Quartz: Fyzikální a optické vlastnosti
Linas JuozenasSdílet
Fyzikální a optické charakteristiky
Křemen: Optický rámec siliky
Křemen je krystalická křemelina, SiO2. Je tvrdý, rozšířený, trojklonný za pokojových podmínek, opticky aktivní, piezoelektrický a vizuálně dostatečně přizpůsobivý, aby se objevil jako křišťál, ametyst, citrín, kouřový křemen, růženín, mléčný křemen, prasiolit, ametryn a inkluzní varianty.
Přehled: Odolný rámcový minerál
Křemen je tekto-silikát postavený z kontinuálního rámce křemík-kyslíkových tetraedrů. Za běžných povrchových podmínek se vyskytuje jako alfa křemen, trojklonný, chirální minerál, jehož levotočivé a pravotočivé struktury vysvětlují některé z jeho nejvýraznějších optických vlastností.
V ručních vzorcích může křemen vypadat jednoduše: čirý, bílý, fialový, kouřový, žlutý, růžový, zelený, pruhovaný nebo s inkluzemi. Pod tímto vizuálním rozsahem je stabilní soubor fyzikálních konstant: tvrdost podle Mohse blízko 7, měrná hmotnost blízko 2,65, žádné pravé štěpení, skořepinový lom, skelný lesk a indexy lomu kolem 1,54.
Křemen je také jedním z mála minerálů, jejichž význam spojuje geologii, gemologii, optiku a technologii. Jeho tvrdost ho činila užitečným jako nástrojový kámen v mikrokrystalických formách; jeho průhlednost ho činila materiálem pro řezbářství a optiku; jeho piezoelektrické chování ho učinilo klíčovým pro řízení frekvence a měření času.
Krystalická křemelina
Křemen je SiO2, rámcový silikát. Barevné varianty se liší stopovými prvky, defekty, inkluzemi nebo historií úprav, nikoli základním minerálním druhem.
Tvrdý, ale křehký
Tvrdost podle Mohse 7 dává křemenu dobrou odolnost proti poškrábání, ale ostré hroty, tenké hrany a krystalové spoje se mohou při nárazu odštípnout.
Čistý, mírný, strukturovaný
Křemen má střední indexy lomu, nízkou disperzi, mírnou dvojlomnost a optickou aktivitu způsobenou svou chirální strukturou.
Fyzikální a optické vlastnosti
Níže uvedené hodnoty popisují makrokrystalický křemen. Mikrokrystalický křemen, jako je chalcedon, achát, jaspis, křemenec a pazourek, má stejný základ ze siliky, ale může se lišit v textuře, průsvitnosti, pórovitosti a způsobu lomů kvůli své extrémně jemné struktuře.
| Vlastnost | Křemen | Interpretace |
|---|---|---|
| Chemické složení | SiO2, oxid křemičitý | Rámcový silikát, jehož křemík-kyslíková struktura je zodpovědná za velkou část jeho odolnosti a chemické stálosti. |
| Krystalový systém | Trojklonný za běžných podmínek | Alfa křemen patří do hexagonální krystalové rodiny, ale je trojklonný a chirální, s levotočivými a pravotočivými formami. |
| Vysokoteplotní inverze | Alfa křemen se při běžném tlaku mění na beta křemen při teplotě kolem 573 °C | Tato inverze je důležitá v geologii a keramice; není to běžný problém při manipulaci s hotovými vzorky. |
| Běžný barevný rozsah | Bezbarvý, bílý, fialový, žlutý, hnědý, kouřově šedý, růžový, zelený, dvoubarevný nebo inkluzivní | Barva pochází z defektů, barevných center, stopových prvků, inkluzí, ozáření, zahřívání nebo jiné historie úprav. |
| Barva proužku | Bílá | Barva proužku není užitečná pro rozlišení odrůd křemene, ale odpovídá světle zbarvenému prášku křemene. |
| Lesk | Skelný lesk | Čerstvé plochy a dobrý lešt ukazují skleněný lesk; granulární hmoty mohou vypadat voskově nebo mastně. |
