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.

aragonit CaCO3 40,08 2,94

strontianit SrCO3 87,62 3,78

witherit BaCO3 137,34 4,31

cerusszit PbCO3 207,19 6,58

gyémánt 3,52

grafit 2,23

-kvarc 2,65

-kvarc 2,53

coesit 3,01

stishovit 4,30

polimorf ásványok

sűrűségértékei izomorf ásványok sűrűségértékeinek

változása a kation tömegének

függvényében

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).

kősó plaszticitása (sódóm képződése gipsz plaszticitása

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.

antimonit

jég

kősó

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

kősó

kalcit

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)

jó (amfibolok) rossz (kvarc) kitűnő (csillámok)

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).

opál kagylós törése a hasadás és törés közötti különbség

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. Vickers-

féle 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.

A kristályok (egyúttal magának a kőzet) képződési korának meghatározása:

– radiometrikus kormeghatározás az izotópok mennyiségének

a mérése alapján,

– radiometrikus kormeghatározás a metamikt átalakulás

nagysága alapján (hasadvány-nyom kormeghatározás)

Cirkon-kristály

biotitban

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.

Az idiokrómás ásványok porát festékek előállításához használják.

Cinnabarit Goethit

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)

biotit

piroxén

Vékonycsiszolati fotók