Les minéraux offrent des couleurs d’une grande variété. Examinons les magnifiques cristaux que l'on trouve à l'état naturel et plus particulièrement les pierres dites précieuses ou fines. Leur nom scientifique est gemmes, et la science des gemmes est la gemmologie. La cause essentielle de la couleur des gemmes est l'absorption de la lumière, mais des causes physiques (diffusion, diffraction, interférences...) peuvent également intervenir.
Considérons d’abord l’absorption de la lumière dont on doit distinguer trois origines :
• la présence d'impuretés sous forme d'ions isolés ;
• le transfert de charge entre ions ;
• l’existence de défauts dans le cristal.
Les impuretés qui sont responsables
de la couleur sont des ions qui absorbent la lumière
dans le domaine visible. Ils sont peu nombreux et appartiennent
principalement à la famille des métaux
de transition : vanadium (V), titane (Ti), chrome
(Cr), manganèse (Mn), fer (Fe), cobalt (Co), nickel
(Ni), cuivre (Cu). Le plomb et les lanthanides
(dont l'ancien nom est terres rares) peuvent également
être impliqués. Dans des cas plus rares, l'ion
n’est pas métallique : l'ion S32–
par exemple est responsable de la couleur bleue de la lazurite,
le constituant principal du lapis-lazuli).
Un même ion peut produire des couleurs
différentes. En effet, l'absorption, donc la couleur
observée, dépend non seulement des caractéristiques
de l'ion (nature chimique, charge), mais aussi de son environnement
microscopique : nature et nombre d'atomes liés
(coordinence), intensité du champ cristallin. À
titre d’exemple, l'ion chrome Cr3+
est responsable de la couleur rouge des rubis et des grenats,
mais aussi et de la couleur verte de l'émeraude et
de l'alexandrite ; dans ces deux cas, la distance chrome-oxygène
n’est pas la même.
Un mécanisme particulièrement important est le transfert de charge : lors de l’absorption d’un photon, un électron passe dans une orbitale d'un autre atome que celui dont il est issu. Un tel transfert de charge a lieu soit entre ions métalliques (ex : saphir), soit entre l'oxygène et un ion métallique (ex : héliodore).
Dans certains cas, la couleur observée résulte non seulement de l’absorption de la lumière, mais aussi de l’émission de lumière consécutive à l’absorption. Il s’agit du phénomène de photoluminescence (fluorescence et parfois phosphorescence). La couleur éclatante du rubis est due à la fluorescence rouge qui l'emporte sur la couleur due à l'absorption.
Voyons maintenant les causes physiques de
la couleur. L'opale commune est constituée d’un
arrangement irrégulier de sphères microscopiques
de silice hydratée dont la taille est de l'ordre
de la longueur d'onde de la lumière. La diffusion
de la lumière (diffusion
Rayleigh) est responsable de l’opalescence
bleutée. Certaines opales présentent des couleurs
irisées qui dépendent de l'angle d'observation.
Ce phénomène s’explique par la diffraction
de la lumière par les sphères de silice qui
sont, dans ce cas, empilées régulièrement
en couches parallèles. En outre, d'une zone à
une autre, les sphères de silice n'ont pas toutes
le même diamètre, d'où des variations
de couleurs en surface. Dans l'opale de feu, la présence
d'ions Fe3+
colorent la matrice en rouge, d’où une réduction
de l'irisation.
La diffusion Rayleigh est également responsable de
la teinte bleutée de la "pierre de lune "
qui est constituée de fines lamelles de feldspath
sodique dont l'épaisseur est de l'ordre de la longueur
d'onde de la lumière.
Certains cristaux contiennent des inclusions
de bulles ou de microcristaux incolores dont la taille est
nettement supérieure à la longueur d'onde.
Leur apparence est laiteuse en raison de la diffusion
de Mie.
Bernard Valeur
Conservatoire National des Arts et Métiers
