Geowissenschaften

Mineral - Untersuchung von Kristallstrukturen

Untersuchung von Kristallstrukturen

Die äußere Morphologie eines Minerals ist Ausdruck der grundlegenden inneren Architektur von akristalline Substanz, dh ihre Kristallstruktur. Die Kristallstruktur ist die dreidimensionale, regelmäßige (oder geordnete) Anordnung chemischer Einheiten ( Atome , Ionen und anionische Gruppen in anorganischen Materialien; Moleküle in organischen Substanzen); Diese chemischen Einheiten (hier als Motive bezeichnet) werden durch verschiedene Translations- und Symmetrieoperationen wiederholt ( siehe unten)). Die Morphologie von Kristallen kann mit dem bloßen Auge in großen, gut entwickelten Kristallen untersucht werden und wurde in der Vergangenheit durch optische Messungen kleinerer, gut geformter Kristalle unter Verwendung von optischen Goniometern (Instrumenten, die die Winkel zwischen Kristallflächen messen) eingehend untersucht. . Die innere Struktur kristalliner Materialien wird jedoch durch eine Kombination von Röntgen- , Neutronen- und Elektronenbeugungstechniken aufgedeckt , die durch eine Vielzahl spektroskopischer Methoden ergänzt werden, darunter Infrarot-, optische, Mössbauer- und Resonanztechniken . Diese Methoden, einzeln oder in Kombination, liefern eine quantitative dreidimensionale Rekonstruktion der Position der Atome(oder Ionen ), die chemischen Bindungstypen und ihre Positionen sowie die gesamte innere Symmetrie der Struktur. Die Wiederholungsabstände in den meisten anorganischen Strukturen und vielen der atomaren und ionischen Motivgrößen liegen in der Größenordnung von 1 bis 10 Angström (Å; 1 Å entspricht 10 –8 cm oder 3,94 × 10 –9 Zoll) oder 10 bis 100 Nanometer (nm; 1 nm entspricht 10 –7 cm oder 10 Å).

Obsidianblöcke aus dem Lavastrom.  (Vulkan, Eruption, Fels, Glas, Vulkan, Felsen)
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Raumgruppen

Symmetrieelemente, die in der äußeren Morphologie von Kristallen beobachtbar sind, wie Rotations- und Rotoinversionsachsen, Spiegelebenen und ein Symmetriezentrum, sind auch in ihrer inneren Atomstruktur vorhanden. Zusätzlich zu diesen Symmetrieelementen gibt esÜbersetzungen und Symmetrieoperationen kombiniert mit Übersetzungen. (Translation ist die Operation, bei der ein Motiv in einem linearen Muster in Intervallen wiederholt wird, die dem Translationsabstand entsprechen [üblicherweise auf der Ebene von 1 bis 10 Å].) Zwei Beispiele für Translationssymmetrieelemente sind Schraubenachsen (Kombination von Rotation und Translation) ) und Gleitebenen (Kombination von Spiegelung und Übersetzung). Die internen Translationsabstände sind außerordentlich klein und können nur durch Elektronenstrahltechniken mit sehr hoher Vergrößerung , wie sie in einem Transmissionselektronenmikroskop verwendet werden , bei Vergrößerungen von etwa 600.000 × direkt gesehen werden .

Wenn alle möglichen Kombinationen von Translationselementen mit den 32 Kristallklassen kompatibel sind (auch bekannt als Punktgruppen ) betrachtet werden, erhält man 230 mögliche Wege, auf denen Übersetzungen, Translationssymmetrieelemente (Schraubenachsen und Gleitebenen) und translationsfreie Symmetrieelemente (Rotations- und Rotoinversionsachsen und Spiegelebenen) kombiniert werden können. Diese Translations- und Symmetriegruppierungen werden als 230 bezeichnetRaumgruppen , die die verschiedenen Arten darstellen, wie Motive in einer geordneten dreidimensionalen Anordnung angeordnet werden können. Die symbolische Darstellung von Raumgruppen ist eng mit der Hermann-Mauguin-Notation von Punktgruppen verwandt. Eine ausführliche Erörterung von Raumgruppen, ihrer Ableitung und Notation würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Weitere Informationen finden Sie in den in der Bibliographie zitierten Büchern zur Mineralogie .

Kristallstrukturen veranschaulichen

Die äußere Morphologie der dreidimensionalen Anordnung von Kristallstrukturen kann auf einer zweidimensionalen Seite oder innerhalb einer Computersimulation dargestellt werden . Eine andere übliche Methode zur Veranschaulichung besteht darin, die Kristallstruktur auf eine ebene Oberfläche zu projizieren. Die als Tridymit bekannte Hochtemperaturform von Siliciumdioxid (SiO 2 ) kann auf diese Weise dargestellt werden; Die Strukturmotiveinheiten in diesem Fall sind jedoch SiO 4 -Tetraeder, die aus einem Siliziumatom bestehen, das von vier Sauerstoffatomen umgeben ist. Um die Visualisierung komplexer Kristallstrukturen in der physikalischen Welt weiter zu unterstützen, werden dreidimensionale physikalische Modelle verwendetvon solchen Strukturen kann kommerziell gebaut oder erhalten werden. Modelle dieser Art reproduzieren die innere atomare Anordnung in einem enorm vergrößerten Maßstab (z. B. könnte ein Angström durch einen Zentimeter dargestellt werden).