Funkeln in der Tiefe

Strukturfarben sind nicht nur in der belebten Natur ein beliebter „Trick“, auch im Reich der Mineralien und Gesteine gehören sie durchaus zum gängigen Repertoire. Feinste Risse lassen beispielsweise den Quarz bei bestimmtem Lichteinfallswinkel in allen Regenbogenfarben schillern. Verantwortlich für dieses Irisieren ist eine Interferenz durch die Reflexion der Lichtwellen an den abwechselnden Luft- und Gesteinsschichten.

Interferenz durch „Kügelchen-Blitze“

Ebenfalls auf Interferenz beruht das buntschillernde Fleckenmuster des Opals. Je nach Herkunft und Zusammensetzung können diese Steine feurig rot, milchig weiss, blau oder bunt gescheckt erscheinen. Bei der edelsten Opalart, den so genannten „precious opals“ leuchten zusätzlich bei bestimmten Betrachtungswinkeln in der Tiefe des Steins brilliante Farbblitze, die „flashes“ auf. Geradezu hymnisch beschreibt der römische Geschichtsschreiber Plinius die Opalfarben: „In ihnen brennt ein sanfteres Feuer als beim Rubin, sie haben das brilliante Purpur des Amethysts und das Meeresgrün des Smaragds – alle zusammen leuchtend in einer unglaublichen Einheit.“

Opal © The Mineralgallery

Der Opal ist einer der wenigen Edelsteine, dessen Grundbausteine keine eng gepackte Kristallstruktur bilden. Er besteht aus Siliziumdioxid und Wasserund ist physikalisch gesehen eher ein Sonderling unter den Mineralien: Seine Millionen winziger Kieselgel-Kügelchen sind nicht eng miteinandere vernetzt in einem dreidimensionalen Gitter angeordnet, sondern liegen in parallelen Schichten. Zwischen diesen befinden sich Wassermoleküle, deren Anteil bis zu zehn Prozent ausmachen kann.

Die Lichtstrahlen werden an den Silikat- und Wasserschichten reflektiert und gebeugt. Ähnlich wie bei den Flügelschuppen vieler Schmetterlinge treten dabei unterschiedliche Überlagerungseffekte auf. Die Farbe der Opale verändert sich daher je nach Größe der Kügelchen und Beobachtungsrichtung. Die Leuchtkraft ihrer „flashes“ dagegen hängt von der Regelmäßigkeit der Kügelchen-Anordnung ab. Das auch das Wasser für diese Interferenz eine wichtige Rolle spielt, zeigt sich spätestens dann, wenn man den Stein erwärmt oder ihm chemisch das Wasser entzieht: Er wechselt seine Farbe.

Zaubertrick mit Elektronen

Aquamarin © The Mineralgallery

Nicht auf Interferenz, sondern auf der gezielten Absorption von bestimmten Wellenlängen des Lichts durch Elektronen beruht die leuchtende Farbigkeit roter Rubine, blauer Aquamarine, grüner Smaragde und vieler anderer Edelsteine. In ihrem Kristallgitter finden sich winzige Verunreinigungen durch positiv geladene Metallionen. Ihre Elektronen „tanken“ Energie aus dem einfallenden Licht und versetzen sich dadurch in einen energiereicheren, angeregten Zustand. Im restlichen, reflektierten Licht fehlt der entnommene Teil der Strahlung, daher entspricht die Farbe des Kristalls den übrigbleibenden Wellenlängen. Im Rubin beispielsweise absorbieren dreifach positive geladenen Chrom-Ionen (Cr3+) Licht im gelb-grünen Bereich, als Folge strahlt der Stein tiefrot.

Weil die Ladung des Metallions bestimmt, durch welche Wellenlängen ihre Elektronen sich anregen lassen, ändert sich mit ihr auch Farbe und Intensität der Edelsteine. Ein einfacher „Zaubertrick“ zeigt dies: Erhitzt man einen grünen Beryll in Anwesenheit von Elektronen-abgebenden Substanzen, wandelt er sich in einen leuchtend blauen Aquamarin um. Der Trick: Beide Steine erhalten ihre Farbe durch eingelagerte Eisenionen. Beim Beryll ist das Eisen jedoch dreifach positiv (Fe3+), beim Aquamarin nur zweifach. Beim Erhitzen nimmt das Eisen im Beryll Elektronen auf und verändert so seine Ladung.

Ein Diamant macht „blau“

Doch nicht nur Metallionen können Edelsteine zum Leuchten bringen. Beim aus purem Kohlenstoff bestehenden Diamant genügen schon winzigste Spuren von Stickstoff oder Bor, um den im reinen Zustand farblosen Stein kanariengelb oder blau zu färben. Schon ein Atom Bor auf eine Million Kohlenstoffatome reicht für ein sattes Blau aus. Aber „blau“ machen kann der Diamant auch ganz ohne Fremdkörper: Eine Bestrahlung mit energiereiche Röntgenstrahlen genügt. Sie schlägt einzelne Kohlenstoffatome aus dem Kristallgitter des Edelsteins und erzeugt so Verunreinigungen durch „Löcher“. Auch diese absorbieren Licht im rot-orangen Bereich und färben den Stein blau oder grün.

Stand: 06.07.2003