4. előadás A KRISTÁLYFIZIKA ALAPJAI
KRISTÁLYFIZIKA ANIZOTRÓPIA – IZOTRÓPIA JELENSÉGE
Izotrópia (irányok szerint egyenlő): a fizikai sajátságok függetlenek az iránytól. Köbös rendszerbe tartozó kristályok. Anizotrópia (irányok szerint nem egyenlő): a fizikai sajátságok függnek az iránytól. Az összes többi kristályrendszerbe tartozó kristályok. 1/ Triklin, monoklin és rombos: a tér mindhárom irányában eltérőek (háromtengelyű ellipszoid). 2/ Főtengelyes rendszerek: a melléktengelyek irányában megegyeznek, a főtengely és a melléktengelyek között folyamatosan változnak (rotációs ellipszoid). 3/ Köbös rendszerben: a tér minden irányában azonosak (gömb).
1
2
3
SŰRŰSÉG A sűrűség térfogategységben foglalt tömegmennyiség. = m/V (g/cm3). Nem irányfüggő (skaláris) sajátság. A sűrűség a kristályokat alkotó atomok, ionok tömegétől, a rácsszerkezeti elrendezéstől, a kristályszerkezettől függ. A sűrűség meghatározásának nagy jelentősége van a drágaköveknél, jelentős tényező bizonyos ásványok dúsulásánál. izomorf ásványok sűrűségértékeinek változása a kation tömegének függvényében
polimorf ásványok sűrűségértékei gyémánt
3,52
grafit
2,23
-kvarc
2,65
aragonit
CaCO3
40,08
2,94
strontianit
SrCO3
87,62
3,78
-kvarc
2,53
witherit
BaCO3
137,34
4,31
coesit
3,01
cerusszit
PbCO3
207,19
6,58
stishovit
4,30
SŰRŰSÉG
MECHANIKAI TULAJDONSÁGOK Minden kristályos anyag rugalmasnak tekinthető egy határig (ez a deformáló erők nagyságától és a kristályos anyag sajátságaitól függ).
Plasztikus deformáció: a deformáló erő hatására létrejövő maradandó alakváltozás, melynek során a kristályok folytonossági összefüggései megmaradnak. A kristályok plaszticitása (képlékenysége) két elemi folyamatra vezethető vissza: mechanikai transzláció (párhuzamos elmozdulás) és mechanikai ikerképződés (ikersiklatás).
gipsz plaszticitása
kősó plaszticitása (sódóm képződése
MECHANIKAI TRANSZLÁCIÓ A rugalmas alakváltozás határát meghaladó erő hatására plasztikus deformáció jön létre. A rácsrészek meghatározott síkok mentén párhuzamosan elmozdulnak. A transzláció síkját és irányát a kristályrács felépítése szabja meg.
kősó jég
antimonit
MECHANIKAI IKERKÉPZŐDÉS Ikerkristályok kialakulása mechanikai behatásra (kalcit ikersiklatása). Mivel a siklatás a kristályrács síkjaihoz képest szimmetrikusan történik, ikerkristály (nyomási iker) jön létre.
Nyomási ikrek esetén gyakori a
poliszintetikus ikerképződés
poliszintetikus kalcitkristályok márványban
HASADÁS Ha mechanikai behatásra (pl. ütés, nyomás) kristálytani irányoktól függő, meghatározott síkok mentén, önálló részekre esik szét a kristály, hasadásról beszélünk. A hasadás közvetlen összefüggésben van a kristályszerkezettel. A hasadáskor keletkező sík neve: hasadási lap. Csak térrácsszerkezettel rendelkező kristályos anyagnak lehet hasadása!