| Průhlednost | Průhledný až průsvitný; masivní materiál může být neprůhledný | Křišťál může být průzračný, zatímco mléčný křemen, růžový křemen a inkluze mohou světlo rozptylovat nebo přerušovat. |
| Tvrdost | Mohsova tvrdost 7 | Křemen poškrábe běžné sklo a je vhodný pro mnoho šperkařských a výstavních použití, ale zůstává křehký. |
| Štěpnost a lom | Žádná pravá štěpnost; skořepinový až nerovný lom | Křemen se láme v křivočarých skořepinových tvarech, nikoli čistě podél plochých štěpných rovin. |
| Specifická hmotnost | Přibližně 2,65 | Křemen působí lehčeji než topaz, mnoho sulfidu, barytu a mnoho oxidových minerálů podobné velikosti. |
| Optický charakter | Uniaxiálně pozitivní | Optická osa souvisí s osou c krystalu, což je klíčová vlastnost při gemologické a petrografické identifikaci. |
| Indexy lomu | nω přibližně 1,544–1,546; nε přibližně 1,553–1,555 | Tyto střední hodnoty dávají křemenu čistý vzhled spíše než silný diamantový lesk nebo oheň. |
| Dvojlomnost | Přibližně 0,009 | Křemen může vykazovat slabé zdvojení skrz leštěné kusy a interferenční barvy prvního řádu v tenkých řezech. |
| Pleochroismus | Žádný až slabý | Ametyst může vykazovat jemný fialový až červenofialový dichroismus; většina odrůd křemene má malý pleochroismus. |
| Fluorescence | Proměnlivá, obvykle žádná až slabá | Fluorescence závisí na stopových aktivátorech nebo inkluzích a obvykle není diagnostická pro křemen. |
| Speciální chování | Piezoelektrický, pyroelectrický, opticky aktivní; občas triboluminiscenční | Křemen může při namáhání produkovat elektrický náboj a díky své chirální struktuře může otáčet polarizované světlo. |
| Chemická odolnost | Nevstřebává se ve vodě; odolný vůči mnoha běžným kyselinám | Kyselina fluorovodíková napadá křemík a neměla by být používána pro běžné čištění nebo manipulaci. |
Optické chování: Čistota, chiralita a jemné zdvojení
Křemen vypadá vizuálně čistě, protože jeho indexy lomu jsou střední a jeho disperze je nízká. Nevytváří silné spektrální ohně z bílého světla; místo toho světlo tiše přenáší, láme a zdvojuje.
Jeho trojklonná alfa-křemenová struktura je chirální. Jednotlivé krystaly mohou být levotočivé nebo pravotočivé a tato ručnost způsobuje optickou aktivitu: rovina polarizovaného světla se otáčí při průchodu krystalem. To je jeden z důvodů, proč je křemen dlouho užitečný v optickém studiu.
Dvojlom v křemeni je mírný, ale skutečný. V čistém leštěném kusu může linie tisku viděná skrz kámen vykazovat slabé zdvojení, pokud je směr pohledu a tloušťka příznivá. Pod zkříženými polarizátory tenké řezy běžně ukazují nízké interferenční barvy prvního řádu. Deformovaný křemen v metamorfovaných horninách může vykazovat vlnovité vymizení, kdy vymizení nerovnoměrně prochází zrnkem při otáčení mikroskopického stolu.
Jak číst křemen ve světle
- Neutrální procházející světlo odhaluje barvu těla, mraky, závoje, zónování a inkluze bez přehánění teplých odstínů.
- Podsvícení pomáhá odhalit fantomy, kouřové okraje, růstové zóny, tekuté inkluze a vnitřní trhliny.
- Polarizované světlo může ukázat optickou aktivitu, efekty dvojčatění, napětí a vlnovité vymizení v tenkých nebo připravených vzorcích.
- Šikmé světlo ukazuje stav povrchu: škrábance, důlky, odštípnutí, kvalitu leštění, leptané plochy a opravy.
