Кварц: физические и оптические характеристики
Linas JuozenasПоделиться
Физические и оптические характеристики
Кварц: оптический каркас кремнезема
Кварц — кристаллический кремнезем, SiO2. Он твёрдый, распространённый, трёхгранный при комнатных условиях, оптически активный, пьезоэлектрический и визуально адаптируемый, чтобы выглядеть как горный хрусталь, аметист, цитрин, дымчатый кварц, розовый кварц, молочный кварц, празиолит, аметрин и включённые разновидности.
Обзор: прочный каркасный минерал
Кварц — тектосиликат, построенный из непрерывной структуры тетраэдров кремний-кислород. При обычных поверхностных условиях он встречается в виде альфа-кварца, трёхгранного, хирального минерала, чьи левосторонние и правосторонние структуры объясняют некоторые из его самых характерных оптических свойств.
В образцах кварц может выглядеть просто: прозрачный, белый, фиолетовый, дымчатый, желтый, розовый, зеленый, полосатый или с включениями. За этим визуальным разнообразием скрывается стабильный набор физических констант: твердость по Моосу около 7, удельный вес около 2,65, отсутствие истинного спайности, раковистый излом, стеклянный блеск и показатели преломления в среднем диапазоне 1,54.
Кварц — один из редких минералов, важность которого охватывает геологию, геммологию, оптику и технологии. Его твердость делала его полезным как инструментальный камень в микрокристаллических формах; его прозрачность — материалом для резьбы и оптики; его пьезоэлектрические свойства сделали его центральным элементом для контроля частоты и хронометража.
Кристаллический кремнезем
Кварц — это SiO2, каркасный силикат. Цветовые вариации зависят от примесей, дефектов, включений или истории обработки, а не от основного минерального вида.
Твердый, но хрупкий
Твердость по Моосу 7 обеспечивает кварцу хорошую устойчивость к царапинам, но острые точки, тонкие края и соединения кристаллов могут скалываться при ударе.
Прозрачный, умеренный, структурированный
Кварц имеет умеренные показатели преломления, низкую дисперсию, умеренную двулучепреломляемость и оптическую активность, вызванную его хиральной структурой.
Физические и оптические свойства
Ниже приведены значения для макрокристаллического кварца. Микрокристаллический кварц, такой как халцедон, агат, яшма, кремень и кремень, имеет ту же основу из кремнезема, но может вести себя иначе по текстуре, прозрачности, пористости и стилю излома из-за своей чрезвычайно тонкой структуры.
| Свойство | Кварц | Интерпретация |
|---|---|---|
| Химический состав | SiO2, диоксид кремния | Каркасный силикат, структура кремний-кислород которого отвечает за большую часть его прочности и химической стойкости. |
| Кристаллическая система | Тригональный при обычных условиях | Альфа-кварц относится к гексагональной кристаллической семье, но является тригональным и хиральным, с левыми и правыми формами. |
| Высокотемпературное превращение | Альфа-кварц превращается в бета-кварц около 573 °C при обычном давлении | Это превращение важно в геологии и керамике; для готовых образцов это не является обычной проблемой при обращении. |
| Распространённый цветовой диапазон | Бесцветный, белый, фиолетовый, жёлтый, коричневый, дымчато-серый, розовый, зелёный, двуцветный или с включениями | Цвет обусловлен дефектами, цветными центрами, следовыми элементами, включениями, облучением, нагревом или другой историей обработки. |
| Цвет полосы | Белый | Цвет полосы не полезен для различения разновидностей кварца, но соответствует светлому порошку кварца. |
| Блеск | Стекловидный | Свежие поверхности и хорошая полировка показывают стеклянный блеск; зернистые массы могут выглядеть восковыми или жирными. |
| Прозрачность | Прозрачный до полупрозрачного; массивный материал может быть непрозрачным | Горный хрусталь может быть прозрачным как вода, тогда как молочный кварц, розовый кварц и включённые камни могут рассеивать или прерывать свет. |
| Твёрдость | Твёрдость по Моосу 7 | Кварц царапает обычное стекло и подходит для многих ювелирных и выставочных целей, но остаётся хрупким. |
| Спайность и излом | Нет истинной спайности; раковистый до неровного излома | Кварц ломается по раковистым кривым, а не раскалывается по плоским плоскостям спайности. |
| Удельный вес | Около 2,65 | Кварц кажется легче топаза, многих сульфидов, барита и многих оксидных минералов аналогичного размера. |
| Оптический характер | Униаксиальный положительный | Оптическая ось связана с осью c кристалла, что является ключевым свойством при геммологической и петрографической идентификации. |
| Показатели преломления | nω около 1,544–1,546; nε около 1,553–1,555 | Эти умеренные значения придают кварцу чистый вид, а не сильное бриллиантовое сияние или огонь. |
| Двойное лучепреломление | Около 0,009 | Кварц может показывать слабое удвоение через отполированные образцы и интерференционные цвета первого порядка в тонких срезах. |
| Плёхроизм | Отсутствует или слабый | Аметист может проявлять тонкий фиолетово-красноватый дихроизм; большинство разновидностей кварца проявляют слабый плёхроизм. |
| Флуоресценция | Переменная, обычно отсутствует или слабая | Флуоресценция зависит от следовых активаторов или включений и обычно не является диагностической для кварца. |
