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Glitzernde Kostbarkeiten : Kristallphysik

Härte

Die Härte ist der Widerstand, den ein Mineral der mechanischen Beanspruchung entgegensetzt. Um sie zu bestimmen, hat der österreichische Mineraloge Friedrich MOHS (1773-1839) eine zehnteilige Härteskala erstellt:

Minerale mit höherem Härtegrad ritzen Minerale mit niedrigerem Härtegrad. Die Ritzhärte kann richtungsabhängig sein!

In vielen Fällen (speziell in der Gemmologie = Edelsteinkunde) ist diese Ritzhärte zu ungenau. Bei einer anderen Methode wird der Kristall unter einer belasteten Metall- oder Diamantspitze vorbeibewegt. Das Belastungsgewicht, das gerade noch eine Ritzung erzeugt, gilt als Maß für die Härte (Sklerometer; von gr. skleros = hart). Die Schleifhärte wird ermittelt, indem das Mineral unter kontrollierten Bedingungen geschliffen wird. Der Material- bzw. Gewichtsverlust innerhalb eines definierten Zeitintervalls dient als Maß für die Härte. Zur Ermittlung der Eindruckhärte wird eine Diamantpyramide mit einem Druck in den Kristall gedrückt. Die Grösse des entstandenen Hohlraumes gibt die Härte des Minerals an.

Dichte

Die Dichte gibt an, wie schwer eine bestimmte Volumsmenge eines Minerals ist. Sie wird in g/cm³ bzw. t/m³ angegeben. Die Dichte kann durch Verunreinigungen beträchtlich schwanken. Minerale mit einer Dichte über 2,95 werden als Schwerminerale bezeichnet. Sie geben wertvolle Hinweise auf die Entstehung eines Gesteins. Ihre Abtrennung aus Sand oder pulverisiertem Gestein erfolgt durch Schwereflüssigkeiten (Bromoform, Tetrabrommethan, Natrium-Polywolframat in wässriger Lösung): leichte Minerale schwimmen auf der Trennflüssigkeit, schwerere sinken ab und können in einem Filter aufgefangen werden.

Durchsichtigkeit (Lichtabsorption, Transparenz)

Die Durchsichtigkeit gibt grob an, wieviel Licht ein Mineral durchlässt. Man unterscheidet:

Farbe

Wird ein Mineral mit weissem Licht (z.B. Tageslicht) bestrahlt, so werden bestimmte Wellenlängen = Farben "verschluckt". Nur ein Teil des ursprünglichen Lichtes wird zurückgeworfen. Dadurch ergibt sich ein charakteristischer Farbeindruck. Wird alles Licht verschluckt, so erscheint der Kristall schwarz.

Manche Minerale zeigen immer dieselbe Farbe. Sie sind eigenfarbig (idiochromatisch). Bei anderen hängt der Farbeindruck von Fremdstoffen, Einschlüssen, Fehlstellen im Kristallgitter ab. Sie werden als fremdfarbig (allochromatisch) bezeichnet. Ein Musterbeispiel wäre Fluorit (Flussspat). Bei diesem Mineral kann schon ein einzelner Kristall mehrere Farben aufweisen. Oft ist er zonar gebaut, d.h. "Schichten" oder Zonen unterschiedlicher Farbe wechseln miteinander ab (hell - dunkel - hell - dunkel ...).

Strichfarbe
Nicht immer stimmt die Farbe von Mineralpulver mit der des ursprünglichen Kristalls überein. Speziell bei fremdfarbigen Mineralen kommen Farbabweichungen vor. Die Farbe des Pulvers kann leicht bestimmt werden. Man streicht mit dem Mineral über eine unglasierte Porzellantafel und zieht einen Strich - daher spricht der Mineraloge von Strichfarbe. Dies funktioniert natürlich nur bei Mineralen, die weicher als Porzellan sind. Bei einer Härte über 6 muss das Mineral im Mörser pulverisiert werden.

Pleochroismus
griech. pleon = mehr, chroma = Farbe. Manche Kristalle zeigen in verschiedenen Richtungen je nach Lichteinfallsrichtung unterschiedliche Farben. Mit Ausnahme der kubischen Kristalle sind alle Minerale doppelbrechend (siehe unter Kristalloptik). Die durch die Doppelbrechung aus einem Lichtstrahl entstehenden beiden Strahlen werden in unterschiedliche Richtungen unterschiedlich stark verschluckt. Ausgeprägten Pleochroismus zeigen manche Hornblenden und Turmalin. Dieses Phänomen ist besonders schön im polarisierten Durchlicht zu beobachten.

Spaltbarkeit und Bruch

Im Kristallgitter können die Atome Schichten bilden, die unterschiedlich stark miteinander verbunden sind. Sind in einer Ebene nur geringe Anziehungskräfte zwischen den Bauteilen des Kristallgitters vorhanden, so kann das Mineral in dieser Richtung bevorzugt gespalten werden. Glimmer ist ein Mineral, das im Kristallgitter einen ausgeprägten Lagenbau zeigt. Deswegen können grössere Glimmerkristalle mit dem Messer leicht in dünne Blättchen gespalten werden. Bei anderen Mineralen (Calcit, Feldspat) ist zum spalten eine stärkere Krafteinwirkung nötig (leichter Schlag mit dem Hammer). Quarz dagegen ist regelmässiger aufgebaut, die Anziehungskräfte zwischen den Atomgruppen sind in alle Richtungen gleich. Quarz zeigt keine Spaltbarkeit, sondern zerbricht unregelmässig. Man unterscheidet vollkommene, gute, undeutliche und fehlende Spaltbarkeit (je nach Lehrbuch können auch andere Bezeichnungen auftreten).

Auch das Aussehen der Bruchfläche ist ein wichtiges Bestimmungsmerkmal. Bruchflächen können glatt, eben, uneben, muschelig, splittrig oder hakig sein.

Kristalloptik

Lichtbrechung
Ein Lichtstrahl wird beim Übergang von Luft ins Wasser gebrochen: Stelle einen Löffel in ein Glas Wasser und blicke von oben hinen. Es schaut aus, als ob der Löffel einen Knick hätte!

Dasselbe passiert mit einem Lichtstrahl am Übergang von Luft (oder einem anderen Medium) in den Kristall. Wie stark der Lichtstrahl abgelenkt wird, hängt vom Mineral, aber auch von der Farbes des Lichtes ab. Der Brechungsindex ist das Verhältnis zwischen Einfallswinkel und Ausfallswinkel (n = sin alpha / sin beta). Um ihn zu ermitteln, wird gelbes Licht von einer genau definierten Wellenlänge verwendet.

Doppelbrechung
Bei fast allen Mineralen wird der durchgehende Lichtstrahl nicht nur gebrochen, sondern auch noch in zwei Strahlen aufgespalten. Nur die kubischen Minerale sind einfachbrechend.

Lege ein durchsichtiges Spaltstück von Calcit auf eine Zeitung. Du wirst die Schrift doppelt sehen! Bei anderen Kristallen ist die Doppelbrechung weniger stark und wird kaum wahrgenommen.

Das Maß der Doppelbrechung ist ein wichtiges Bestimmungsmerkmal für Minerale unter dem Durchlicht-Mikroskop.

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