La lumière est un "objet physique" complexe défini par des propriétés physiques et quantiques précises. La lumière est désignée par un photon, mais ce n'est en réalité ni un objet comme un atome (même si la représentation du photon tend à le faire penser), ni quelque chose de visuellement identifiable. Quel que soit le moyen d'émission du photon, ce dernier est un tout, une masse énergétique diffuse et intense se propageant en excitant les ondes électromagnétiques (se référer à la théorie quantique des champs pour plus de précisions) et ayant une vitesse en fonction du matériau qu'il traverse (vitesse de la lumière dans le vide).
La lumière telle qu'on la connaît est en fait une petite fourchette dans les fréquences électromagnétiques. Ces ondes interagissent plus ou moins avec la matière en fonction du niveau d'absorption de cette dernière. La notion de photon n'est là que pour imager l’interaction entre un rayonnement électromagnétique et de la matière, et l'utilisation de ce terme engendre encore aujourd'hui de nombreux débats dans les sphères scientifiques.
Percevoir la lumière et les couleurs.
La lumière est donc un ensemble de longueurs d'onde qui, cumulées, donnent la lumière blanche. L’œil humain est capable de percevoir cette lumière grâce à des cônes rétiniens sensibles à ces ondes sur les longueurs d'onde définies (le vert, le bleu, le rouge et "le gris"). La matière, quelle que soit sa composition, est plus ou moins capable de filtrer et d'absorber une partie des longueurs d'onde qui composent la lumière. Cela signifie aussi que la lumière non filtrée est alors soit réémise ("réflexion"), soit propagée ("réfractée" ou "diffractée"). L'objet va alors renvoyer une lumière qui manque la quasi-totalité ou une partie du spectre de longueurs d'onde, spectre que notre œil va alors interpréter en couleur en calculant les niveaux de lumière manquants. Si toutes les longueurs d'onde sont absorbées ou en partie absorbées, il en résultera alors une coloration allant du blanc au noir.
Une lumière composée de plusieurs longueurs d'onde est dite polychrome, une lumière composée uniquement d'une longueur d'onde précise est dite monochrome. La lumière a un mélange dit additif, contrairement à un mélange de peinture (vert, bleu et rouge pour former toutes les couleurs, alors que pour les peintures, il faudra du cyan, du magenta et du jaune).
La lumière et les couleurs en minéralogie
La couleur des minéraux
Vous l'avez compris, la couleur de tout objet provient de sa capacité à absorber le reste des couleurs. En fonction de la composition, aussi bien atomique que microscopique, de notre minéral, l'agencement des particules filtrera plus ou moins les couleurs. Certains composés auront des couleurs connues et référencées, souvent des métaux, car leur organisation électronique permet une plus grande fluidité (exemple : le cuivre est bleu, le fer est vert, violet ou marron, le cobalt est rose ou cyan, le nickel est vert, etc.). À noter que l'emplacement des éléments dans une molécule complexe peut grandement modifier ses propriétés d'absorption et donc la couleur renvoyée. Les impuretés et oxydes dans un minéral peuvent également largement influer sur sa couleur.
Phénomène d’irisation
Certains minéraux et certaines surfaces peuvent être sujettes à l'irisation. À l'image d'un prisme, d'une bulle de savon ou de la face d'un CD, la lumière qui interagit avec la matière se voit diffractée (se référer à la partie 2). Dès lors, en fonction de l'angle de vue ou de l'épaisseur variable de la surface de l'objet, ce dernier semble renvoyer de nombreuses couleurs comme un arc-en-ciel. Cela arrive principalement quand une couche d'oxyde déposée en surface a soit son indice d'absorption, soit son indice de réfraction, qui varie en fonction de la densité de matière ou de son épaisseur. Cela arrive aussi parfois lorsque le minéral possède des inclusions comme de l'eau, de l'huile ou du gaz. Le changement répété de milieu que la lumière va traverser peut entraîner une décomposition de lumière.
Émission de lumière, photoluminescence
L'un des nombreux modes d'émission de la lumière est la photoluminescence. Comme son nom l'indique, c'est la capacité pour une matière d'émettre de la lumière à partir de l’énergie d'un photon. Les atomes sont constitués de nuages d’électrons qui gravitent à une certaine distance de leur noyau. En général, ces électrons se trouvent de façon stable. Ils peuvent, au contact d'un photon, emmagasiner de l’énergie et grimper vers des couches électroniques plus hautes. Une fois chargés, ils ont tendance à se décharger plus ou moins rapidement en fonction des éléments (décharge lente pour la phosphorescence, décharge rapide pour la fluorescence). Là encore, la couleur émise dépend de la longueur d'onde du photon réémis et donc du niveau d'excitation/désexcitation des électrons. Les longueurs d'onde les plus efficaces pour cette tâche sont celles présentes dans les ultraviolets.
Le lustre d'un minéral
Le lustre, le reflet ou encore l'éclat est la brillance que renvoie un minéral. Il se qualifie par la quantité de lumière renvoyée par rapport à la quantité de lumière reçue. Il sert à identifier un minéral et sa cassure, et peut se subdiviser en plusieurs types. L'éclat métallique avec une forte réflexion et absorption, l'éclat submétallique avec une plus faible réflexion ainsi que les éclats non métalliques plus ou moins vitreux qui auront moins de réflexion mais aussi moins d'absorption lumineuse comme la nacre, le diamant, les silices, etc.
Émission en spectroscopie à rayons haute intensité
Dans les mêmes circonstances que pour le point précédent, la matière excitée par les ondes électromagnétiques puissantes comme les rayons X, la plupart des atomes vont nettement se charger en énergie et la relâcher. Dans le cas de la spectroscopie, la "lumière" émise n'est pas forcément visible, et l’émission peut varier en longueur d'onde en fonction des atomes. L'analyse précise des émissions et de leurs quantités peut alors rétrospectivement nous donner des informations sur les types d'atomes présents dans la matière et leur nombre, permettant alors une analyse chimique pondérale.
Spectroscopie émission/absorption avec la lumière
Pour finir avec la complexité de la lumière en elle-même, nous pouvons encore parler de la spectroscopie en général. Un peu moins utilisée pour la minéralogie, elle reste tout autant utile. Se basant sur tout ce qui a été dit précédemment, nous savons maintenant que tout matériau absorbe de la lumière et/ou en réémet. Dans le sens inverse, on peut donc déterminer quels éléments vont absorber quelles longueurs d'onde. Si la lumière que renvoie ou laisse passer un objet ou un minéral est filtrée ou décomposée par un prisme (se référer à la seconde partie), il est alors possible d'observer sur l'arc-en-ciel produit une présence ou une absence de bandes de couleurs appelées raies. On peut donc étudier les matériaux en utilisant de la lumière visible ou en les faisant émettre leur propre lumière en les chauffant, par exemple.
Autres modes d’émissions
Il y a d'autres moyens d'émissions lumineuses possibles pour les minéraux, les principaux étant les rayonnements de température et la lumière créée par action mécanique. Ces autres points seront traités dans d'autres documentations.
