Rheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften

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1 Rheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften VORTRÄGE N332 KLAUS LANGER Die Farbe von Mineralen und ihre Aussagefähigkeit für die Kristallchemie TASSO SPRINGER Diffusionsuntersuchungen mit Hilfe der Neutronenspektroskopie Westdeutscher Verlag

2 Sitzung am 2. März 1983 in Düsseldorf CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Langer, Klaus Die Farbe von Mineralen und ihre Aussagefähigkeit für die Kristallchemie / Klaus Langer. Diffusionsuntersuchungen mit Hilfe der Neutronenspektroskopie/ Tasso Springer. - Opladen: Westdeutscher Verlag, (Vorträge / Rheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften: Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften; N 332) ISBN NE: Springer, Tasso: Diffusionsuntersuchungen mit Hilfe der Neutronenspektroskopie; Rheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften (Düsseldorf): Vorträge/ Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften 1984 by Westdeutscher Verlag GmbH Opladen Herstellung: Westdeutscher Verlag Satz, Druck und buchbinderische Verarbeitung: Boss-Druck, Kleve Printed in Germany ISSN ISBN

3 Inhalt Klaus Langer, Berlin Die Farbe von Mineralen und ihre Aussagefähigkeit für die Kristallchemie 1. Einleitung Farbursachen bei Silikaten Wellenlängen-selektive Absorption von Licht: Absorptionsspektroskopie Was ist ein Absorptionsspektrum? Meßmethodik: Mikroskop-Spektrometrie kleiner Einkristalle Farbe und Pleochroismus: Beispiel Kosmochlor Kristallfeldstabilisierungsenergien, CFSE 3 dn und 3dn-Ion Verteilung Hochdruck-Spektroskopie bis 200 kbar Methodik Hochdruck-Spektroskopie von Almandin und lokale Kompressibilität der Fe 2 +[ 8 1Polyeder in diesem Granat Literatur Diskussionsbeiträge Professor Dr. rer. nat. Tasso Springer; Professor Dr. rer. nat. Klaus Langer; Professor Dr. rer. nat. Eugen Seibold; Professor Dr. agr. Hennann Kick; Professor Dr. rer. nat. Gerhard Lehmann; Professor Dr.-lng. Karl Friedrich Knoche; Professor Dr. rer. nat. Werner Schreyer; Professor Dr. rer. nat., Dr. rer. nat. h. c. Ewald Wicke Tasso Springer, Jülich und Aachen Diffusionsuntersuchungen mit Hilfe der Neutronenspektroskopie 1. Diffusionsprozesse Zur Neutronenspektroskopie Schnelle Diffusion für Wasserstoff in Metallen Polymerendiffusion: Brownsche Bewegung langer Ketten Literatur

4 6 Inhalt Diskussionsbeiträge Professor Dr. rer. nat., Dr. rer. nat. h. c. Ewald Wicke; Professor Dr. rer. nat. Tasso Springer; Professor Dr. rer. nat. Horst Rollnik; Professor Dr. phil. Otto Wilhelm Flörke; Professor Dr. rer. nat. Gerhard Lehmann; Professor Dr. rer. nat. Eugen Seibold; Professor Dr. rer. nat. Werner Schreyer

