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Funkelnde Pracht

Optische Eigenschaften von Kristallen

Sie funkeln, glitzern und schimmern: Viele Kristalle betören vor allem durch ihre optische Erscheinung – und auch dabei gibt es unzählige Varianten und Spielarten. So sind Bergkristall und Diamant beispielsweise durchsichtig wie Glas, Rubine und Saphire dagegen leuchten tiefrot und blau. Wieder andere Kristalle glänzen metallisch oder schillern wie die Flügel eines Schmetterlings.

Aber woher kommt dieses Farben- und Lichtspiel? Die Antwort steckt auch hier in der Struktur der Kristalle. Je nach Abstand und Anordnung der Atome oder Moleküle beeinflusst das Gitter das einfallende Licht auf unterschiedliche Weise. So lässt das Gitter des Diamanten einen Großteil des Lichts ungehindert hindurch – der Edelstein erscheint dadurch transparent. Gleichzeitig brechen und reflektieren die geraden Flächen des geschliffenen Steins das Licht und erzeugen so das typische Funkeln.

Der Rubin erhält seine rote Farbe unter anderem durch eingelagerte Chromionen, hier ein besonders schöner Kristall aus Tansania. © Rob Lavinsky, iRocks.com/CC-by-sa 3.0

Farbkur in der Mikrowelle

Bei farbigen Kristallen wie dem roten Rubin, dem blauen Aquamarin oder dem grünen Smaragd sorgen winzige Verunreinigungen im Kristallgitter für das Farbenspiel. Die Edelsteine enthalten an diesen Fehlstellen positiv geladene Metallionen, die bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren. Dem aus dem Stein wieder hinaustretenden Licht fehlen diese Komponenten und dadurch erscheint es farbig. Im Rubin beispielsweise schlucken dreifach positive geladene Chrom-Ionen gelb-grünes Licht, der Stein erstrahlt daher tiefrot. Beim grünen Beryll sorgt dreifach positives Eisen für die grüne Farbe, der blaue Aquamarin trägt zweifach geladene Eisenionen in seinem Gitter.

Beim Rubin lassen sich Farbe und Glanz sogar nachträglich optimieren, wie Forscher kürzlich herausfanden: Legt man Edelstein von nur stumpfer, bläulich-dunkler Farbe in die Mikrowelle, erstrahlen sie hinterher in einem hellen Rot. Der Grund: Die Strahlung sorgt für Umlagerungen im Kristallgitter, durch die Defekte und Unregelmäßigen behoben werden. Außerdem verändert es die Elektronenverteilung der eingelagerten Chrom-, Eisen- und Titanionen. Das verleiht den Rubinen neuen Glanz.

Der aus Indien stammende Hope-Diamant ist für seine tiefblaue Farbe berühmt. Boratome verleihen ihm diese Farbe. © 350z33/CC-by-sa 3.0

Fremdatome und „Löcher“

Aber nicht nur Metallionen können Edelsteine farbig erstrahlen lassen. Beim Diamanten genügen beispielsweise winzigste Spuren von Stickstoff oder Bor, um den normalerweise farblosen Stein kanariengelb oder blau zu färben. Schon ein Atom Bor auf eine Million Kohlenstoffatome reicht dabei für ein sattes Blau aus. Solche Farbzentren im Diamant sind zwar bei Schmuck wenig beliebt, dafür aber bei Physikern umso mehr. Denn sie machen den Diamanten zu einem vielversprechenden Material für künftige Quantencomputer.

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Und auch eine solche Färbung lässt sich durch Manipulation erzielen: Bestrahlt man einen farblosen Diamanten mit Röntgenstrahlen, färbt er sich ebenfalls blau oder grünlich. Der Grund: Die energiereiche Strahlung schlägt einzelne Kohlenstoffatome aus dem Gitter und diese „Löcher“ verändern die Lichtabsorption des Steines.

Die "Sonnensteine" der Wikinger waren wahrscheinlich Doppelspat-Kristalle. © ArniEin/CC-by-sa 3.0

Mehr als nur Schmuck…

Die speziellen optischen Eigenschaften vieler Kristalle machen sie aber nicht nur zu begehrten Schmucksteinen, sondern auch zu begehrten Werkzeugen in Technik und Wissenschaft. So erzeugen Rubine und andere Kristalle in Lasern das gebündelte Licht, kristalline Chalkogenide ermöglichen ultradünne und trotzdem hochauflösende Linsen und kristalline Metamaterialien bremsen und stoppen sogar das Licht. Ohne Halbleiter schließlich gäbe es heute weder Computer noch Solarzellen oder LEDs.

Das Kristalle praktische Helfer sein können, wussten sogar schon die Wikinger: Sie nutzten wahrscheinlich ein Stück Doppelspat (Calcit) als Navigationshelfer. Dieser durchsichtige Sonnenstein bricht das Sonnenlicht in zwei Strahlen, die je nach Ausrichtung des Steines zu Sonne mehr oder weniger gleich hell erscheinen. Diese optische Eigenschaft half den Wikingern bei bedecktem Himmel und in der Dämmerung, die Position der Sonne zu bestimmen – bei der Orientierung auf See ein entscheidender Vorteil.

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Nadja Podbregar
Stand: 13.01.2017

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Kristalle
Formenreicher Schatz der Natur

Was sind Kristalle?
Auf die Symmetrie kommt es an

Vom Keim zum Prachtstück
Wie entstehen Kristalle?

Ein reicher Schatz
Warum der Mineralreichtum der Erde einzigartig ist

Auf das Gitter kommt es an
Was verleiht den Kristallen ihre Eigenschaften?

Funkelnde Pracht
Optische Eigenschaften von Kristallen

"Unmögliche" Kristalle
Die Entdeckung der Quasikristalle

Diaschauen zum Thema

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