romboéderes hasadás (kalcit)
KRISTÁLYSZERKEZET és HASADÁS KAPCSOLATA
kalcit
kősó
HASADÁS A hasadási lap minősége szerint lehet: – kitűnő (jól tükröző lapok: csillámok, gipsz) – jó (gyengébben tükröző hasadási lapok: földpátok, barit, amfibolok) – rossz (nyomokban vagy nem észlelhető hasadási lap, turmalinok, gránátok, kvarc)
kitűnő (csillámok)
jó (amfibolok)
rossz (kvarc)
TÖRÉS Ha mechanikai behatásra kristálytani irányoktól függetlenül egyenetlen felületek mentén esik szét a kristály, törésről beszélünk. A töréskor keletkező szabálytalan felület a törési felület. A törési felület lehet: – sima (többé-kevésbé sík felület) – egyenetlen (szabálytalan felület) – kagylós (a kagyló héjához hasonlóan ívelt felület) – földes (porszerű, morzsalékos a felület).
a hasadás és törés közötti különbség
opál kagylós törése
KEMÉNYSÉG A keménység az az ellenállóképesség, melyet a kristály a mechanikai behatásokkal szemben kifejt. Irányfüggő sajátság. A keménység a rácsszerkezettől, a rácsban lévő kationok és anionok nagyságától, elrendezésétől, a rácstömöttségtől, illetve a kémiai kötésektől függ (gyenge kötések kisebb keménység). Mohs-féle karcolási keménységi skála.
KEMÉNYSÉG A Mohs-féle skála relatív keménységet mutat, viszont terepen könnyen használható. Objektív mérést csiszolással, fúrással lehet mérni (pl. Vickersféle keménység).
TERMIKUS TULAJDONSÁGOK A kristályok termikus viselkedése vektoriális sajátság. A hővezetés függ a kristályrácstól, a tömegpontokkal sűrűbben terhelt irányokban jobb (grafit, csillámok példája). A hővezetés anizotrópiája az oka a kőzetek fizikai mállásának. A kristályok olvadáspontja nagymértékben függ a kristályrácsban lévő kötőerőktől. 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 hő szabadul föl (exoterm folyamat), másoknál hő nyelődhet el (endoterm folyamat).
Termoanalitika – hőváltozások precíz rögzítése
MÁGNESES TULAJDONSÁGOK A mágnesesség vektoriális sajátság, tehát irányfüggő. A mágneses szuszceptibilitást () alapul véve - ami = M/H, ahol M a mágneses momentum, H a mágneses térerő - a kristályokat három csoportba soroljuk: – diamágneses kristályok: 0. Ezeket a mágnes taszítja (kősó, kalcit, réz, jég). Nem mágnesezhetők. – paramágneses kristályok: 0. Ezeket a mágnes vonzza, átmenetileg mágnesezhetők (sziderit, ilmenit, hematit). – ferromágneses kristályok: 0. Ezek maguk is aktív mágnesek (pl. magnetit = mágnesvaskő).
Mágneses domének szabálytalan és szabályos elrendeződése (utóbbi eset mágneses tér hatására jön létre) ferromágneses kristályban
ELEKTROMOS TULAJDONSÁGOK Az elektromosságot a fémrácsú kristályok jól vezetik a szabadon mozgó elektronok révén. Vezetőképességük magasabb hőmérsékleten azonban csökken. Ezek a vezetők. Azok a kristályok, melyek (a fémekkel ellentétben), abszolút 0 fok körül szigetelők, a hőmérséklet emelkedésével pedig rohamosan növekvő vezetőképességre tesznek szert, a félvezetők (galenit, kuprit, Si, Ge). Az atomrácsú és molekularácsú kristályok rosszul vezetik, vagy nem vezetik az elektromosságot (tehát szigetelők). Az ionrácsú kristályok nem vezetik az elektromosságot, azonban olvadékukban vagy oldatukban vezetők.
TERMOELEKTROMOSSÁG Ha két, egymással érintkező fém vagy félvezető szabad végét fémdróttal összekötjük és az érintkezési helyet hevítjük, a dróton elektromos áram halad át. Termoelem előállítható fémekből és bizonyos szulfidokból.