Barva a příčiny
Barva křemene je záznamem defektů mřížky, stopových prvků, inkluzí, historie ozáření a někdy i úprav. Většina pojmenovaných barevných odrůd zůstává křemenem; název odrůdy popisuje vzhled a příčinu, nikoli jiný druh minerálu.
| Odroda | Vzhled | Hlavní příčina nebo kontext | Poznámky |
|---|---|---|---|
| Křišťál | Bezbarvý, průhledný křemen | Nízký obsah nečistot a omezené rozptylující inkluze | Nejlepší pro pozorování geometrie hranolu, vnitřních trhlin, bublin a optické čistoty. |
| Mléčný křemen | Bílý, zakalený, průsvitný až neprůhledný | Mnoho drobných tekutých nebo pevných inkluzí rozptyluje světlo | Běžný v žilách a masivních ložiscích; bělost je obvykle způsobena rozptylem světla, nikoli pigmentem. |
| Ametyst | Světle fialová až tmavě purpurová | Barevná centra související s železem aktivovaná přirozeným ozářením | Může vykazovat barevné zóny a jemný dichroismus; teplo může změnit některé ametysty na žluté, oranžové, hnědé nebo nazelenalé odstíny. |
| Kouřový křemen | Šampaňské, šedohnědá, koňaková, tmavě hnědá, téměř černý morion | Barevná centra související s hliníkem vytvořená ozářením | Teplo může zesvětlit nebo vybělit kouřovou barvu; umělé ozáření může také vytvořit nebo prohloubit kouřové tóny. |
| Citrín | Žlutý až oranžový křemen | Přírodní barevná centra nebo tepelně upravený ametyst či kouřový křemen | Přírodní citrín je poměrně vzácný; mnoho komerčního materiálu podobného citrínu je tepelně upraveno. |
| Růženín | Jemně růžový, obvykle průsvitný a masivní | Mikroskopické vláknité inkluze a efekty barevných center, v závislosti na materiálu | Některý růženín vykazuje asterismus, pokud je správně broušený; vzácný krystalický růženín je zvláštní typ výskytu. |
| Prasiolit | Zelený křemen | Vzácný přirozeně; často vyráběný tepelnou úpravou nebo ozářením plus zahříváním vhodného materiálu | Přesný popis by měl rozlišovat přirozený výskyt od zeleného křemene vzniklého úpravou, pokud je to známo. |
| Ametrin | Fialové a žluté zóny v jednom krystalu | Různé oxidační a tepelné historie v jednotlivých zónách | Nejslavněji spojený s bolivijským materiálem; zónování a barevný kontrast jsou klíčové pro jeho vizuální kvalitu. |
| Inkluzivní křemen | Čirý nebo průsvitný křemen obsahující viditelné hostitelské minerály, fantomy, tekutiny nebo filmy | Křemen přerůstá nebo zachycuje rutil, turmalín, chlorit, hematit, jíl, tekuté inkluze nebo jiný materiál | Inkluze mohou vytvářet scenické interiéry, kočičí oči, hvězdy, duhy nebo fantomové obrysy. |
Krystalový zvyk, dvojčatění a textury
Křemen obvykle tvoří šestiboké hranoly s rhombohedrálními zakončeními, ale jeho růstové prostředí produkuje širokou škálu zvyků: dvojité zakončení, sceptry, elestiální formy, gwindely, japonská zákonná dvojčata, fantomy, drúzy a masivní žilný materiál.
Klasická forma křemene
Dobře vytvořené krystaly vykazují šestiboké hranoly, rhombohedrální zakončení a časté horizontální rýhy na hranolových plochách.
Růst do otevřeného prostoru
Krystaly, které rostou volně bez pevného připojení, mohou být zakončeny na obou koncích. „Herkimerský diamant“ je obchodní název pro výjimečně čistý dvoukoncový křemen z Herkimer County v New Yorku a podobné styly z jiných lokalit.
