4. elıadás A KRISTÁLYFIZIKA ALAPJAI
KRISTÁLYFIZIKA ANIZOTRÓPIA – IZOTRÓPIA JELENSÉGE Izotrópia (irányok szerint egyenlı): ha a fizikai sajátságok függetlenek az iránytól. Ide tartoznak a köbös rendszerbe tartozó kristályok.
Anizotrópia (irányok szerint nem egyenlı): ha a fizikai sajátságok függnek az iránytól. Ilyenek az összes többi kristályrendszerbe tartozó kristályok. 1/ Triklin, monoklin és rombos rendszereknél: a tér mindhárom irányában eltérıek (háromtengelyő ellipszoid). 2/ Fıtengelyes rendszereknél: a melléktengelyek irányában megegyeznek, a fıtengely és a melléktengelyek között folyamatosan változnak (rotációs ellipszoid). 3/ Köbös rendszerben: a tér minden irányában azonosak (gömb).
1
2
3
SŐRŐSÉG A sőrőség térfogategységben foglalt tömegmennyiség. ρ = m/V (g/m3). Nem irányfüggı, ezért skaláris sajátság. A sőrőség alapvetıen a kristályokat alkotó atomok, ionok tömegétıl, a rácsszerkezeti elrendezéstıl, fıként a kristályszerkezettıl függ. A sőrőség meghatározásának nagy jelentısége van a drágaköveknél.
izomorf ásványok sőrőségértékeinek változása a kation tömegének függvényében
polimorf ásványok sőrőségértékei gyémánt
3,52
grafit
2,23
α-kvarc
2,65
aragonit
CaCO3
40,08
2,94
strontianit
SrCO3
87,62
3,78
β-kvarc
2,53
witherit
BaCO3
137,34
4,31
coesit
3,01
cerusszit
PbCO3
207,19
6,58
stishovit
4,30
MECHANIKAI TULAJDONSÁGOK Minden kristályos anyag rugalmasnak tekinthetı egy határig (ez a deformáló erık nagyságától és a kristályos anyag sajátságaitól függ).
Plasztikus deformáció: a deformáló erı hatására létrejövı maradandó alakváltozás, melynek során azonban a kristályok folytonossági összefüggései megmaradnak. A kristályok plaszticitása (képlékenysége) két elemi folyamatra vezethetı vissza: mechanikai transzláció (párhuzamos elmozdulás) és mechanikai ikerképzıdés (ikersiklatás).
gipsz plaszticitása
kısó plaszticitása
MECHANIKAI TRANSZLÁCIÓ A rugalmas alakváltozás határát meghaladó erı hatására plasztikus deformáció jön létre. A rácsrészek meghatározott síkok mentén párhuzamosan elmozdulnak. A transzláció síkját és irányát a kristályrács felépítése szabja meg.
jég
kısó
antimonit
MECHANIKAI IKERKÉPZİDÉS Ikerkristályok kialakulása mechanikai behatásra (kalcit ikersiklatása). Mivel a siklatás a kristályrács síkjaihoz képest szimmetrikusan történik, ikerkristály (ún. nyomási iker) jön létre.
Nyomási ikrek esetén gyakori a
poliszintetikus ikerképzıdés.
poliszintetikus kalcitkristályok márványban
HASADÁS Ha mechanikai behatásra (pl. ütés, nyomás) kristálytani irányoktól függı, meghatározott síkok mentén, önálló részekre esik szét a kristály, hasadásról beszélünk. A hasadás milyensége közvetlen összefüggésben van a kristályszerkezettel. A hasadáskor keletkezı sík neve: hasadási lap. Csak térrácsszerkezettel rendelkezı kristályos anyagnak lehet hasadása!
kalcit romboéderes hasadása
KRISTÁLYSZERKEZET és HASADÁS KAPCSOLATA
kalcit
kısó
HASADÁS A hasadási lap minısége szerint lehet: – kitőnı (jól tükrözı lapok: csillámok, gipsz) – jó (gyengébben tükrözı hasadási lapok: földpátok, barit, amfibolok) – rossz (nyomokban vagy nem észlelhetı hasadási lap, turmalinok, gránátok, kvarc)
kitőnı (csillámok)
jó (amfibolok)
rossz (kvarc)
TÖRÉS Ha mechanikai behatásra kristálytani irányoktól függetlenül (ellentétben a hasadással), egyenetlen felületek mentén önálló darabokra esik szét a kristály, törésrıl beszélünk. A töréskor keletkezı szabálytalan felület a törési felület. A törési felület lehet: – sima (többé-kevésbé sík felület) – egyenetlen (szabálytalan felület) – kagylós (a kagyló héjához hasonlóan ívelt felület) – szálkás (kisebb-nagyobb szálkák állnak ki rajta) – földes (porszerő, morzsalékos a felület).