| Особые свойства | Пьезоэлектрический, пироэлектрический, оптически активный; иногда триболюминесцентный | Кварц может создавать электрический заряд под напряжением и вращать поляризованный свет благодаря своей хиральной структуре. |
| Химическая стойкость | Нерастворим в воде; устойчив к многим распространённым кислотам | Плавиковая кислота разъедает диоксид кремния и никогда не должна использоваться для обычной очистки или обращения. |
Оптические свойства: прозрачность, хиральность и тонкое удвоение
Кварц выглядит визуально чистым, потому что его показатели преломления умеренные, а дисперсия низкая. Он не разлагает белый свет на яркое спектральное пламя; вместо этого он тихо пропускает, преломляет и удваивает свет.
Его тригональная структура альфа-кварца хиральна. Отдельные кристаллы могут быть левыми или правыми, и эта хиральность вызывает оптическую активность: плоскость поляризованного света поворачивается при прохождении через кристалл. Это одна из причин, почему кварц долгое время использовался в оптических исследованиях.
Двойное лучепреломление в кварце умеренное, но реальное. В прозрачном отполированном образце линия текста, просматриваемая через камень, может показывать слабое удвоение, если направление просмотра и толщина благоприятны. Под скрещенными поляризаторами тонкие срезы обычно показывают низкие интерференционные цвета первого порядка. Деформированный кварц в метаморфических породах может проявлять волнообразное погашение, когда погашение неравномерно проходит по зерну при вращении микроскопической платформы.
Как читать кварц в свете
- Нейтральный проходящий свет показывает основной цвет, облачность, вуали, зональность и включения без усиления тёплых оттенков.
- Подсветка сзади помогает выявить фантомы, дымчатые каймы, зональность роста, жидкие включения и внутренние трещины.
- Поляризованный свет может выявить оптическую активность, эффекты двойников, напряжения и волнообразное погашение в тонких или подготовленных образцах.
- Боковой свет показывает состояние поверхности: царапины, ямки, сколы, качество полировки, травленые грани и ремонты.
Цвет и причины
Цвет кварца отражает дефекты кристаллической решётки, следовые элементы, включения, историю облучения и иногда обработку. Большинство названных цветовых вариантов остаются кварцем; название варианта описывает внешний вид и причину, а не другой минерал.
| Вариант | Внешний вид | Основная причина или контекст | Примечания |
|---|---|---|---|
| Горный хрусталь | Бесцветный, прозрачный кварц | Низкое содержание примесей и ограниченное количество рассеивающих включений | Лучше всего подходит для наблюдения геометрии призм, внутренних трещин, пузырьков и оптической чистоты. |
| Молочный кварц | Белый, мутный, от полупрозрачного до непрозрачного | Множество мельчайших жидких или твёрдых включений рассеивают свет | Распространён в жилах и массивных залежах; белизна обычно обусловлена рассеянием, а не пигментом. |
| Аметист | Бледно-фиолетовый до насыщенно-пурпурного | Цветовые центры, связанные с железом, активируемые природным облучением | Может проявлять цветовую зональность и тонкий дихроизм; нагревание может изменить некоторые аметисты в жёлтые, оранжевые, коричневые или зеленоватые цвета. |
| Дымчатый кварц | Шампанское, серо-коричневый, коньячный, тёмно-коричневый, почти чёрный морион | Цветовые центры, связанные с алюминием, образованные облучением | Нагревание может осветлить или отбелить дымчатый цвет; искусственное облучение также может вызвать или усилить дымчатые оттенки. |
| Цитрин | Жёлтый до оранжевого кварц | Природные цветовые центры или термически изменённый аметист или дымчатый кварц | Природный цитрин сравнительно редок; большая часть коммерческого материала, похожего на цитрин, подвергается термической обработке. |
| Розовый кварц | Мягкий розовый, обычно полупрозрачный и массивный | Микроскопические волокнистые включения и эффекты цветовых центров, зависящие от материала | Некоторые розовые кварцы проявляют астеризм при правильной огранке; редкий кристаллический розовый кварц — это особый тип встречаемости. |
| Празиолит | Зелёный кварц | Редок в природе; часто получают термической обработкой или облучением с последующим нагревом подходящего материала | Точное описание должно различать природное происхождение и обработанный зелёный кварц, если это известно. |
| Аметрин | Фиолетовые и жёлтые зоны в одном кристалле | Различные истории окисления и термической обработки в разных зонах | Наиболее известен в связи с боливийским материалом; зональность и цветовой контраст играют ключевую роль в его визуальном качестве. |
| Включённый кварц | Прозрачный или полупрозрачный кварц с видимыми включёнными минералами, фантомами, жидкостями или плёнками | Кварц обрастает или захватывает рутил, турмалин, хлорит, гематит, глину, жидкие включения или другие материалы | Включения могут создавать живописные интерьеры, кошачьи глаза, звёзды, радуги или фантомные контуры. |
Кристаллическая форма, двойники и текстуры
Кварц обычно образует шестигранные призмы с ромбическими окончаниями, но условия роста создают широкий спектр форм: двойные окончания, скипетры, эластические формы, гвиндели, японские двойники, фантомы, друзы и массивные жилы.