Symetrie s důsledky
Dauphinéské, brazilské a japonské zákonné dvojčatění může ovlivnit optické chování, růstové značky a tvar krystalu. Některá dvojčata jsou nenápadná, jiná vytvářejí dramatickou geometrii.
Růst ve fázích
Sceptry vznikají, když pozdější křemen přerůstá dřívější krystal. Fantomy uchovávají starší krystalové plochy uvnitř pozdějšího růstu jako přízračné vnitřní obrysy.
Zkroucené alpské formy
Gwindely jsou zkroucené, tabulární formy křemene spojené s alpskými typy trhlin. Jsou ceněny jak pro geometrii, tak pro důkazy neobvyklých podmínek růstu.
Od jiskry ke struktuře
Drúzový křemen tvoří koberce malých krystalů na stěnách dutin. Masivní křemen nemá viditelné jednotlivé zakončení, ale může tvořit odolné žíly, bloky a materiál pro kamenosochařství.
Identifikace a podobné materiály
Křemen je často identifikovatelný na základě kombinace tvrdosti, absence štěpnosti, krystalového zvyku, indexu lomu, měrné hmotnosti a lomové plochy. Samotná barva nestačí, zejména u žlutého, hnědého, bezbarvého nebo upraveného materiálu.
| Otázka | Křemen | Běžný problém s podobností vzhledu |
|---|---|---|
| Je to topaz? | Křemen má tvrdost podle Mohse 7, měrnou hmotnost asi 2,65, nemá pravou štěpnost a index lomu kolem 1,544–1,553. | Topaz je tvrdší, hustší, ortorombický a má dokonalý bazální štěp. Výrazy jako „kouřový topaz“ jsou zavádějící, pokud je materiál křemen. |
| Je to sklo? | Křemen je tvrdší než většina skel a může vykazovat přirozené růstové znaky, minerální inkluze, zahojené praskliny a konchoidní zlomy. | Sklo může obsahovat zaoblené bubliny, proudové linie, tvarované povrchy nebo nižší tvrdost; postrádá krystalovou strukturu křemene. |
| Je to fluorit? | Křemen je tvrdší a nemá štěpný lom. | Fluorit je měkčí, má dokonalý oktaedrický štěpný lom a často vykazuje silnější fluorescenci. |
| Je to kalcit? | Křemen je tvrdý, v chladné zředěné kyselině nešumí a nemá rhomboedrický štěpný lom. | Kalcit je mnohem měkčí, má silný rhomboedrický štěpný lom a reaguje s kyselinou šuměním. |
| Je barva přirozená? | Některé barvy křemene jsou přirozené; jiné mohou být tepelně upravené, ozářené, barvené, pokryté nebo syntetické. | Historii úprav nelze vždy určit pouze podle vzhledu. Tepelně upravený křemen podobný citrínu, ozářená záhněda, barvený achát a křemen s aurou by měly být popsány přesně, pokud jsou známy. |
Spolehlivá identifikace je kumulativní: tvrdost, lom, krystalový habitus, hustota, index lomu, inkluze, zónování a informace o úpravách společně vytvářejí silnější závěr než jakýkoli jednotlivý viditelný znak.
Pozorování a fotografování křemene
Křemen mění charakter pod různým světlem. Čirý materiál ocení prosvětlení zezadu; ametyst a citrín potřebují neutrální světlo pro přesnou barvu; záhněda těží z okrajového světla; inkluzivní křemen může potřebovat boční světlo, aby byly vnitřní struktury čitelné.
