الكوارتز: الخصائص الفيزيائية والبصرية
Linas JuozenasShare
الخصائص الفيزيائية والبصرية
الكوارتز: الإطار البصري للسيليكا
الكوارتز هو السيليكا البلورية، SiO2. هو صلب، منتشر، ثلاثي الأوجه في ظروف الغرفة، نشط بصريًا، كهروضغطي، وقابل للتكيف بصريًا ليظهر كبلورة صخرية، أميثيست، سترين، كوارتز مدخن، كوارتز وردي، كوارتز حليبي، براسيولايت، أميتراين، وأنواع مشوبة.
نظرة عامة: معدن هيكلي متين
الكوارتز هو تكتوسيليكات مبني من إطار مستمر من رباعيات السليكون والأكسجين. في الظروف السطحية العادية يظهر ككوارتز ألفا، معدن ثلاثي الأوجه، لولبي، تفسر هياكله اليسارية واليمنية بعض سلوكياته البصرية المميزة.
في العينات اليدوية، قد يبدو الكوارتز بسيطًا: شفاف، أبيض، بنفسجي، مدخن، أصفر، وردي، أخضر، مخطط، أو مشوب. تحت هذا النطاق البصري توجد مجموعة مستقرة من الثوابت الفيزيائية: صلابة موهس حوالي 7، كثافة نوعية حوالي 2.65، لا يوجد انقسام حقيقي، كسر مخروطي، لمعان زجاجي، ومؤشرات انكسار في منتصف نطاق 1.54.
الكوارتز هو أيضًا من المعادن النادرة التي تربط بين الجيولوجيا، علم الأحجار الكريمة، البصريات، والتكنولوجيا. صلابته جعلته مفيدًا كأداة في الأشكال الدقيقة البلورات؛ وشفافيته جعلته مادة للنحت والبصريات؛ وسلوكه الكهروضغطي جعله مركزيًا في التحكم بالتردد وحفظ الوقت.
السيليكا البلورية
الكوارتز هو SiO2، سيليكات هيكلية. تختلف ألوانه حسب العناصر النزرة، العيوب، الشوائب، أو تاريخ المعالجة وليس حسب نوع المعدن الأساسي.
صلب لكنه هش
صلابة موهس 7 تعطي الكوارتز مقاومة جيدة للخدش، لكن النقاط الحادة، الحواف الرقيقة، والتقاطع البلوري يمكن أن تتشقق تحت الصدمة.
شفاف، معتدل، منظم
يتمتع الكوارتز بمؤشرات انكسار معتدلة، تشتت منخفض، ازدواج انكسار معتدل، ونشاط بصري ناتج عن هيكله اللولبي.
الخصائص الفيزيائية والبصرية
القيم أدناه تصف الكوارتز الكبير البلورات. الكوارتز دقيق البلورات مثل الكالسيدوني، العقيق، اليشب، الشيرت، والفلينت تشترك في نفس أساس السيليكا لكنها قد تتصرف بشكل مختلف في الملمس، الشفافية، المسامية، ونمط الكسر بسبب هيكلها الدقيق للغاية.