a hasadás és törés közötti különbség szemléltetése
opál kagylós törése
KEMÉNYSÉG A keménység az az ellenállóképesség, melyet a kristály a mechanikai behatásokkal szemben kifejt. A keménység vektoriális sajátság. A keménység alapvetıen a rácsszerkezettıl, a rácsban lévı kationok és anionok nagyságától, elrendezésétıl, a rácstömöttségtıl, illetve a kémiai kötésektıl függ (gyenge kötések kisebb keménységet eredményeznek). Meghatározása történhet karcolással (pl. Mohs-féle keménységi skála), csiszolással, fúrással, illetve nyomással (Vickers-féle keménység).
KEMÉNY (7-es vagy nagyobb) ÉS PUHA (3 alatti) ÁSVÁNYOK gyémánt
berill (smaragd)
korund (rubin)
gipsz
molibdenit
TERMIKUS TULAJDONSÁGOK A kristályok termikus viselkedése vektoriális sajátság. A hıvezetés függ a kristályrácstól, a tömegpontokkal sőrőbben terhelt irányokban jobb (grafit, csillámok példája). A hıvezetés anizotrópiája az oka a kızetek fizikai mállásának. A kristályok olvadáspontja nagymértékben függ a kristályrácsban lévı kötıerıktıl. Csak azoknak a kristályoknak van határozott olvadáspontjuk, melyeknek az összetétele olvadékban is ugyanaz, mint szilárd halmazállapotban. Az izomorf elegykristályoknak nincs határozott olvadáspontjuk. A kristályvizet tartalmazó ásványok hevítésre elveszítik víztartalmukat. A szulfidok kéntartalmukat, míg a karbonátok hevítése közben széndioxid szabadul föl. Egyes ásványok hevítése közben hı szabadul föl (exoterm folyamat), másoknál hı nyelıdhet el (endoterm folyamat).
MÁGNESES TULAJDONSÁGOK A mágnesesség vektoriális sajátság (tehát irányfüggı). A mágneses szuszceptibilitást (ξ) alapul véve - ami ξ = M/H, ahol M a mágneses momentum, H a mágneses térerı - a kristályokat három csoportba soroljuk: – diamágneses kristályok: ξ < 0. Ezeket a mágnes taszítja (kısó, kalcit, réz, jég). – paramágneses kristályok: ξ > 0. Ezeket a mágnes vonzza, átmenetileg mágnesezhetık (sziderit, ilmenit, hematit). – ferromágneses kristályok: ξ >> 0. Ezek a kristályok maguk is aktív mágnesek (magnetit = mágnesvaskı).
Mágneses domének szabálytalan és szabályos elrendezıdése (utóbbi eset mágneses tér hatására jön létre) ferromágneses kristályban
ELEKTROMOS TULAJDONSÁGOK Az elektromosságot a fémrácsú kristályok jól vezetik a szabadon mozgó elektronok révén. Vezetıképességük magasabb hımérsékleten azonban csökken. Azok a kristályok, melyek (a fémekkel ellentétben), abszolút 0 fok körül szigetelık, a hımérséklet emelkedésével pedig rohamosan növekvı vezetıképességre tesznek szert, a félvezetık (galenit, kuprit, Si, Ge). Az atomrácsú és molekularácsú kristályok rosszul, vagy nem vezetik az elektromosságot. Az ionrácsú kristályok nem vezetik az elektromosságot, azonban olvadékukban vagy oldatukban vezetık.
TERMOELEKTROMOSSÁG Ha két, egymással szorosan érintkezı fém vagy félvezetı szabad végét fémdróttal összekötjük és az érintkezési helyet hevítjük, a dróton elektromos áram halad át. Termoelem elıállítható fémekbıl és bizonyos szulfidokból.
PIROELEKTROMOSSÁG Olyan nem vezetı, szimmetriaközpont nélküli kristályok mutatnak ilyen sajátságot, melyeknek egy poláros szimmetriatengelyük van. Ha a turmalin kristályait hevítjük, a poláros fıtengely egyik végén pozitív, a másik végén negatív elektromos töltést nyer.
