Kwarc: właściwości fizyczne i optyczne
Linas JuozenasUdostępnij
Właściwości fizyczne i optyczne
Kwarc: optyczna rama krzemionki
Kwarc to krystaliczna krzemionka, SiO2. Jest twardy, powszechny, trójkątny w warunkach pokojowych, optycznie aktywny, piezoelektryczny i na tyle wizualnie zmienny, że może występować jako kryształ górski, ametyst, cytryn, kwarc dymny, kwarc różowy, kwarc mleczny, praziolit, ametryn i odmiany z inkluzjami.
Przegląd: trwały minerał ramowy
Kwarc to krzemian ramowy zbudowany z ciągłej sieci tetraedrów krzem-tlen. W zwykłych warunkach powierzchniowych występuje jako alfa kwarc, minerał trójkątny, chiralny, którego struktury lewo- i prawoskrętne wyjaśniają niektóre z jego najbardziej charakterystycznych zachowań optycznych.
W okazach ręcznych kwarc może wyglądać prosto: przejrzysty, biały, fioletowy, dymny, żółty, różowy, zielony, prążkowany lub z inkluzjami. Pod tym zakresem wizualnym kryje się stabilny zestaw stałych fizycznych: twardość Mohsa około 7, gęstość właściwa około 2,65, brak prawdziwego rozszczepienia, łupliwość muszlowata, szklisty połysk i współczynniki załamania światła w średnim zakresie 1,54.
Kwarc jest również jednym z rzadkich minerałów, których znaczenie łączy geologię, gemmologię, optykę i technologię. Jego twardość sprawiła, że był użyteczny jako kamień narzędziowy w formach mikrokrystalicznych; jego przejrzystość uczyniła go materiałem rzeźbiarskim i optycznym; jego właściwości piezoelektryczne uczyniły go kluczowym w kontroli częstotliwości i pomiarze czasu.
Krystaliczna krzemionka
Kwarc to SiO2, krzemian ramowy. Różnorodność kolorów wynika z obecności pierwiastków śladowych, defektów, inkluzji lub historii obróbki, a nie z podstawowego gatunku minerału.
Twardy, ale kruchy
Twardość w skali Mohsa 7 zapewnia kwarcowi dobrą odporność na zarysowania, ale ostre punkty, cienkie krawędzie i połączenia kryształów mogą się odpryskiwać pod wpływem uderzenia.
Przejrzysty, umiarkowany, uporządkowany
Kwarc ma umiarkowane współczynniki załamania światła, niską dyspersję, umiarkowaną dwójłomność i aktywność optyczną spowodowaną swoją chiralną strukturą.
Właściwości fizyczne i optyczne
Poniższe wartości opisują kwarc makrokrystaliczny. Kwarc mikrokrystaliczny, taki jak chalcedon, agat, jaspis, krzemień i krzemień pasiaste, ma tę samą podstawę krzemionkową, ale może zachowywać się inaczej pod względem tekstury, przezroczystości, porowatości i sposobu pękania ze względu na swoją bardzo drobną strukturę.
| Właściwość | Kwarc | Interpretacja |
|---|---|---|
| Skład chemiczny | SiO2, dwutlenek krzemu | Krzemian ramowy, którego struktura krzemowo-tlenowa odpowiada za dużą trwałość i odporność chemiczną. |
| Układ krystaliczny | Trójkątny w zwykłych warunkach | Alfa kwarc należy do heksagonalnej rodziny kryształów, ale jest trójkątny i chiralny, z formami lewo- i prawoskrętnymi. |
| Inwersja wysokotemperaturowa | Alfa kwarc przechodzi w beta kwarc w pobliżu 573 °C przy zwykłym ciśnieniu | Ta inwersja jest ważna w geologii i ceramice; nie jest to normalny problem przy obsłudze gotowych okazów. |
| Typowy zakres kolorów | Bezbarwny, biały, fioletowy, żółty, brązowy, dymny szary, różowy, zielony, dwubarwny lub inkluzyjny | Kolor pochodzi z defektów, centrów barw, pierwiastków śladowych, inkluzji, napromieniowania, ogrzewania lub innych zabiegów. |
| Barwa proszku | Biały | Barwa proszku nie jest użyteczna do rozróżniania odmian kwarcu, ale jest zgodna z jasnym kolorem proszku kwarcu. |
| Połysk | Szklisty | Świeże powierzchnie i dobry połysk wykazują szklany blask; masy ziarniste mogą wyglądać na woskowe lub tłuste. |