| الخاصية | كوارتز | التفسير |
|---|---|---|
| التركيب الكيميائي | SiO2، ثاني أكسيد السيليكون | سيليكات هيكلية مسؤول هيكل السيليكون-الأكسجين فيها عن الكثير من متانتها ومقاومتها الكيميائية. |
| نظام البلورة | ثلاثي الزوايا في الظروف العادية | ينتمي الكوارتز ألفا إلى عائلة البلورات السداسية لكنه ثلاثي الزوايا وحلزوني، بأشكال يسرى ويمينية. |
| الانقلاب عند درجة حرارة عالية | ينقلب الكوارتز ألفا إلى كوارتز بيتا بالقرب من 573 درجة مئوية عند الضغط العادي | هذا الانقلاب مهم في الجيولوجيا والسيراميك؛ وليس مصدر قلق عادي عند التعامل مع العينات النهائية. |
| نطاق الألوان الشائع | شفاف، أبيض، بنفسجي، أصفر، بني، رمادي مدخن، وردي، أخضر، ثنائي اللون، أو يحتوي على شوائب | يأتي اللون من العيوب، مراكز اللون، العناصر النادرة، الشوائب، الإشعاع، التسخين، أو تاريخ المعالجة الآخر. |
| الخط | أبيض | الخط غير مفيد لتمييز أنواع الكوارتز، لكنه يتوافق مع مسحوق الكوارتز فاتح اللون. |
| البريق | زجاجي | الأسطح الجديدة والتلميع الجيد تظهر لمعانًا زجاجيًا؛ الكتل الحبيبية قد تبدو شمعية أو دهنية. |
| الشفافية | شفاف إلى نصف شفاف؛ المادة الكتلية قد تكون معتمة | يمكن أن يكون الكريستال الصخري شفافًا كالماء، بينما قد يشتت الكوارتز الحليبي، والكوارتز الوردي، والأحجار المحتوية الضوء أو يعوقه. |
| الصلابة | 7 على مقياس موس | يخدش الكوارتز الزجاج العادي ومناسب للعديد من الاستخدامات في المجوهرات والعرض، لكنه يظل هشًا. |
| الانقسام والكسر | لا يوجد انقسام حقيقي؛ كسر صدفي إلى غير منتظم | ينكسر الكوارتز بانحناءات تشبه القشرة بدلاً من الانقسام النظيف على مستويات انقسام مسطحة. |
| الكثافة النوعية | حوالي 2.65 | يشعر الكوارتز بأنه أخف من التوباز والعديد من الكبريتيدات والبارايت والعديد من أكاسيد المعادن ذات الحجم المماثل. |
| الطابع البصري | أحادي المحور موجب | المحور البصري مرتبط بمحور c للبلورة، وهي خاصية رئيسية في التعرف الجيولوجي والجيمولوجي. |
| مؤشرات الانكسار | nω حوالي 1.544–1.546؛ nε حوالي 1.553–1.555 | هذه القيم المعتدلة تعطي الكوارتز مظهرًا نظيفًا بدلاً من بريق قوي يشبه الماس أو لهب قوي. |
| الانكسار المزدوج | حوالي 0.009 | يمكن للكوارتز أن يظهر تضاعفًا خفيفًا عبر القطع المصقولة وألوان تداخل من الدرجة الأولى في الشرائح الرقيقة. |
| تعدد الألوان | لا شيء إلى ضعيف | قد يظهر الجمشت ازدواجية لون خفيفة من البنفسجي إلى البنفسجي المحمر؛ معظم أنواع الكوارتز تظهر قليلًا من تعدد الألوان. |
| الفلورة | متغيرة، عادة من لا شيء إلى ضعيفة | تعتمد الفلورة على المنشطات أو الشوائب النادرة ولا تُستخدم عادة لتشخيص الكوارتز. |
| السلوك الخاص | كهربائي ضغطي، كهربائي حراري، نشط بصريًا؛ أحيانًا ينبعث منه ضوء عند الاحتكاك | يمكن للكوارتز أن ينتج شحنة كهربائية تحت الضغط ويمكنه تدوير الضوء المستقطب بسبب هيكله الحلزوني. |
| المقاومة الكيميائية | غير قابل للذوبان في الماء؛ مقاوم للعديد من الأحماض الشائعة | يهاجم حمض الهيدروفلوري السليكا ولا يجب استخدامه أبدًا للتنظيف أو التعامل العادي. |
السلوك البصري: الوضوح، التماثل الحلزوني، والتضاعف الدقيق
يبدو الكوارتز نظيفًا بصريًا لأن مؤشرات الانكسار لديه معتدلة وتشتته منخفض. لا يكسر الضوء الأبيض إلى ألوان طيفية قوية؛ بل ينقل الضوء وينحنيه ويضاعفه بهدوء.