PIEZOELEKTROMOSSÁG Szimmetriaközponttal nem rendelkezı kristályok határfelületein, a kristály megfelelı deformálásakor ellentétes elıjelő töltések lépnek föl. A kvarckristályok esetén az egyik poláros melléktengelyre merılegesen kivágott lemezre, ha a poláros melléktengely irányában nyomást gyakorolunk, a lemez egyik lapján pozitív, másik lapján negatív elektromos töltést nyer (kvarcóra elve).
RADIOAKTÍV TULAJDONSÁGOK Radioaktív tulajdonságokat egyrészt a radioaktív elemeket tartalmazó ásványok mutatnak (kb. 350 ásvány), másrészt azok, melyek szerkezetébe kis mennyiségben beépülhet radioaktív elem (fıként urán és tórium. A radioaktív sugárzás roncsolja a kristályszerkezetet. Metamikt átalakulás: a kristályszerkezet bomlásnak indul, idıvel teljesen megsemmisül. Ezt a kristály sötétedése is jelezheti.
Metamikt átalakulás cirkonkristályban radioaktív sugárzás hatására
Pleokroós udvar: a kristály körül
körkörös elszínezıdés látható.
A kristályok képzıdési korának meghatározása: – radiometrikus kormeghatározás izotópok mennyiségének a mérése alapján, – radiometrikus kormeghatározás a metamikt átalakulás nagysága alapján (hasadvány-nyom = fission track kormeghatározás)
KRISTÁLYOK A FÉNYBEN
Mi történik, ha fény jut a kristály felszínére? – visszaverıdik (ez okozza a kristályok fényét) – megtörik, szétszóródik (ez okozza részben a kristályok színét) – áthalad rajta, vagy elnyelıdik (ez határozza meg az átlátszóságot és részben a színt).
KRISTÁLYOK A FÉNYBEN: TÖRÉSMUTATÓ • Valamely anyag törésmutatója egyenlı a fény közegbeli sebességének reciprokával: n = 1/v. • Azok az ásványok, melyek törésmutatója 1,5 alatti gyenge, amelyeké 1,5–1,75 között van közepes, és amelyeké 1,75 fölött van erıs fénytörésőek (a gyémánté 2,42). • A törésmutató minden ásványnak jellemzı állandója.
• Optikailag izotróp közegben a törésmutató minden irányban azonos (köbös rendszerő ásványok).
• Optikailag anizotróp közegben, a törésmutató szempontjából is, eltérıen viselkednek a fıtengelyes rendszerekben, illetve a triklin, monoklin és rombos rendszerekben kristályosodó ásványok.
FÉNY TERJEDÉSE KRISTÁLYOKBAN A fény izotróp és anizotróp közegben eltérıen viselkedik. Izotróp anyagokban a fény hullámfelülete mindig gömb, míg anizotróp anyagokban – bizonyos irányokat kivéve – ellipszoid. Kalcit esetén minden irányban két hullámfelület halad, ez a kettıstörés jelensége. A két hullámfelület egyike gömb, a másik ellipszoid. A két felület két pontban érintkezik egymással, ez az irány az optikai tengely iránya. A kettıstörés esetén a beesı fénysugár két sugárra bomlik, egyik a rendes (ordinárius) sugár, másik a rendkívüli (extraordinárius) sugár.
kettıstörés elve
kalcit kettıstörése
AZ ÁSVÁNYTANI MIKROSZKÓP A forgatható tárgyasztalra helyezett vékonycsiszolatot (kb. 0,03 mm vastagságú ásványlemezt), átesı, lineárisan poláros fényben vizsgálunk. Az alsó nikollal, vagy polarizátorral (4) elıállított poláros fény áthalad a vékonycsiszolaton, az objektíven (8), majd a felsı nikolon vagy analizátoron (9), végül az okuláron (1) át a szemünkbe jut. Ha az analizátort a polarizátorral azonos helyzetbe iktatjuk a fény útjába (párhuzamos nikol állás), és a tárgyasztal üres, a látótér világos marad. Ha az analizátort a polarizátorhoz képest 90 fokkal elfordítjuk (keresztezett nikol állás), az analizátorból nem lép ki fény, mert az e sugár úgy viselkedik mint o sugár, és teljes visszaverıdést szenved.
