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Jun 13, 2023

암석과 광물이 빛과 함께 작용하여 숨막히는 색상을 생성하는 방법

암석과 광물은 우리 주변 어디에나 있습니다. 일부는 아름다움으로 높이 평가되는 반면, 다른 일부는 너무 흔해서 쉽게 무시됩니다. 다양한 색상과 색조로 제공됩니다. 일부는 빛을 받고 일부는

암석과 광물은 우리 주변 어디에나 있습니다. 일부는 아름다움으로 높이 평가되는 반면, 다른 일부는 너무 흔해서 쉽게 무시됩니다. 다양한 색상과 색조로 제공됩니다. 일부는 빛을 받고, 일부는 빛을 구부리고, 일부는 심지어 깨뜨립니다.

그런데 왜 루비는 빨간색인 반면, 거의 동일한 화학식을 갖는 사파이어는 다양한 색상을 띠는 걸까요? 지구상에서 가장 풍부한 광물 중 하나인 석영은 왜 그토록 다양한 색상과 불투명도를 갖고 있습니까? 그리고 왜 일부 광물은 자신만의 무지개 세계를 만드는 걸까요? 이러한 질문에 대한 답은 암석이 분자 규모에서 어떻게 행동하는지와 몇 가지 흥미로운 물리학을 결합한 것입니다.

가장 깨끗하게 커팅된 루비, 사파이어, 에메랄드라도 불완전함으로 인해 화려한 색상을 얻습니다.

커런덤의 일종인 루비와 사파이어부터 시작해 보겠습니다. 이 광물은 산화알루미늄이 육각형 결정 구조로 단단히 채워질 때 형성됩니다. 순수한 형태의 커런덤은 투명합니다. 그러나 때때로 결정 격자 내에서 크롬 이온이 알루미늄 이온을 대체할 수 있습니다. 별로 시간이 걸리지 않습니다. 아마도 100개 중 1개의 원자만 대체될 수 있습니다. 그러나 결과적인 불완전성은 이제 크롬이 보석에 닿는 빛에서 녹색 또는 보라색 광자를 흡수하게 된다는 것을 의미합니다. 그러나 붉은 빛은 계속해서 투과되어 빛나는 루비색을 만들어냅니다.

앞서 언급했듯이 사파이어는 분홍색, 빨간색, 노란색, 금색, 보라색, 복숭아색, 샴페인색, 그리고 물론 파란색까지 다양한 색상으로 제공됩니다. 루비와 마찬가지로 사파이어도 커런덤 격자 내에서 알루미늄 이온이 대체되어 생성됩니다. 이번에는 철과 티타늄 이온(이온 10,000개 중 1개 정도)으로 대체됩니다. 특정 파장의 빛이 사파이어에 닿으면 흡수되어 전자가 철에서 티타늄 이온으로 이동합니다. 그 결과 블루 사파이어가 탄생합니다. 다양한 색상을 생성하려면 납, 코발트, 실리콘, 마그네슘 또는 크롬과 같은 다른 미량 원소가 사파이어에 존재해야 합니다.

크롬에 관해 말하자면, 무색 광물 베릴에 있는 알루미늄 이온의 1%를 크롬이 대체하면 매우 다른 일이 일어납니다. 이로 인해 빨간색과 노란색 빛이 흡수되어 풍부한 녹색 에메랄드가 생성됩니다.

특정 미네랄은 자외선을 조사하면 핫핑크, 생동감 넘치는 노란색, 외계인처럼 보이는 녹색 등 섬뜩한 색조로 빛납니다. 이 현상은 광물 내의 이온이나 특정 불순물(활성제라고 함)이 자외선 광자를 흡수하여 전자가 더 높은 에너지의 원자 궤도로 승격될 때 발생합니다. 전자가 바닥 상태로 돌아오면 바로 그곳으로 가지 않고 여러 가지 다른 에너지 궤도를 통해 전환됩니다. 이러한 전이 중 하나는 원자가 가시 스펙트럼에서 더 긴 파장의 광자를 방출하는 결과를 가져올 수 있습니다. 이런 일이 발생하면 광물은 형광이라는 과정을 통해 "빛납니다".

미네랄은 파란색(형석 및 회중석 등), 노란색(에스페라이트), 빨간색(스미소나이트), 보라색(인회석)을 포함한 다양한 색상으로 형광을 발합니다. 그 다음에는 블록 모양의 결정을 함유한 광물인 오튜나이트(autunite)가 있습니다. 우라늄 함량이 거의 50%에 달하며 밝은 녹색 형광을 발합니다.

어떤 돌에는 무지개 색깔이 들어 있는 것 같습니다. 예를 들어, 오팔은 보는 각도에 따라 다양한 색상으로 반짝입니다. 이 돌의 무지개빛은 작은 실리카 구의 배열과 관련이 있습니다. 이 구들 사이의 거리는 가시광선의 파장 수준으로 매우 작습니다. 이 때문에 빛을 구성 요소 색상으로 분리하는 일종의 회절 격자 역할을 합니다.

진주의 무지개 빛깔도 비슷합니다. 진주는 작은 모래 조각이나 기타 이물질이 조개 껍질에 들어갈 때 굴 안에 형성됩니다. 천천히, 탄산칼슘의 일종인 진주층으로 덮여있습니다. 진주층의 두께는 가시광선의 파장에 가깝습니다. 이 때문에 진주를 다른 각도에서 보면 빛이 진주 내의 여러 층에 반사됩니다.