| Przezroczystość | Przezroczysty do półprzezroczystego; masywny materiał może być nieprzezroczysty | Kryształ górski może być krystalicznie czysty, podczas gdy kwarc mleczny, różowy i inkluzyjny może rozpraszać lub przerywać światło. |
| Twardość | Twardość Mohsa 7 | Kwarc rysuje zwykłe szkło i nadaje się do wielu zastosowań jubilerskich i wystawienniczych, ale pozostaje kruchy. |
| Łupliwość i łamanie | Brak prawdziwej łupliwości; łamanie muszlowe do nierównego | Kwarc łamie się w krzywoliniowe muszlowe kształty, a nie rozszczepia czysto wzdłuż płaskich płaszczyzn łupliwości. |
| Gęstość właściwa | Około 2,65 | Kwarc wydaje się lżejszy niż topaz, wiele siarczków, baryt i wiele tlenków o podobnym rozmiarze. |
| Charakter optyczny | Jednoosiowy dodatni | Oś optyczna jest związana z osią c kryształu, co jest kluczową cechą w identyfikacji gemmologicznej i petrograficznej. |
| Współczynniki załamania światła | nω około 1,544–1,546; nε około 1,553–1,555 | Te umiarkowane wartości nadają kwarcowi czysty wygląd, a nie silny diamentowy blask czy ogień. |
| Dwójłomność | Około 0,009 | Kwarc może wykazywać słabe podwajanie przez wypolerowane kawałki oraz kolory interferencyjne pierwszego rzędu w cienkich przekrojach. |
| Pleochroizm | Brak lub słaby | Ametyst może wykazywać subtelny fioletowo-czerwono-fioletowy dichroizm; większość odmian kwarcu wykazuje niewielki pleochroizm. |
| Fluorescencja | Zmienna, zwykle brak lub słaba | Fluorescencja zależy od śladowych aktywatorów lub inkluzji i zwykle nie jest diagnostyczna dla kwarcu. |
| Specjalne zachowanie | Piezolektryczny, piroelektryczny, optycznie czynny; czasami tryboluminescencyjny | Kwarc może wytwarzać ładunek elektryczny pod wpływem naprężeń i może obracać światło spolaryzowane dzięki swojej chiralnej strukturze. |
| Odporność chemiczna | Nierozpuszczalny w wodzie; odporny na wiele powszechnych kwasów | Kwas fluorowodorowy atakuje krzemionkę i nigdy nie powinien być używany do zwykłego czyszczenia lub obsługi. |
Zachowanie optyczne: przejrzystość, chiralność i subtelne podwajanie
Kwarc wygląda wizualnie czysto, ponieważ jego współczynniki załamania światła są umiarkowane, a dyspersja niska. Nie rozszczepia białego światła na silne spektralne ognie; zamiast tego cicho przepuszcza, załamuje i podwaja światło.
Jego trójkątna struktura alfa-kwarcu jest chiralna. Pojedyncze kryształy mogą być lewo- lub prawoskrętne, a ta skrętność powoduje aktywność optyczną: płaszczyzna światła spolaryzowanego obraca się podczas przechodzenia przez kryształ. To jeden z powodów, dla których kwarc od dawna jest użyteczny w badaniach optycznych.
Dwójłomność w kwarcu jest umiarkowana, ale rzeczywista. W czystym wypolerowanym kawałku linia tekstu widziana przez kamień może wykazywać słabe podwajanie, jeśli kierunek widzenia i grubość są korzystne. Pod skrzyżowanymi polaryzatorami cienkie przekroje zwykle pokazują niskie kolory interferencji pierwszego rzędu. Zdeformowany kwarc w skałach metamorficznych może wykazywać faliste wygaszenie, gdzie wygaszenie przesuwa się nierównomiernie po ziarnie podczas obracania stolika mikroskopu.
Jak czytać kwarc w świetle
- Neutralne światło przechodzące ujawnia kolor ciała, chmury, zasłony, strefowanie i inkluzje bez wyolbrzymiania ciepła.
- Światło tylne pomaga ujawnić fantomy, dymne obrzeża, strefowanie wzrostu, inkluzje płynne i wewnętrzne pęknięcia.
- Światło spolaryzowane może ujawnić aktywność optyczną, efekty bliźniaczenia, naprężenia i faliste wygaszenie w cienkich lub przygotowanych próbkach.
- Światło ukośne pokazuje stan powierzchni: zadrapania, wgłębienia, odpryski, jakość polerowania, wytrawione powierzchnie i naprawy.