A KRISTÁLYOK FÉNYE A kristályok fénye fényvisszaverıdési képességüktıl (R) függ. A kristályok fénye legjobban akkor érvényesül, ha a felület sima (kristálylapok, jó hasadási lapok, vagy polírozási felszín). A visszavert fény erıssége szerint a kristályok fénye: erısen fénylı, kevésbé fénylı és fénytelen (matt). A visszavert fény sajátságai szerint lehet: fémfényő (ahol az R nagy), félig fémfényő és nem fémfényő (R általában kicsi). A nem fémfényő ásványok között az alábbi típusokat különböztetjük meg: gyémántfény, üvegfény, zsírfény, viaszfény, gyantafény, gyöngyházfény, selyemfény.
üvegfény
fémfény
A KRISTÁLYOK ÁTLÁTSZÓSÁGA A kristályok átlátszósága attól függ, hogy milyen mértékben engedik át a fényt. Az átlátszóság szempontjából a legfontosabb fogalmak: – átlátszó: ha a fény legnagyobb részét átengedi. – áttetszı: ha a fényt csak részben engedi át. – átlátszatlan: ha a fényt nem engedi át. Az átlátszatlan ásványok egy része csak makroszkóposan viselkedik így, de vékony lemezei áttetszıek lehetnek. Más részüknél a vékony lemezkék is átlátszatlanok, ezek az opak ásványok.
A KRISTÁLYOK SZÍNE A kristályok színét alapvetıen a szelektív abszorpció (a fehér fény komponenseinek eltérı elnyelése) okozza. Ha a fehér fény minden hullámhossza áthalad a kristályon, akkor az színtelen. Ha a fehér fény minden hullámhosszát elnyeli nincs fényátbocsátás, a kristály fekete színő. Ha viszont a különbözı hullámhosszúságú komponenseket nem egyenlı mértékben nyeli el, akkor szelektív abszorpció áll fönn. Ilyen esetben az ember az elnyelt komponensek kiegészítı színeit észleli.
rubin abszorpciós spektruma
A KRISTÁLYOK SZÍN- és FÉNYJÁTÉKA A kristályok színét a fénytörés és a fényszóródás is befolyásolhatja. – macskaszemhatás (finom szálas kristályoknál ismert) – csillaghatás (orientáltan elhelyezkedı zárványok okozzák) – labradorizálás, holdfényhatás (szételegyedési lemezek általi interferenciaszínek okozzák) – csillogás (kristálylappal párhuzamosan elhelyezkedett csillám- vagy hematit-pikkelyek okozzák) – irizálás (felületi filmszerő bevonatként jelentkezik)
kvarc (macskaszem)
csillagrubin
labradorit
albit (holdkı)
A KRISTÁLYOK CSOPORTOSÍTÁSA SZÍNÜK ALAPJÁN Idiokrómás (sajátszínő) kristályok Színes kristályok: színük jellegzetes, általában csak árnyalatokban különbözik. Színük a kémiai alkotók elektronszerkezetére vezethetı vissza: rézionok zöld vagy kék színek, vasionok zöld vagy barna színek.
Színtelen kristályok: kémiailag tiszta, rácshibáktól, zárványoktól, szételegyedésektıl mentes állapotban színtelenek (kvarc, gyémánt, földpátok).
A KRISTÁLYOK CSOPORTOSÍTÁSA SZÍNÜK ALAPJÁN Allokrómás (idegen színő vagy színezett) kristályok: nyomelemek, zárványok vagy rácshibák okozzák az eredetileg színtelen kristályok színét.
AZ ÁSVÁNYOK PORÁNAK SZÍNE Az idiokrómás és allokrómás ásványok általában megkülönböztethetık a poruk színe alapján. Amíg az idiokrómás kristályok színe hasonló a porának színéhez (csak világosabb árnyalatú), addig az allokrómás kristályok porszíne mindig fehér, tehát nem mutatja a kristály eredeti színét. Az ásványok porának ismerete sokszor jól felhasználható az azonosításukhoz.
vasokker cinóber Az idiokrómás ásványok porát évezredek óta festékek elıállításához használják.
PLEOKROIZMUS (TÖBBSZÍNŐSÉG) A szín is vektoriális sajátság. Egyes kristályoknak azt a jellegzetességét, hogy különbözı irányokból más és más hullámhosszúságú fényt abszorbeálnak, és így iránytól függıen más-más színt mutatnak pleokroizmusnak nevezzük. Ez a jelenség a legtöbb ásvány esetében csak vékonycsiszolatban figyelhetı meg. Azokat az irányokat, melyekben a színeltérés a legnagyobb, abszorpciós tengelynek nevezzük.
rombos piroxén
egy zoisitkristály 3 irányból