+ PIROELEKTROMOSSÁG Olyan nem vezető, szimmetriaközpont nélküli kristályok mutatnak ilyen sajátságot, melyeknek egy poláros szimmetriatengelyük van. Ha a turmalin kristályait hevítjük, a poláros főtengely egyik végén pozitív, a másik végén negatív elektromos töltést nyer.
-
PIEZOELEKTROMOSSÁG Szimmetriaközponttal nem rendelkező kristályok határfelületein, a kristály megfelelő deformálásakor ellentétes előjelű töltések lépnek föl. A kvarckristályok esetén az egyik poláros melléktengelyre merőlegesen kivágott lemezre, ha a poláros melléktengely irányában nyomást gyakorolunk, a lemez egyik lapján pozitív, másik lapján negatív elektromos töltést nyer (a kvarcóra elve).
RADIOAKTÍV TULAJDONSÁGOK Radioaktív tulajdonságokat egyrészt a radioaktív elemeket tartalmazó ásványok mutatnak (kb. 400 ásvány), másrészt azok, melyek szerkezetébe kis mennyiségben beépülhet radioaktív elem (főként urán és tórium). A radioaktív sugárzás azonban roncsolja a kristályszerkezetet. Metamikt átalakulás: a kristályszerkezet bomlásnak indul, idővel teljesen megsemmisül. Ezt pl. a kristály sötétedése jelezheti.
Metamikt átalakulás cirkon-kristályban radioaktív sugárzás hatására
Pleokroós udvar: a kristály körül körkörös elszíneződés látható.
Cirkon-kristály biotitban A kristályok (egyúttal magának a kőzet) képződési korának meghatározása:
– radiometrikus a mérése alapján,
kormeghatározás az izotópok mennyiségének
– radiometrikus kormeghatározás a metamikt átalakulás nagysága alapján (hasadvány-nyom kormeghatározás)
KRISTÁLYOK A FÉNYBEN Mi történik, ha fény jut a kristály felszínére? – visszaverődik (ez okozza a kristályok fényét)
– megtörik, szétszóródik (ez okozza részben a kristályok színét) – áthalad rajta, vagy elnyelődik (ez határozza meg az átlátszóságot és részben a színt).
KRISTÁLYOK A FÉNYBEN: TÖRÉSMUTATÓ • Valamely anyag törésmutatója egyenlő 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, amelyeké 1,75 fölött van erős fénytörésűek (a gyémánté 2,42). • A törésmutató fontos anyagi állandó. • Optikailag izotróp közegben a törésmutató minden irányban azonos (köbös rendszerű ásványok).
• Optikailag anizotróp közegben eltérően viselkednek a főtengelyes rendszerekben, illetve a triklin, monoklin és rombos rendszerekben kristályosodó ásványok.
FÉNY TERJEDÉSE KRISTÁLYOKBAN A fény izotróp és anizotróp közegben eltérően viselkedik. Izotróp anyagokban a fény hullámfelülete mindig gömb, míg anizotróp anyagokban – bizonyos irányokat kivéve – ellipszoid. Kalcit esetén minden irányban két hullámfelület halad, ez a kettőstörés jelensége. A két hullámfelület egyike gömb, a másik ellipszoid. A kettőstörés esetén a beeső fénysugár két sugárra bomlik, egyik a rendes (ordinárius) sugár, másik a rendkívüli (extraordinárius) sugár.
kettőstörés elve
kalcit kettőstörése
ÁSVÁNYTANI MIKROSZKÓP A forgatható tárgyasztalra helyezett vékonycsiszolatot (kb. 0,03 mm vastagságú ásványlemez), áteső, poláros fényben vizsgálunk. A polarizátorral (4) előállított poláros fény áthalad a vékonycsiszolaton, az objektíven (8), majd az 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 visszaverődést szenved.