Kolor i przyczyny
Kolor kwarcu jest zapisem defektów sieci krystalicznej, pierwiastków śladowych, inkluzji, historii naświetlania i czasem obróbki. Większość nazwanych odmian kolorystycznych pozostaje kwarcem; nazwa odmiany opisuje wygląd i przyczynę, a nie inny gatunek minerału.
| Odmiana | Wygląd | Główna przyczyna lub kontekst | Uwagi |
|---|---|---|---|
| Kryształ górski | Bezbarwny, przezroczysty kwarc | Niska zawartość zanieczyszczeń i ograniczone inkluzje rozpraszające | Najlepszy do obserwacji geometrii pryzmatu, wewnętrznych pęknięć, pęcherzyków i klarowności optycznej. |
| Kwarc mleczny | Biały, mętny, przezroczysty do nieprzezroczystego | Obfite drobne inkluzje płynne lub stałe rozpraszają światło | Powszechny w żyłach i masywnych złożach; biel jest zwykle wynikiem rozpraszania, a nie pigmentu. |
| Ametyst | Bladofioletowy do głębokiego fioletu | Centra barw związane z żelazem aktywowane przez naturalne naświetlanie | Może wykazywać strefowanie barw i subtelny dichroizm; ciepło może zmienić niektóre ametysty na żółte, pomarańczowe, brązowe lub zielonkawe kolory. |
| Kwarc dymny | Szampański, szarobrązowy, koniakowy, ciemnobrązowy, prawie czarny morion | Centra barw związane z aluminium powstałe w wyniku naświetlania | Ciepło może rozjaśnić lub wybielić kolor dymny; sztuczne naświetlanie może również wytworzyć lub pogłębić odcienie dymne. |
| Cytryn | Kwarc od żółtego do pomarańczowego | Naturalne centra barw lub podgrzewany ametyst albo kwarc dymny | Naturalny cytryn jest stosunkowo rzadki; wiele komercyjnych materiałów przypominających cytryn jest poddawanych obróbce cieplnej. |
| Kwarc różowy | Miękki różowy, zwykle przezroczysty i masywny | Mikroskopijne włókniste inkluzje i efekty centrów barw, zależnie od materiału | Niektóre kwarce różowe wykazują zjawisko asterystyczne, gdy są odpowiednio cięte; rzadki krystaliczny kwarc różowy to odrębny styl występowania. |
| Prasiolit | Zielony kwarc | Rzadki naturalnie; często powstaje przez obróbkę cieplną lub napromieniowanie plus podgrzewanie odpowiedniego materiału | Dokładny opis powinien rozróżniać naturalne występowanie od zielonego kwarcu pochodzącego z obróbki, jeśli jest to znane. |
| Ametryn | Fioletowe i żółte strefy w jednym krysztale | Różne historie utleniania i termiczne w strefach | Najbardziej znany z materiału boliwijskiego; strefowanie i kontrast kolorów są kluczowe dla jego jakości wizualnej. |
| Kwarc inkluzyjny | Przezroczysty lub półprzezroczysty kwarc zawierający widoczne minerały gościnne, fantomy, płyny lub folie | Kwarc narasta na lub uwięzi rutyl, turmalin, chloryt, hematyt, glinę, inkluzje płynne lub inne materiały | Inkluzje mogą tworzyć malownicze wnętrza, kocie oczka, gwiazdy, tęcze lub kontury fantomów. |
Zwyczaj krystaliczny, zrosty i tekstury
Kwarc zwykle tworzy sześciokątne pryzmaty z romboedrycznymi zakończeniami, ale środowiska wzrostu dają szeroki zakres zwyczajów: podwójne zakończenia, berła, formy elestialne, gwindele, zrosty Japan-law, fantomy, druzy i masywne żyły.
Klasyczna forma kwarcu
Dobrze uformowane kryształy pokazują sześciokątne pryzmaty, romboedryczne zakończenia i częste poziome prążkowania na ścianach pryzmatów.
Wzrost w przestrzeń otwartą
Kryształy rosnące swobodnie, bez mocnego przyczepienia, mogą mieć zakończenia na obu końcach. „Diament Herkimer” to nazwa handlowa wyjątkowo czystego, podwójnie zakończonego kwarcu z hrabstwa Herkimer w Nowym Jorku oraz podobnych stylów z innych lokalizacji.
Symetria z konsekwencjami
Zrosty Dauphiné, brazylijskie i typu Japan-law mogą wpływać na zachowanie optyczne, oznaczenia wzrostu i kształt kryształu. Niektóre zrosty są subtelne; inne tworzą dramatyczną geometrię.
