Ti y Fe2 cuyas transferencias de cargas entre ellos, hace al cristal incoloro. Pero pequeñas cantidades de estos elementos producen una coloración azul en el zafiro.

  • Los centros de color: coloración debida a los defectos estructurales que reciben el nombre de centros de color o centros F ( farbe = color) En estos minerales, la estructura tiene un exceso de electrones. Estos electrones han sido liberados de cualquier átomo y queda atrapado en algún defecto estructural, como un hueco o puede existir un mineral con un ión ausente, o una pureza intersticial. La ausencia de un electrón produce también este efecto. Estos defectos pueden producir incoloración, como es el caso de la fluorita violáceo, que pasa a fluorita púrpura debido a la existencia de un ión fluoruro que ocupa una vacante.

  • Para que se de una determinada coloración se necesita una clase de activación mediante luz o cualquier otro tipo de radiación. Ej: cuarzo y material radiactivo da un cuarzo ahumado (gris) cuya coloración se produce por la formación de sílice libre.

    La importancia radica en que muchas gemas al irradiarlas con rayos X, su coloración se intensifica.

    • Ideocromáticos: minerales cuya coloración es constante.

    • Alocromáticos: minerales cuya coloración varia con las impurezas. Ej: óxidos de hierro dan una coloración rojiza al cuarzo; la pirolosita, óxido de manganeso, produce una coloración negra o grisáceo.

    • Pseudocromáticos: su coloración no es auténtica, sino debido a procesos físicos.

    Iriscencia o irisación.

    La interferencia de la luz sobre superficies o interior del mineral, puede producir una serie de colores que varían con el ángulo de la luz incidente.

    Este fenómeno aparece en el Ópalo (sílice amorfo) Aparecen plaquitas imprecisas de colores variados sobre un fondo negro o blanco que se desplazan al mover el mineral, “juego de colores”.

    Dichas placas no existen, sino que son zonas con distintos colores a otras ( no tiene que ver con la estructura cristalina), Así el ópalo, cuando se observó por el microscopio, se vio que estaba formado por esferas de sílice amorfo que contenía cantidades variables de agua. Dichas esferas estaban cementadas por el sílice amorfo, pero formando parches, regularmente distribuidas, se comportan como una red de difracción.

    Este ordenamiento es el que produce interferencias entre la luz incidente.

    Algunos minerales metálicos (limonita, calcopirita...) presentan una irisación semejante a la de las pompas de jabón, viendo diversos colores del arco iris, en las fracturas de los minerales. Estos colores se deben a interferencias de la luz reflejada por partículas superficiales originadas por la oxidación o alteración de un mineral.

    Al producirse la reflexión de la luz, se producen interferencias que son las que podemos observar y con las que identificamos a los minerales.

    Tornasolado y asterismo.

    En algunos minerales con apariencia sedosa a la luz, que es debido a fibras o tienen inclusiones o cavidades ordenadas.

    Cuando realizamos un corte convexo de este mineral, al incidir la luz, se absorbe una banda luminosa perpendicular a las fibras, o a lo que está orientado; y esto se desplaza a medida que movemos el cristal. Como consecuencia, las difracciones que se producen por las fibras orientadas forman el tornasolado.

    Existen algunos cristales con simetría hexagonal en que las inclusiones se ordenan según las tres direcciones cristalográficas, es decir, las inclusiones forman ángulos de 120º. Cuando esto ocurre, observamos en el cristal un tripe tornasolado, viendo una estrella luminosa de seis puntas. Recibe el nombre de asterismo. Ej: corindón, condición de superficie convexa y además pulimentada

    Luminiscencia.

    Toda emisión de luz, que no procede de haber llevado al mineral a estado incandescente ( energía radiante en forma de luz sin haberlo calculado) esta

    irradiación se debe a que cuando irradiamos el mineral con rayos X o ultravioletas, los iones absorben una energía radiante y la liberan en forma de luz. La emisión de luz durante la radiación, recibe el nombre de fluorescencia. Cuando la emisión continua después de la radiación, recibe el nombre de fosforescencia.

    Ambos fenómenos están ligados a la presencia de alteraciones en el retículo cristalino del mineral. Ej: iones extraños que funcionan como activadores, como la Scheelita, puede ocurrir que el calcio se sustituya por el Pb y el Wo por el Mo. Estas variedades presentan el fenómeno de luminiscencia.

    La diferencia entre fluorescencia y fosforescencia va a depender de nuestra capacidad para observar estos fenómenos.