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Jun 16, 2023

Wie Steine ​​und Mineralien mit Licht spielen und atemberaubende Farben erzeugen

Steine ​​und Mineralien sind überall um uns herum. Einige werden wegen ihrer Schönheit geschätzt, während andere so häufig vorkommen, dass sie leicht ignoriert werden. Es gibt sie in verschiedenen Farben und Schattierungen. Manche fangen das Licht ein, manche

Steine ​​und Mineralien sind überall um uns herum. Einige werden wegen ihrer Schönheit geschätzt, während andere so häufig vorkommen, dass sie leicht ignoriert werden. Es gibt sie in verschiedenen Farben und Schattierungen. Manche fangen das Licht ein, manche biegen das Licht und manche brechen es sogar.

Aber warum sind Rubine rot, während Saphire, die fast die gleiche chemische Formel haben, in einer Vielzahl von Farben erhältlich sind? Warum weist Quarz, eines der am häufigsten vorkommenden Mineralien auf der Erde, eine solche Vielfalt an Farben und Opazität auf? Und warum erschaffen manche Mineralien ihre eigene Regenbogenwelt? Die Antworten auf diese Fragen kombinieren das Verhalten der Gesteine ​​auf molekularer Ebene mit faszinierender Physik.

Sogar der makelloseste geschliffene Rubin, Saphir oder Smaragd erhält seine brillante Farbe durch Unvollkommenheit.

Beginnen wir mit Rubinen und Saphiren, die beide eine Korundart sind. Dieses Mineral entsteht, wenn Aluminiumoxid dicht in eine sechseckige Kristallstruktur gepackt wird. In reiner Form ist Korund klar; Gelegentlich kann jedoch ein Chromion ein Aluminiumion im Kristallgitter ersetzen. Es braucht nicht viel – vielleicht wird nur 1 Atom von 100 ersetzt –, aber die daraus resultierende Unvollkommenheit bedeutet, dass das Chrom nun grüne oder violette Photonen aus dem Licht absorbiert, das auf den Edelstein trifft. Rotes Licht wird jedoch weiterhin durchgelassen, wodurch dieser leuchtende Rubinton entsteht.

Wie bereits erwähnt, gibt es Saphire in einer Vielzahl von Farben – Rosa, Rot, Gelb, Gold, Lila, Pfirsich, Champagner und natürlich das beliebte Blau. Saphire entstehen wie Rubine durch den Austausch von Aluminiumionen innerhalb eines Korundgitters; Nur dieses Mal werden sie durch Eisen- und Titanionen ersetzt (nur 1 von 10.000 Ionen). Wenn Licht einer bestimmten Wellenlänge auf einen Saphir fällt, wird es absorbiert und bewirkt die Übertragung eines Elektrons von einem Eisen- auf ein Titan-Ion. Dadurch entsteht ein blauer Saphir. Um unterschiedliche Farben zu erzeugen, müssen im Saphir weitere Spurenelemente vorhanden sein, beispielsweise Blei, Kobalt, Silizium, Magnesium oder Chrom.

Apropos Chrom: Etwas ganz anderes passiert, wenn es 1 % der Aluminiumionen im farblosen Mineral Beryll ersetzt: Dadurch wird rotes und gelbes Licht absorbiert, wodurch ein sattgrüner Smaragd entsteht.

Bestimmte Mineralien schimmern in unheimlichen Schattierungen von Pink, leuchtendem Gelb oder sogar einem fremdartig aussehenden Grün, wenn sie mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden. Dieses Phänomen tritt auf, wenn Ionen oder bestimmte Verunreinigungen im Mineral (sogenannte Aktivatoren) ein ultraviolettes Photon absorbieren, wodurch ein Elektron in ein Atomorbital mit höherer Energie befördert wird. Wenn das Elektron in seinen Grundzustand zurückkehrt, gelangt es nicht direkt dorthin, sondern durchläuft stattdessen mehrere verschiedene Energieorbitale. Einer dieser Übergänge kann dazu führen, dass das Atom ein Photon mit einer längeren Wellenlänge im sichtbaren Spektrum emittiert. Wenn dies geschieht, „leuchtet“ das Mineral in einem Prozess namens Fluoreszenz.

Mineralien fluoreszieren in einer Reihe von Farben, darunter Blau (wie Fluorit und Scheelit), Gelb (Esperit), Rot (Smithsonit) und Lila (Apatit). Dann gibt es noch Autunit, ein Mineral mit blockartigen Kristallen. Es besteht zu fast 50 % aus Uran und fluoresziert hellgrün.