Wzrost etapami
Berła powstają, gdy późniejszy kwarc narasta na wcześniejszym kryształku. Fantomy zachowują starsze ściany kryształu wewnątrz późniejszego wzrostu jako widmowe wewnętrzne kontury.
Skręcone formy alpejskie
Gwindele to skręcone, tabliczkowe formy kwarcu związane z szczelinami typu alpejskiego. Są cenione zarówno za geometrię, jak i dowody niezwykłych warunków wzrostu.
Od blasku do struktury
Kwarc druzowy tworzy dywany małych kryształów na ścianach jam. Kwarc masywny nie ma widocznych pojedynczych zakończeń, ale może tworzyć trwałe żyły, bloki i materiał do obróbki kamieniarskiej.
Identyfikacja i podobieństwa
Kwarc często można zidentyfikować na podstawie połączonych cech twardości, braku rozszczepu, zwyczaju krystalicznego, współczynnika załamania światła, gęstości właściwej i przełomu. Sam kolor nie wystarcza, zwłaszcza w przypadku żółtego, brązowego, bezbarwnego lub poddanego obróbce materiału.
| Pytanie | Kwarc | Częsty problem z podobieństwem |
|---|---|---|
| Czy to topaz? | Kwarc ma twardość Mohsa 7, gęstość około 2,65, brak prawdziwego rozszczepu i współczynnik załamania światła około 1,544–1,553. | Topaz jest twardszy, gęstszy, ortorombiczny i ma doskonały rozszczep podstawowy. Terminy takie jak „dymny topaz” są mylące, gdy materiałem jest kwarc. |
| Czy to szkło? | Kwarc jest twardszy niż większość szkła i może wykazywać naturalne cechy wzrostu, inkluzje mineralne, zagojone pęknięcia i łupliwe złamania. | Szkło może zawierać zaokrąglone pęcherzyki, linie przepływu, formowane powierzchnie lub mieć niższą twardość; nie ma struktury kryształu kwarcu. |
| Czy to fluoryt? | Kwarc jest twardszy i nie ma rozpadów. | Fluoryt jest miększy, ma doskonały rozpad ośmiościenny i często wykazuje silniejszą fluorescencję. |
| Czy to kalcyt? | Kwarc jest twardy, nie musuje w zimnym rozcieńczonym kwasie i nie ma rozpadów romboedrycznych. | Kalcyt jest znacznie miększy, ma silny rozpad romboedryczny i reaguje musowaniem z kwasem. |
| Czy kolor jest naturalny? | Niektóre kolory kwarcu są naturalne; inne mogą być poddane obróbce cieplnej, napromieniowaniu, barwieniu, powlekaniu lub być syntetyczne. | Historia obróbki nie zawsze jest możliwa do ustalenia na podstawie samego wyglądu. Kwarc podobny do cytrynu poddany obróbce cieplnej, kwarc dymny napromieniowany, barwione agaty i kwarc pokryty aurą powinny być opisane dokładnie, jeśli są znane. |
Wiarygodna identyfikacja jest kumulatywna: twardość, łupliwość, zwyczaj krystaliczny, gęstość, współczynnik załamania, inkluzje, strefowanie i informacje o obróbce razem dają silniejszy wniosek niż pojedyncza cecha widoczna.
Oglądanie i fotografowanie kwarcu
Kwarc zmienia charakter pod różnym światłem. Przezroczysty materiał najlepiej oglądać pod światłem tylnym; ametyst i cytryn potrzebują neutralnego światła dla dokładnego koloru; kwarc dymny korzysta z oświetlenia krawędziowego; kwarc inkluzyjny może wymagać światła bocznego, by uwidocznić struktury wewnętrzne.