هيكل الكوارتز ألفا ثلاثي الزوايا هو حلزوني. يمكن أن تكون البلورات الفردية يسرى أو يميني، وهذا التماثل ينتج نشاطًا بصريًا: حيث يدور مستوى الضوء المستقطب أثناء مروره عبر البلورة. هذا أحد الأسباب التي جعلت الكوارتز مفيدًا منذ زمن طويل في الدراسات البصرية.
الانكسار المزدوج في الكوارتز معتدل لكنه حقيقي. في قطعة مصقولة واضحة، قد يظهر خط من الطباعة من خلال الحجر تكرارًا خفيفًا إذا كان اتجاه الرؤية والسماكة مناسبين. تحت مستقطبات متقاطعة، تظهر القطاعات الرقيقة عادة ألوان تداخل من الدرجة الأولى منخفضة. قد يظهر الكوارتز المشوه في الصخور المتحولة انقراضًا موجيًا، حيث ينتقل الانقراض بشكل غير متساو عبر الحبة مع دوران منصة المجهر.
كيفية قراءة الكوارتز في الضوء
- الضوء المنقول المحايد يكشف لون الجسم، السحب، الحجب، التقسيم، والشوائب دون تضخيم الدفء.
- الإضاءة الخلفية تساعد في كشف الأشباح، الحواف المدخنة، تقسيم النمو، الشوائب السائلة، والشقوق الداخلية.
- الضوء المستقطب يمكن أن يظهر النشاط البصري، تأثيرات التوأمة، الإجهاد، والانقراض الموجي في العينات الرقيقة أو المحضرة.
- الضوء المائل يظهر حالة السطح: الخدوش، الحفر، الشقوق، جودة التلميع، الوجوه المحفورة، والإصلاحات.
اللون والأسباب
لون الكوارتز هو سجل لعيوب الشبكة، العناصر النزرة، الشوائب، تاريخ الإشعاع، وأحيانًا المعالجة. معظم الأنواع المسماة تظل كوارتز؛ اسم النوع يصف المظهر والسبب بدلاً من كونه نوعًا معدنيًا مختلفًا.
| النوع | المظهر | السبب الرئيسي أو السياق | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| بلورة صخرية | كوارتز شفاف عديم اللون | محتوى منخفض من الشوائب وشوائب تشتت محدودة | الأفضل لملاحظة هندسة المنشور، الشقوق الداخلية، الفقاعات، والوضوح البصري. |
| كوارتز حليبي | أبيض، غائم، شفاف إلى معتم | شوائب دقيقة كثيرة من سوائل أو مواد صلبة تشتت الضوء | شائع في العروق والترسبات الكتلية؛ البياض عادة يكون نتيجة تشتت الضوء وليس صبغة. |
| أميثيست | بنفسجي فاتح إلى بنفسجي عميق | مراكز لون مرتبطة بالحديد تنشط بواسطة الإشعاع الطبيعي | قد يظهر تقسيم اللون وثنائية اللون الدقيقة؛ يمكن للحرارة أن تغير بعض الأميثيست إلى ألوان صفراء أو برتقالية أو بنية أو خضراء. |
| كوارتز مدخن | شمبانيا، رمادي بني، كونياك، بني داكن، مورين قريب من الأسود | مراكز لون مرتبطة بالألمنيوم تنتج عن الإشعاع | يمكن للحرارة أن تفتح أو تبيض اللون المدخن؛ قد ينتج الإشعاع الصناعي أيضًا أو يعمق درجات اللون المدخن. |
| سترين | كوارتز أصفر إلى برتقالي | مراكز لون طبيعية أو أميثيست أو كوارتز مدخن معدل حراريًا | السترين الطبيعي نادر نسبيًا؛ معظم المواد التجارية الشبيهة بالسترين معالجة حراريًا. |