Классическая форма кварца
Хорошо сформированные кристаллы показывают шестиугольные призмы, ромбические окончания и частые горизонтальные штрихи на гранях призмы.
Рост в открытом пространстве
Кристаллы, растущие свободно без крепкой фиксации, могут иметь окончания с обеих сторон. «Геркимерский алмаз» — торговое название исключительно прозрачного двусторонне оканчивающегося кварца из округа Геркимер, Нью-Йорк, и аналогичных образцов из других мест.
Симметрия с последствиями
Дофинское, бразильское и японское законы двойников могут влиять на оптические свойства, отметки роста и форму кристалла. Некоторые двойники едва заметны, другие создают эффектную геометрию.
Рост по этапам
Скипетры образуются, когда более поздний кварц растёт поверх более раннего кристалла. Фантомы сохраняют старые грани кристалла внутри последующего роста в виде призрачных внутренних контуров.
Скрученные альпийские формы
Гвиндели — это скрученные табличные формы кварца, связанные с альпийскими трещинами. Они ценятся как за геометрию, так и за свидетельства необычных условий роста.
От блеска к структуре
Друзы кварца образуют ковры из мелких кристаллов на стенках полостей. Массивный кварц не имеет видимых отдельных окончаний, но может формировать прочные жилы, блоки и материалы для огранки.
Идентификация и сходные материалы
Кварц часто можно определить по совокупности признаков: твердость, отсутствие расщепления, кристаллическая форма, показатель преломления, удельный вес и излом. Цвет сам по себе недостаточен, особенно для жёлтого, коричневого, бесцветного или обработанного материала.
| Вопрос | Кварц | Распространённая проблема сходства |
|---|---|---|
| Это топаз? | Кварц имеет твердость по Моосу 7, удельный вес около 2,65, не имеет истинного расщепления и показатель преломления около 1,544–1,553. | Топаз тверже, плотнее, орторомбический и имеет идеальное базальное расщепление. Термины вроде «дымчатый топаз» вводят в заблуждение, если материал — кварц. |
| Это стекло? | Кварц твёрже большинства стекол и может иметь естественные признаки роста, минеральные включения, зажившие трещины и конхоидальные изломы. | Стекло может содержать округлые пузырьки, потоки, формованные поверхности или иметь меньшую твёрдость; у него отсутствует кристаллическая структура кварца. |
| Это флюорит? | Кварц твёрже и не имеет расщепления. | Флюорит мягче, имеет идеальное октаэдрическое расщепление и часто проявляет сильную флуоресценцию. |
| Это кальцит? | Кварц твёрдый, не шипит в холодной разбавленной кислоте и не имеет ромбического расщепления. | Кальцит гораздо мягче, имеет сильное ромбическое расщепление и шипит при контакте с кислотой. |
| Является ли цвет природным? | Некоторые цвета кварца природные; другие могут быть тепловыми, облучёнными, окрашенными, покрытыми или синтетическими. | Историю обработки не всегда можно определить только по внешнему виду. Тепловая обработка кварца, похожего на цитрин, облучённый дымчатый кварц, окрашенный агат и кварц с аурой должны описываться точно, если это известно. |
Надёжная идентификация складывается из нескольких факторов: твёрдость, излом, кристаллическая форма, плотность, показатель преломления, включения, зональность и информация о обработке вместе дают более точный вывод, чем любой отдельный видимый признак.
