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Minerale sind... Physik

Mineralogie ist die Wissenschaft an der Schnittstelle von Geologie, Chemie und Physik. Die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Mineralen ist ein wichtiges Forschungsfeld in der Mineralogie. Viele moderne Technologiekomponenten, wie etwa Solarzellen, Halbleiter und Batterien, basieren auf Mineralen mit ganz spezifischen Charakteristika. 

Häufig nutzt man physikalische Merkmale aber auch, um Minerale mit einfachen Hilfsmitteln zu identifizieren, ohne dafür kostspielige Analysegeräte zu benötigen. Die gängigsten Eigenschaften, die für die Mineralbestimmung genutzt werden sind die Härte, die Farbe, die Spaltbarkeit, der Glanz ihrer Oberflächen, optische Eigenschaften wie die Lichtbrechung sowie magnetische Eigenschaften. 

Glanz

Der Glanz eines Minerals ist seine Fähigkeit, einfallendes Licht zu reflektieren. Ausmaß und Art des Glanzes hängt von Größen wie dem Brechungsindex des Minerals und der Beschaffenheit der Mineraloberfläche ab.  

Der Glanz von Mineralflächen ist ohne spezielle Geräte nur schwer quantitativ zu bestimmen. Zur Beschreibung des Glanzes von Mineralflächen werden deshalb Vergleiche mit bekannteren Alltagsgegenständen, wie Glas, Seide oder Wachs, herangezogen.

Härte

Als Härte definiert man den mechanischen Widerstand, den ein Gegenstand dem Eindringen eines anderen Körpers entgegensetzt. Die Härte von Mineralen variiert sehr stark. Sie reicht von weichen, mit dem bloßen Fingernagel ritzbaren Stoffen bis hin zum härtesten natürlichen Material auf der Erde, dem Diamanten.

Der relative Härteunterschied zwischen zwei Mineralen wird durch einen sogenannten „Ritztest“ bestimmt: das härtere hinterlässt eine erkennbare Rille im weicheren Material. Der Mineraloge Friedrich Mohs (1773-1839) entwickelte eine relative, zehnstufige Härteskala auf der Basis von weit verbreiteten Referenzmineralen.

Spaltbarkeit 

Viele Minerale haben die Tendenz, entlang ganz bestimmter paralleler Ebenen zu brechen. Der Grund dafür liegt darin, dass bei solchen Mineralen „Schwächezonen“ mit besonders leicht aufzubrechenden Bindungen im Kristallgitter existieren.

Bei mechanischer Beanspruchung wie einem Hammerschlag können die Gitterebenen eines Kristalles zum Beispiel so verschoben, dass sich positiv geladene Kationen (grün) und negativ geladene Anionen (gelb) direkt gegenüber stehen. Als Konsequenz stoßen sie sich wie zwei gleich gepolte Magnete voneinander ab. Das Mineral bricht genau entlang dieser Ebene und ein Spaltkörper entsteht.

Calcit, Halit und ganz besonders die feinblättrigen Glimmer sind Beispiele für Minerale mit besonders guter Spaltbarkeit. Die Spaltebenen sieht man in Gesteinen häufig als glänzende Flächen.

Magnetismus

Manche Minerale, insbesondere solche, die das Element Eisen in ihrer Mineralformel haben, sind magnetisch. Das heißt, sie werden von einem Magneten angezogen und können Kompassnadeln ablenken. Einige wenige mit besonders viel eingebautem Eisen, wie zum Beispiel der Magnetit (sic!), fungieren sogar selbst als kleine Magneten und ziehen Eisenteile an!

Doppelbrechung

Eine ganz spezielle physikalische Eigenschaft der allermeisten Minerale ist die sogenannte Doppelbrechung: Dieser Effekt bewirkt, dass ein Lichtstrahl, der durch ein Mineral läuft, in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird. Diese beiden Teilstrahlen folgen unterschiedlichen Brechungsgesetzen und durchlaufen das Mineral deshalb in leicht unterschiedlichen Winkeln. Die Folge: Eine Verdoppelung der durch das Mineral sichtbaren Punkte, hier veranschaulicht durch einen Schriftzug hinter dem stark doppelbrechenden Mineral Calcit.

Auch die bunten Mineralfarben in einer hauchdünn polierten Gesteinsscheibe („Dünnschliff“) zwischen gekreuzten Polfiltern haben ihren Ursprung im Effekt der Doppelbrechung.

Dichte

Manche Minerale „fühlen“ sich schwerer an als andere, wenn man sie in die Hand nimmt. Das liegt an ihren unterschiedlichen Dichten: Je höher die Dichte desto schwerer das Mineral bei gleichem Volumen. Bei manchen Mineralen wie dem Schwerspat (Baryt, BaSO4) steckt die hohe Dichte sogar schon im Namen.

Die Ursache für hohe Dichten liegt in Art und Packungsdichte der atomaren Bestandteilen. Hat ein Mineral überdurchschnittlich viele „schwere“ Atome im Gitter eingebaut (zum Beispiel Barium oder Blei), hat auch das Mineral ein überdurchschnittlich hohes spezifisches Gewicht.

Veranschaulicht wird das Phänomen durch die zwei Minerale auf der Balkenwaage: Graphit (links) hat eine Dichte von 2,3 g/cm3, der Galenit (rechts) stolze 7,5 g/cm3. Trotz der deutlich unterschiedlichen Größen der Stücke sind sie exakt gleich schwer!