| كوارتز وردي | وردي ناعم، عادة شفاف إلى حد ما وكتلي | شوائب ليفية مجهرية وتأثيرات مراكز اللون، حسب المادة | يُظهر بعض الكوارتز الوردي تأثير النجمة عند قطعه بشكل صحيح؛ الكوارتز الوردي البلوري النادر هو نمط حدوث مميز. |
| براسيولايت | كوارتز أخضر | نادر طبيعيًا؛ غالبًا ما يُنتج عن المعالجة الحرارية أو الإشعاعية مع التسخين للمواد المناسبة | يجب أن يميز الوصف الدقيق بين الحدوث الطبيعي والكوارتز الأخضر الناتج عن المعالجة عند المعرفة. |
| أميتراين | مناطق بنفسجية وصفراء في بلورة واحدة | تاريخ أكسدة وحرارة مختلف عبر المناطق | مرتبط بشكل مشهور بالمواد البوليفية؛ التقسيم والتباين اللوني مركزيان لجودته البصرية. |
| كوارتز مشوب | كوارتز شفاف أو نصف شفاف يحتوي على معادن ضيفة مرئية، أشباح، سوائل، أو أفلام | الكوارتز ينمو فوق أو يحبس روتيل، تورمالين، كلوريت، هيماتيت، طين، شوائب سائلة، أو مواد أخرى | الشوائب يمكن أن تخلق داخلية مناظر طبيعية، عيون القط، نجوم، أقواس قزح، أو خطوط أشباح. |
عادة البلورة، التوأمة، والأنسجة
عادةً ما يتشكل الكوارتز كأهرامات سداسية الجوانب مع نهايات رومبويدية، لكن بيئات نموه تنتج مجموعة واسعة من العادات: نهايات مزدوجة، صولجانات، أشكال إيليستية، غوينديلز، توائم قانون اليابان، أشباح، دروز، ومواد عروق كتلية.
شكل الكوارتز الكلاسيكي
البلورات المتشكلة جيدًا تظهر أهرامات سداسية، نهايات رومبويدية، وخطوط أفقية متكررة على وجوه الهرم.
النمو في الفضاء المفتوح
البلورات التي تنمو بحرية دون ارتباط ثابت يمكن أن تنتهي من كلا الطرفين. "ألماس هيركيمر" هو اسم تجاري لكوارتز مزدوج النهاية واضح بشكل استثنائي من مقاطعة هيركيمر، نيويورك، وأنماط مماثلة من مواقع أخرى.
تناظر مع عواقب
توأمة دوفيني، البرازيل، وقانون اليابان يمكن أن تؤثر على السلوك البصري، وعلامات النمو، وشكل البلورة. بعض التوائم دقيقة؛ والبعض الآخر يخلق هندسة درامية.
النمو على مراحل
الصولجانات تتشكل عندما ينمو كوارتز لاحق فوق بلورة أقدم. الأشباح تحافظ على وجوه البلورة القديمة داخل النمو اللاحق كخطوط داخلية شبحية.
أشكال الألب الملتوية
الغوينديلز هي أشكال كوارتز ملتوية وقرصية مرتبطة بشقوق من نوع الألب. تُقدر لكل من الهندسة ودليل ظروف النمو غير العادية.
من اللمعان إلى البنية
كوارتز الدروزي يشكل سجادًا من البلورات الصغيرة على جدران التجاويف. الكوارتز الكتلي يفتقر إلى نهايات مرئية فردية لكنه يمكن أن يشكل عروقًا متينة وكتلًا ومواد حجرية.
التعريف والتشابهات
غالبًا ما يمكن التعرف على الكوارتز من خلال الأدلة المجمعة للصلابة، وعدم وجود انقسام، وعادة البلورة، ومؤشر الانكسار، والكثافة النوعية، والكسر. اللون وحده غير كافٍ، خاصة للمواد الصفراء أو البنية أو عديمة اللون أو المعالجة.