Осмотр и фотографирование кварца
Кварц меняет характер при разном освещении. Прозрачный материал лучше всего смотрится при подсветке сзади; аметист и цитрин нуждаются в нейтральном свете для точной цветопередачи; дымчатый кварц выигрывает от бокового освещения; включённый кварц может требовать бокового света для чтения внутренних структур.
| Метод освещения | Выявляет | Лучше всего для |
|---|---|---|
| Нейтральный дневной свет или сбалансированное светодиодное освещение | Точный основной цвет, насыщенность и отражательная способность поверхности. | Аметист, цитрин, дымчатый кварц, розовый кварц и общая оценка цвета. |
| Подсветка сзади | Прозрачность, фантомы, внутренние трещины, пузырьки, дымчатая зональность, прозрачные ядра и включённые структуры. | Горный хрусталь, дымчатый кварц, включённый кварц и тёмные образцы. |
| Наклонный свет | Следы полировки, царапины, травление, сколы, ямки, ремонт поверхности и естественные контактные зоны. | Осмотр состояния и тщательная документация. |
| Освещение одиночной точкой | Кошачий глаз, звёзды, движущиеся полосы, отражения на поверхности и геометрия граней. | Звёздчатый розовый кварц, кабошоны из рутилового кварца и полированный включённый кварц. |
| Поляризованный свет | Напряжение, двойникование, оптическая активность, интерференционные цвета и волнообразное погашение. | Геммологические тесты, обучение и работа с тонкими срезами. |
Уход, экспозиция и обращение
Кварц прочен, но деликатные формы требуют бережного ухода. Кристаллы, друзы, тонкие края геод, включённые камни, покрытые образцы, восстановленные и образцы в матрице следует обрабатывать аккуратнее, чем цельный шлифованный кварц.
- Чистка: большинство необработанного цельного кварца можно чистить тёплой водой с мягким мылом и мягкой тканью или щёткой, затем тщательно высушивать.
- Деликатные формы: избегайте ультразвуковой и паровой чистки для кластеров, друз, треснувшего кварца, включённого кварца, кварца с аурой, образцов в матрице и восстановленных материалов.
- Свет и тепло: прозрачный кварц обычно стабилен, но аметист, дымчатый кварц, розовый кварц, обработанный цитрин, окрашенный агат и покрытый кварц могут изменяться под длительным воздействием интенсивного света или тепла.
- Удары: защищайте окончания, скипетры, ступени гвинделя, края жеод и отполированные грани от ударов.
- Химикаты: избегайте агрессивных чистящих средств и абразивов. Плавиковая кислота растворяет диоксид кремния и не подходит для обычного ухода.
- Хранение: разделяйте отполированные образцы и группы, чтобы острые кварцевые вершины не царапали и не скалывали соседние камни.
Часто задаваемые вопросы
Всегда ли кварц бесцветный?
Нет. Горный хрусталь — это бесцветный кварц, но кварц может быть также фиолетовым, желтым, коричневым, розовым, зеленым, белым, дымчатым, двуцветным, полосатым или включенным. Цвет зависит от следовой химии, дефектов, включений, облучения, нагрева и истории обработки.
Что означает «альфа-кварц»?
Альфа-кварц — это низкотемпературная форма кварца, стабильная при обычных поверхностных условиях. При температуре около 573 °C и обычном давлении он переходит в бета-кварц, высокотемпературную форму. При охлаждении бета-кварц возвращается в альфа-кварц.
Есть ли у кварца спайность?
У кварца нет истинной спайности. Он ломается с раковистым или неровным изломом, образуя изогнутые, стекловидные поверхности излома, а не плоские плоскости спайности.
Почему кварц используется в часах?
Кварц пьезоэлектричен. При правильной огранке и электрическом возбуждении он вибрирует с устойчивой частотой, что делает его полезным для контроля частоты и хронометража.
Является ли «Геркимерский алмаз» алмазом?
Нет. «Геркимерский алмаз» — это торговое название для прозрачных, естественно двусторонне оканчивающихся кристаллов кварца, связанных с округом Геркимер, Нью-Йорк, и похожих кварцев из других мест. Это кварц, а не алмаз.
Почему кварц проявляет оптическую активность?
Альфа-кварц хирален, то есть его структура может быть левой или правой. Эта хиральность позволяет кварцу вращать плоскость поляризованного света, проходящего через него.
Можно ли обрабатывать кварц?
Да. Кварц может подвергаться нагреву, облучению, окрашиванию, покрытию, стабилизации, заполнению или синтетическому выращиванию. Эти процессы могут создавать привлекательный материал, но их следует точно описывать, если они известны.