Manche Steine ​​scheinen einen Regenbogen aus Farben zu enthalten. Beispielsweise schimmern Opale je nach Betrachtungswinkel in den unterschiedlichsten Farben. Das Schillern dieser Steine ​​hat mit der Anordnung winziger Kieselsäurekügelchen zu tun. Der Abstand zwischen diesen Kugeln ist winzig – in der Größenordnung der Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Aus diesem Grund fungieren sie als eine Art Beugungsgitter, das das Licht in seine Farbbestandteile zerlegt.

Das Schillern von Perlen ist ähnlich. Eine Perle entsteht in einer Auster, wenn ein kleines Stück Sand oder ein anderer Fremdkörper in die Schale eindringt. Nach und nach wird es von Perlmuttschichten bedeckt, einer Art Kalziumkarbonat. Die Dicke der Perlmuttschichten liegt nahe an der Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Wenn Sie eine Perle aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten, wird das Licht daher von den verschiedenen Schichten innerhalb der Perle reflektiert.

Diese Lichtwellenlängen addieren sich entweder (konstruktive Interferenz) oder subtrahieren (destruktive Interferenz). Diese Interferenz hängt von der Wellenlänge des Lichts und ihrem Verhältnis zum Abstand zwischen den Schichten ab; Daher ändert sich die Farbe einer Perle geringfügig, je nachdem, ob die verschiedenen Farben konstruktiv oder destruktiv zusammenwirken.

Das Tigerauge ist bekannt für seine faszinierenden Streifen aus Gold, Bernstein und Rotbraun. Doch die Ursache für seinen besonderen Glanz war den Wissenschaftlern bis vor Kurzem unklar.

Wie Opale und Perlen scheint das Tigerauge das Licht einzufangen. Ursprünglich dachten Wissenschaftler, dass der Edelstein dadurch entstanden sei, dass Formeleinheiten aus Asbest langsam Formeleinheiten aus Quarz in einem Prozess ersetzten, der Pseudomorphismus genannt wird (derselbe Prozess, der versteinertes Holz erzeugt). Bei näherer Betrachtung zeigte sich jedoch, dass ein anderer Prozess dahinter steckt.

Das Tigerauge entsteht, wenn Wasser in einen Riss in einem Gestein eindringt, das Quarz und Krokydolith (auch als blauer Asbest bekannt) enthält. Quarz und Krokydolith lösen sich im Wasser auf und dabei beginnt der Quarz langsam zu kristallisieren, während sich entlang des Risses Fasern aus Krokydolith bilden. Dann bricht das Gestein erneut und der Vorgang wiederholt sich, nur dass die Fasern des Krokydoliths jetzt leicht versetzt sind. Durch diese Versetzung entsteht die bunte Streifenbildung, für die das Tigerauge bekannt ist. Wenn diese Risse auftreten, wird der Krokydolith auch der Luft ausgesetzt und reagiert mit Sauerstoff zu Eisenoxid, wodurch der Stein seine charakteristischen rotbraunen Farbtöne erhält.

Mineralien müssen keine seltenen Edelsteine ​​sein, um interessant zu sein. Machen Sie eine Wanderung und heben Sie einen beliebigen Stein auf. Es wird wahrscheinlich ganz oder teilweise aus Quarz bestehen. Denn Quarz ist das zweithäufigste Mineral auf der Erdoberfläche (nach Feldspäten). Es macht 12 % der Erdkruste aus. An den meisten Stränden besteht sogar der Sand aus Quarzkristallen.

Quarz entsteht tief im Erdinneren aus erstarrendem Magma, das Quarzkristalle bildet. In seiner reinen Form ist Quarz ein farbloser transparenter Kristall. Aber viele Faktoren können das Aussehen und die Farbe von Quarz beeinflussen – zum Beispiel, wenn das Magma, das Quarz bildet, reich an anderen Mineralien ist oder wenn Wasser mit gelösten Mineralien in die sich bildenden Quarzkristalle eindringt und neue Elemente einbringt.

Rosenquarz kann geringe Mengen Eisen, Titan oder Mangan enthalten. Bestrahlte Eisenverunreinigungen in Quarz können auch die königlichen Purpurtöne von Amethyst erzeugen, und wenn Amethyst über längere Zeit Hitze und Druck ausgesetzt wird, erzeugen dieselben Verunreinigungen die feurigen Orange- und Gelbtöne von Citrin. Milchquarz enthält kleine Flüssigkeits- oder Gaseinschlüsse, die dem Mineral seinen undurchsichtigen Glanz verleihen. Schließlich ist Jaspis oft ein Aggregat aus Quarzkristallen mit Eisen, was ihm eine rote Farbe verleiht.

Diese Mineralien reflektieren nicht einfach das Licht. Sie spielen damit. Sie interagieren mit Licht als Welle und mit Licht als Teilchen. Elektronen bewegen sich, gewinnen und verlieren Energie. Die Verunreinigungen in diesen Gesteinen sind nicht einfach Defekte. Sie machen diese Mineralien wirklich einzigartig.