| سؤال | كوارتز | مشكلة التشابه الشائعة |
|---|---|---|
| هل هو توباز؟ | كوارتز له صلابة موهس 7، وكثافة نوعية حوالي 2.65، ولا يوجد انقسام حقيقي، ومؤشر انكسار حوالي 1.544–1.553. | التوباز أصعب وأكثر كثافة، وأرثورومبي، وله انقسام قاعدي مثالي. مصطلحات مثل "التوباز الدخاني" مضللة عندما يكون المادة كوارتز. |
| هل هو زجاج؟ | الكوارتز أصعب من معظم الزجاج وقد يظهر ميزات نمو طبيعية، شوائب معدنية، كسور ملتئمة، وانكسارات مخروطية. | الزجاج قد يحتوي على فقاعات مستديرة، خطوط تدفق، أسطح مصبوبة، أو صلابة أقل؛ ويفتقر إلى بنية بلورية للكوارتز. |
| هل هو فلوريت؟ | الكوارتز أصعب ويفتقر إلى الانشقاق. | الفلوريت أنعم، له انشقاق مثالي ثماني السطوح، وغالبًا ما يظهر توهجًا أقوى. |
| هل هو كالسيت؟ | الكوارتز صلب، لا يفرقع في الحمض المخفف البارد، ويفتقر إلى الانشقاق المعيني. | الكالسيت أنعم بكثير، له انشقاق معيني قوي، ويتفاعل مع الحمض. |
| هل اللون طبيعي؟ | بعض ألوان الكوارتز طبيعية؛ والبعض الآخر قد يكون معالجًا بالحرارة، مشعًا، مصبوغًا، مغطى، أو صناعيًا. | لا يمكن دائمًا تحديد تاريخ المعالجة من المظهر فقط. يجب وصف الكوارتز المشابه للسترين المعالج بالحرارة، الكوارتز المدخن المشع، العقيق المصبوغ، والكوارتز المغطى بالهالة بدقة عند المعرفة. |
التحديد الموثوق تراكمياً: الصلابة، الكسر، عادة البلورة، الكثافة، معامل الانكسار، الشوائب، التظليل، ومعلومات المعالجة معًا تخلق استنتاجًا أقوى من أي سمة مرئية واحدة.
مشاهدة وتصوير الكوارتز
يتغير طابع الكوارتز تحت ضوء مختلف. المادة الصافية تستفيد من الضوء الخلفي؛ الأميثيست والسترين يحتاجان إلى ضوء محايد للون الدقيق؛ الكوارتز المدخن يستفيد من ضوء الحافة؛ الكوارتز المحتوى قد يحتاج إلى ضوء جانبي لجعل الهياكل الداخلية قابلة للقراءة.
| طريقة الإضاءة | يكشف | الأفضل لـ |
|---|---|---|
| ضوء النهار المحايد أو LED متوازن | لون الجسم الدقيق، التشبع، وانعكاسية السطح. | الأميثيست، السترين، الكوارتز المدخن، الكوارتز الوردي، وتقييم اللون العام. |
| ضوء خلفي | الوضوح، الأشباح، الكسور الداخلية، الفقاعات، التظليل المدخن، النوى الصافية، والهياكل المحتواة. | كوارتز صخري، كوارتز مدخن، كوارتز محتوى، وعينات داكنة. |
| ضوء مائل | علامات التلميع، الخدوش، النقش، الشقوق، الحفر، إصلاحات السطح، ومناطق التماس الطبيعية. | فحص الحالة والتوثيق الدقيق. |
| ضوء نقطة واحدة | عيون القطط، النجوم، الأشرطة المتحركة، الانعكاسات السطحية، وهندسة الوجوه. | كوارتز وردي نجمي، كبوشونات كوارتز روتيلي، والكوارتز المحتوى المصقول. |
| الضوء المستقطب | الإجهاد، التوأمة، النشاط البصري، ألوان التداخل، والانقراض المتموج. | الاختبار الجيولوجي، التعليم، والعمل على الشرائح الرقيقة. |
العناية، العرض، والمناولة
الكوارتز متين، لكن الأشكال الحساسة تتطلب عناية مدروسة. يجب التعامل مع النقاط، الدروز، حواف الجيود الرقيقة، الأحجار المحتواة، القطع المغطاة، العينات المُصلحة، والعينات المصفوفة بلطف أكثر من الكوارتز الصلب المصقول.