| Metoda oświetlenia | Ukazuje | Najlepsze do |
|---|---|---|
| Neutralne światło dzienne lub zrównoważone LED | Dokładny kolor ciała, nasycenie i odbijalność powierzchni. | Ametyst, cytryn, kwarc dymny, kwarc różany i ogólna ocena koloru. |
| Światło tylne | Przejrzystość, widma, wewnętrzne pęknięcia, pęcherzyki, strefowanie dymne, czyste rdzenie i struktury inkluzyjne. | Kryształ górski, kwarc dymny, kwarc inkluzyjny i ciemne okazy. |
| Światło ukośne | Ślady polerowania, zarysowania, trawienia, odpryski, dziury, naprawy powierzchni i naturalne obszary kontaktu. | Inspekcja stanu i dokładna dokumentacja. |
| Światło punktowe pojedyncze | Oczy kota, gwiazdy, ruchome pasma, odbicia powierzchniowe i geometria faset. | Kwarc różany gwiaździsty, kaboszony z kwarcu rutylowego i polerowany kwarc inkluzyjny. |
| Światło spolaryzowane | Naprężenia, bliźniaczenie, aktywność optyczna, kolory interferencyjne i wygasanie faliste. | Badania gemmologiczne, nauczanie i prace na cienkich przekrojach. |
Pielęgnacja, ekspozycja i obsługa
Kwarc jest wytrzymały, ale delikatne formy wymagają ostrożnej pielęgnacji. Kryształy, druzy, cienkie obrzeża geod, kamienie inkluzyjne, pokryte kawałki, naprawione okazy i okazy w macierzy powinny być traktowane delikatniej niż solidny, obtoczony kwarc.
- Czyszczenie: większość nieobrobionego kwarcu można czyścić letnią wodą, łagodnym mydłem i miękką ściereczką lub szczoteczką, a następnie dokładnie wysuszyć.
- Delikatne formy: unikaj ultradźwiękowego i parowego czyszczenia skupisk, druz, pękniętego kwarcu, kwarcu inkluzyjnego, kwarcu pokrytego aurą, okazów w macierzy oraz materiału naprawionego.
- Światło i ciepło: czysty kwarc jest na ogół stabilny, ale ametyst, kwarc dymny, kwarc różowy, obrobiony cytryn, barwiony agat i powlekany kwarc mogą zmieniać się pod wpływem długotrwałego intensywnego światła lub ciepła.
- Uderzenia: chroń zakończenia, berła, stopnie gwindel, krawędzie geod i wypolerowane powierzchnie przed uderzeniami.
- Chemikalia: unikaj silnych środków czyszczących i ściernych. Kwas fluorowodorowy rozpuszcza krzemionkę i nie nadaje się do zwykłej pielęgnacji.
- Przechowywanie: oddzielaj wypolerowane kawałki i skupiska, aby ostre końcówki kwarcu nie rysowały ani nie uszkadzały sąsiednich kamieni.
Najczęściej zadawane pytania
Czy kwarc zawsze jest bezbarwny?
Nie. Kryształ górski to bezbarwny kwarc, ale kwarc może być także fioletowy, żółty, brązowy, różowy, zielony, biały, dymny, dwubarwny, prążkowany lub inkluzyjny. Kolor zależy od chemii śladowej, defektów, inkluzji, napromieniowania, ogrzewania i historii obróbki.
Co oznacza „alfa kwarc”?
Alfa kwarc to niskotemperaturowa forma kwarcu stabilna w zwykłych warunkach powierzchniowych. W około 573 °C przy zwykłym ciśnieniu przechodzi w beta kwarc, formę wysokotemperaturową. Po ochłodzeniu beta kwarc wraca do alfa kwarcu.
Czy kwarc ma łupliwość?
Kwarc nie ma prawdziwej łupliwości. Łamie się z przełomem muszlowym do nierównego, tworząc zakrzywione, szkliste powierzchnie łamania zamiast płaskich płaszczyzn łupliwości.
Dlaczego kwarc jest używany w zegarkach?
Kwarc jest piezoelektryczny. Po odpowiednim przecięciu i elektrycznym pobudzeniu drga z stabilną częstotliwością, co czyni go użytecznym do kontroli częstotliwości i odmierzania czasu.
Czy „diament Herkimer” to diament?
Nie. „Diament Herkimer” to nazwa handlowa dla przezroczystych, naturalnie zakończonych dwustronnie kryształów kwarcu związanych z hrabstwem Herkimer w stanie Nowy Jork oraz podobnego kwarcu z innych źródeł. To kwarc, a nie diament.
Dlaczego kwarc wykazuje aktywność optyczną?
Alfa kwarc jest chiralny, co oznacza, że jego struktura może być lewo- lub prawoskrętna. Ta skrętność pozwala kwarcowi obracać płaszczyznę światła spolaryzowanego przechodzącego przez niego.
Czy kwarc może być poddany obróbce?
Tak. Kwarc może być poddawany obróbce cieplnej, napromieniowaniu, barwieniu, powlekaniu, stabilizacji, wypełnianiu lub wzrostowi syntetycznemu. Procesy te mogą dawać atrakcyjny materiał, ale powinny być dokładnie opisane, jeśli są znane.