5 Die Farbe von Mineralen und ihre Aussagefähigkeit für die Kristallchemie Von Klaus Langer, Berlin 1. Einleitung Die Mineralogie hat, als Teilgebiet der Geowissenschaft, folgende Ziele in Forschung und Lehre: - Aufklärung des strukturellen und chemischen Aufbaues von - meist kristallinen und meist natürlichen - Festkörpern. - Ermittlung von Zusammenhängen zwischen strukturellem und chemischem Aufbau einerseits und physikalischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften andererseits bei den untersuchten Festkörpern sowie Aufdeckung der Gesetzmäßigkeiten, die diese Zusammenhänge beherrschen. - Erfassung des Bestandes an natürlichen Festkörpern, das sind die Minerale und Gesteine, und Aufklärung der Prozesse, durch die sie in der Natur gebildet wurden und werden. Dieses Feld mag weit gespannt erscheinen, überdeckt es doch Teilgebiete der Anorganischen Feststoffchemie, der Physikalischen Chemie, der Festkörperphysik, der Werkstoffwissenschaften und der zugehörigen angewandt-wissenschaftlichen Disziplinen.,,Überdecken" heißt dabei nicht,,,in Konkurrenz stehen zu", sondern kooperieren mit". In der Tat ist ein modern ausgebildeter, guter Mineraloge nach Abschluß seines Studiums in der Lage, in den genannten Feldern zu arbeiten. Die Faszination seines Faches und sein primäres wissenschaftliches Interesse aber liegen in der Erforschung der unbelebten, aber doch dynamischen Natur der Erde. Eine besondere Faszination rührt für ihn her von einer der makroskopisch auffälligsten Eigenschaften seiner bevorzugten Forschungsgegenstände, der Minerale und der aus ihnen gesetzmäßig aufgebauten Gesteine, nämlich von ihrer Farbe, von der hier gesprochen werden soll. Farbe von Mineralen" ist ein äußerst komplexer Problembereich. Daher möchte ich gleich zu Beginn dieses Beitrages eine Begrenzung einführen: Der Beitrag wird sich auf gesteinsbildende Silikatminerale beschränken. Dabei hoffe ich zeigen zu können, daß die Farbe von Silikatmineralen kristallchemische und geochemische Informationen enthält, die wesentliche Beiträge liefern können zu den eingangs genannten Forschungszielen des geowissenschaftlichen Teilgebietes,,Mineralogie".

6 Diffusionsuntersuchungen mit Hilfe der Neutronenspektroskopie Von Tasso Springer, Jülich und Aachen 1. Di/fusionsprozesse Unter den vielen irreversiblen Naturvorgängen spielt die Diffusion eine hervorragende Rolle, so etwa bei Vorgängen in der Chemie, der Metallurgie, der Mineralogie oder der Biologie. Diese treten verschiedenartig in Erscheinung. Wir können sie makroskopisch beobachten, beispielsweise für eine Legierung aus zwei Metallen A und B: Aus einem Bereich leichten Überschusses bezüglich der Sorte A würde ein Diffusionsstrom JA =-D grad na fließen, welcher der Diffusionskonstante D und dem Dichtegefälle grad na proportional wäre. Nach längerer Zeit hätte die Diffusion einen Ausgleich der Konzentrationen hergestellt. Wenn wir andererseits nur eine Atomsorte haben, so unterliegen deren Atome der Brownschen Bewegung, oder wie man hier sagt: der Selbstdiffusion. Sie ist beobachtbar, wenn ein Teil der Atome markiert wird, etwa durch (radioaktive) Isotope, wobei diese Markierung sie chemisch gegenüber den übrigen Atomen unverändert läßt. Wir können dann ebenfalls die Änderung einer zunächst ungleichen Dichteverteilung der markierten Atome verfolgen. (Im folgenden wird oft etwas achtlos Diffusion geschrieben, wo besser Selbstdiffusion oder Brownsche Bewegung stünde.) Als Alternative zu dieser Beobachtungsart haben wir mikroskopische" Verfahren zur Messung der Selbstdiffusion, unter denen die Streuung von Strahlung und darunter die Neutronenspektroskopie eine ausgezeichnete Rolle spielen. Abb. 1: Zur Erklärung des mittleren quadratischen Diffusionsweges eines Teilchens (z.b. eines H-Atoms) < r 2 (t) > während einer Zeit t. r ist ein Ortsvektor. Der Mittelwert ist über alle möglichen Wege gebildet. Die Neutronen-Spinechomethode (Fourier-Spektrometer) erlaubt die Messung der mittleren Polarisation, welche zu I(Q, t)=exp-[q 2 < r 2 (t) > /6] proportional ist.