Vékonycsiszolat készítése
A KRISTÁLYOK FÉNYE A kristályok fénye fényvisszaverődési képességüktől (R) függ. A kristályok fénye legjobban akkor érvényesül, ha a felület sima (kristálylapok, jó hasadási lapok, vagy polírozási felszín). A visszavert fény erőssége szerint vannak: erősen fénylő, kevésbé fénylő és fénytelen (matt) ásványok. A visszavert fény sajátságai szerint: fémfényű (R nagy), félig fémfényű (R közepes) és nem fémfényű (R általában kicsi, de lehet nagy is). A nem fémfényűek lehetnek: gyémántfényű, üvegfényű, zsírfényű, viasz-gyantafényű, gyöngyházfényű, selyemfényű.
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. – áttetsző: ha a fényt csak részben engedi át. – átlátszatlan: ha a fényt nem engedi át. Az átlátszatlan ásványok egy része csak makroszkóposan így viselkedik, de vékony lemezei áttetszőek lehetnek. Másoknál a vékony lemezkék is átlátszatlanok, ezek az opak ásványok.
A KRISTÁLYOK SZÍNE A kristályok színét fizikai szempontból a szelektív abszorpció (a fehér fény komponenseinek eltérő elnyelése) okozza. Ha a fehér fény minden hullámhossza áthalad a kristályon akkor színtelen. Ha a fehér fény minden hullámhosszát elnyeli, nincs fényátbocsátás, fekete színű. Ha a különböző hullámhosszúságú komponenseket nem egyenlő mértékben nyeli el, akkor szelektív abszorpció áll fönn. Ilyenkor az elnyelt komponensek kiegészítő színeit észleljük.
rubin abszorpciós spektruma
A KRISTÁLYOK SZÍN- és FÉNYJÁTÉKA A kristályok színét a fénytörés és fényszóródás is befolyásolhatja. – macskaszemhatás (finom szálas kristályoknál ismert) – csillaghatás (orientáltan elhelyezkedő zárványok okozzák) – labradorizálás, holdfényhatás (szételegyedési lemezek általi interferenciaszínek okozzák) – csillogás (kristálylappal párhuzamosan elhelyezkedett csillám- vagy hematit-pikkelyek okozzák) – irizálás (felületi filmszerű bevonatként jelentkezik)
macskaszem (kvarc)
csillagrubin
labradorit
holdkő
A KRISTÁLYOK CSOPORTOSÍTÁSA SZÍNÜK ALAPJÁN Idiokrómás (sajátszínű) kristályok Színes kristályok: színük általában csak árnyalatokban különbözik és kémiai alkotóik elektronszerkezetére vezethető vissza: rézionok zöld vagy kék színt, a vasionok zöld vagy barna színt okoznak.
Színtelen kristályok: kémiailag tiszta, rácshibáktól, zárványoktól, szételegyedésektől mentes állapotban színtelenek (kvarc, gyémánt, földpátok).
A KRISTÁLYOK CSOPORTOSÍTÁSA SZÍNÜK ALAPJÁN Allokrómás (idegen színű vagy színezett) kristályok: nyomelemek, zárványok vagy rácshibák okozzák az eredetileg színtelen kristályok színét. A berill példája.
AZ ÁSVÁNYOK PORSZÍNE Az idiokrómás és allokrómás ásványok megkülönböztethetők 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 jól felhasználható az azonosításukhoz.
Cinnabarit
Goethit
Az idiokrómás ásványok porát festékek előállításához használják.
PLEOKROIZMUS (TÖBBSZÍNŰSÉG) A szín vektoriális sajátság. Egyes kristályoknak azt a jellegzetességét, hogy különböző irányokból más hullámhosszúságú fényt abszorbeálnak, és így iránytól függően más színt mutatnak pleokroizmusnak nevezzük. Ez a jelenség a legtöbb ásvány esetében csak vékonycsiszolatban figyelhető meg. Azokat az irányokat, melyekben a színeltérés a legnagyobb, abszorpciós tengelynek nevezzük. Zoisitkristály színe 3 irányból Zoisit-kristály színe 3 irányból
PLEOKROIZMUS (TÖBBSZÍNŰSÉG) Vékonycsiszolati fotók
piroxén
biotit