- التنظيف: يمكن تنظيف معظم الكوارتز الصلب غير المعالج بالماء الفاتر، وصابون خفيف، وقطعة قماش ناعمة أو فرشاة، ثم يجفف جيدًا.
- الأشكال الحساسة: تجنب التنظيف بالموجات فوق الصوتية والبخار للعناقيد، الدروز، الكوارتز المكسور، الكوارتز المحتوى، الكوارتز المغطى بالهالة، العينات المصفوفة، والمواد المُصلحة.
- الضوء والحرارة: الكوارتز الشفاف مستقر عمومًا، لكن الجمشت، والكوارتز المدخن، والكوارتز الوردي، والسترين المعالج، والعقيق المصبوغ، والكوارتز المغلف قد يتغير تحت ضوء أو حرارة شديدة ومطولة.
- الصدمات: احمِ النهايات، والصولجانات، وخطوات الجويندل، وحواف الجيود، والوجوه المصقولة من الصدمات.
- المواد الكيميائية: تجنب المنظفات القاسية والمواد الكاشطة. حمض الهيدروفلوريك يذيب السيليكا ولا يناسب العناية العادية.
- التخزين: افصل القطع المصقولة والتجمعات حتى لا تخدش أو تتشقق نقاط الكوارتز الحادة الأحجار المجاورة.
الأسئلة المتكررة
هل الكوارتز دائمًا عديم اللون؟
لا. الكريستال الصخري هو كوارتز عديم اللون، لكن الكوارتز قد يكون أيضًا بنفسجيًا، أصفر، بني، وردي، أخضر، أبيض، مدخن، ثنائي اللون، مخطط، أو يحتوي على شوائب. يعتمد اللون على الكيمياء النزرة، والعيوب، والشوائب، والإشعاع، والتسخين، وتاريخ المعالجة.
ماذا يعني "كوارتز ألفا"؟
الكوارتز ألفا هو الشكل منخفض الحرارة للكوارتز المستقر في ظروف السطح العادية. عند حوالي 573 درجة مئوية تحت ضغط عادي، يتحول إلى كوارتز بيتا، وهو شكل عالي الحرارة. عند التبريد، يعود كوارتز بيتا إلى كوارتز ألفا.
هل للكوارتز انشقاق؟
الكوارتز لا يمتلك انشقاقًا حقيقيًا. ينكسر بكسر مخروطي إلى غير منتظم، مكونًا أسطح كسر منحنية تشبه الزجاج بدلاً من طائرات انشقاق مسطحة.
لماذا يُستخدم الكوارتز في الساعات؟
الكوارتز بيزوالكهربائي. عند قطعه وتحفيزه كهربائيًا بشكل صحيح، يهتز بتردد ثابت، مما يجعله مفيدًا للتحكم في التردد وحفظ الوقت.
هل "ألماس هيركيمر" هو ألماس؟
لا. "ألماس هيركيمر" هو اسم تجاري لبلورات كوارتز شفافة ذات نهايات مزدوجة طبيعية مرتبطة بمقاطعة هيركيمر في نيويورك، وكوارتز مماثل من مصادر أخرى. إنه كوارتز، وليس ألماسًا.
لماذا يمكن للكوارتز أن يظهر نشاطًا بصريًا؟
الكوارتز ألفا هو كيرالي، مما يعني أن هيكله يمكن أن يكون بيد يسرى أو يمنى. تسمح هذه اليدوية للكوارتز بتدوير مستوى الضوء المستقطب المار من خلاله.
هل يمكن معالجة الكوارتز؟
نعم. يمكن تسخين الكوارتز، أو تعريضه للإشعاع، أو صبغه، أو تغليفه، أو تثبيته، أو ملؤه، أو نموه صناعيًا. يمكن أن تنتج هذه العمليات مادة جذابة، لكن يجب وصفها بدقة عند معرفتها.