| Metoda osvětlení | Odhaluje | Nejvhodnější pro |
|---|---|---|
| Neutrální denní světlo nebo vyvážené LED | Přesná tělová barva, saturace a odrazivost povrchu. | Ametyst, citrín, záhněda, růžový křemen a obecné hodnocení barvy. |
| Prosvětlení zezadu | Čistota, fantomy, vnitřní praskliny, bubliny, záhnědové zónování, čistá jádra a inkluzivní struktury. | Křišťál, záhněda, inkluzivní křemen a tmavé vzorky. |
| Šikmé světlo | Stopy po leštění, škrábance, leptání, odštípnutí, jamky, opravy povrchu a přirozené kontaktní plochy. | Kontrola stavu a podrobná dokumentace. |
| Světlo na jediný bod | Kočičí oči, hvězdy, pohyblivé pásy, odlesky povrchu a geometrie faset. | Hvězdový růžový křemen, kabošony z rutilovaného křemene a leštěný inkluzivní křemen. |
| Polarizované světlo | Napětí, dvojčatění, optická aktivita, interference barev a vlnovitá extinkce. | Gemologické testování, výuka a práce s tenkými řezy. |
Péče, vystavení a manipulace
Křemen je pevný, ale jemné tvary vyžadují opatrnou péči. Hroty, drúzy, tenké okraje geod, inkluzivní kameny, pokryté kusy, opravené vzorky a vzorky v matrici by měly být ošetřovány jemněji než pevný valchovaný křemen.
- Čištění: většinu neupraveného pevného křemene lze čistit vlažnou vodou, jemným mýdlem a měkkým hadříkem nebo kartáčem, poté důkladně osušit.
- Jemné tvary: vyhněte se ultrazvukovému a parnímu čištění u shluků, drúz, prasklého křemene, inkluzivního křemene, křemene s aurou, vzorků v matrici a opravených materiálů.
- Světlo a teplo: čirý křemen je obecně stabilní, ale ametyst, kouřový křemen, růžový křemen, upravený citrín, barvený achát a potažený křemen se mohou při dlouhodobém intenzivním světle nebo teple měnit.
- Náraz: chraňte zakončení, žezla, stupně gwindel, okraje geod a leštěné plochy před nárazy.
- Chemikálie: vyhněte se agresivním čističům a abrazivům. Kyselina fluorovodíková rozpouští křemík a není vhodná pro běžnou péči.
- Uskladnění: oddělte leštěné kusy a shluky, aby ostré hroty křemene nepoškrábaly nebo neodštípaly sousední kameny.
Často kladené otázky
Je křemen vždy bezbarvý?
Ne. Skalní křišťál je bezbarvý křemen, ale křemen může být také fialový, žlutý, hnědý, růžový, zelený, bílý, kouřový, dvoubarevný, pruhovaný nebo inkluzivní. Barva závisí na stopové chemii, defektech, inkluzích, ozařování, zahřívání a historii úprav.
Co znamená „alfa křemen“?
Alfa křemen je nízkoteplotní forma křemene stabilní za běžných povrchových podmínek. Při asi 573 °C a běžném tlaku se přeměňuje na beta křemen, vysokoteplotní formu. Při ochlazení se beta křemen vrací zpět na alfa křemen.
Má křemen štěpnost?
Křemen nemá pravou štěpnost. Láme se mušlovitě až nerovnoměrně, vytváří zakřivené, sklu podobné lomové plochy místo plochých štěpných rovin.
Proč se křemen používá v hodinkách?
Křemen je piezoelektrický. Při správném řezání a elektrickém stimulování vibruje na stabilní frekvenci, což ho činí užitečným pro řízení frekvence a měření času.
Je „Herkimerský diamant“ diamant?
Ne. „Herkimerský diamant“ je obchodní název pro čisté, přirozeně dvojitě ukončené krystaly křemene spojené s hrabstvím Herkimer v New Yorku a podobný křemen z jiných zdrojů. Je to křemen, nikoli diamant.
Proč může křemen vykazovat optickou aktivitu?
Alfa křemen je chirální, což znamená, že jeho struktura může být levotočivá nebo pravotočivá. Tato pravotočivost umožňuje křemenu otáčet rovinu polarizovaného světla, které jím prochází.
Lze křemen upravovat?
Ano. Křemen může být zahříván, ozařován, barven, potahován, stabilizován, plněn nebo synteticky pěstován. Tyto procesy mohou vytvořit atraktivní materiál, ale měly by být přesně popsány, pokud jsou známy.