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Farbzentrum

Inhaltsverzeichnis


In den meisten Fällen wird die Farbe durch die inneren Eigenschaften eines Minerals bedingt, bzw. dadurch, daß ein Chromophor als Bestandteil der Verbindung vorliegt. In einigen Fällen kann ein Mineral diese oder jene Farbe haben, ohne daß eine Verbindung mit Farbträgern besteht oder irgendeine Änderung der chemischen Zusammensetzung eingetreten ist.


Was sind Farbzentren ?

Allgemeine Definition

  • (a)

Ein Gitterdefekt in einem kristallinen Festkörper mit einer nichtbesetzten negativen Ionenpositition (Leerstelle) und einem oder mehreren diese Position besetzenden Elektron(en). Solche Effekte absorbieren Licht und lassen ansonsten farblose Kristalle farbig erscheinen.

  • (b)

Farbzentren sind Leerstellen in Ionenkristallen, an welchen Ionen fehlen. Die Ladung dieser fehlenden Anionen wird ausgeglichen, indem die Leerstelle mit einem oder mehreren Elektronen besetzt wird.

  • (c)

Ein F-Zentrum ist ein in einer Anionenstelle eingefangenes Elektron


Physikalische Definition

Das ungepaarte Elektron, welches Farbe durch Lichtabsorption erzeugt, muß nicht auf einem Übergangs- (Transitions-)-Element-Ion sein; unter bestimmten Umständen kann es auf einem "Nicht-Übergangselement-Unreinheits-Ion" oder auf einem Kristalldefekt, wie einem fehlenden Ion beruhen. Beides können die Ursache von Farbzentren sein. Farbzentren können auch im Zusammenhang mit der Bandtheorie (s.u. > Farbe) stehen (Schulman, J.H., Compton, W.D., 1962).

Wird ein NaCl-Kristall in Natriumdampf erhitzt, so bekommt er eine tiefgelbe Farbe; erhitzt man aber KCl in Kaliumdampf, so wird dieses rot gefärbt. Die Farbzentren, welche für diese Farbeffekte im Sichtbaren verantwortlich sind, wurden als F-Zentren bezeichnet. F-Zentren sind Zentren, die dann entstehen, wenn Ionenkristalle im Dampf ihres eigenen Metalls erhitzt werden. Wird andererseits NaCl in Cl2-Gas erhitzt, so wird es ebenfalls verfärbt; die farberzeugenden Zentren werden V-Zentren genannt.

  • F-Zentren (Elektron-Farbzentrum)

Wenn ein Elektron an einer Leerstelle vorhanden ist, handelt es sich um ein "Elektron"-Farbzenter. (Diese Elektronen besetzen Positionen innerhalb des Kristallgitters mit einem fehlenden Ion; anstelle eines Anions (ein negativ geladenes Ion) sitzt dort ein Elektron). (Bsp.: Fluorit) Diese Elektronen können elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts absorbieren, was zu einer Verfärbung des Kristalls führt. Das Absorptionsspektrum eines solchen Kristalls besitzt eine scharfe Linie (F-Bande), wobei die Position von der Größe und Form der Anionenleerstelle abhängt, die dem Elektron zur Verfügung steht. Das Spektrum hängt also primär und ausschließlich von der Struktur des Wirtssytems ab und ist unabhängig von der Herkunft des Elektrons.

  • V-Zentren

Wenn man das Absorptionsspektrum von NaCl nach dem Beschuß mit Röntgenstrahlen betrachtet, so findet man außer einer starken F-Zentrenbande noch schwächere Banden, die gegen das UV hin verschoben sind. Die Zentren dieser schwächeren Banden werden V-Zentren genannt. Eines dieser vielen V-Zentren sind kovalent gebundene Cl-Ionen in einem intakten NaCl-Gitter, ohne daß Leerstellen oder andere Fehler benachbart sind.


Beispiel für Farbzentren

  • Purpurfarbener / Violetter Fluorit

Es sind zahlreiche Farbzentren bekannt, wohingegen der genaue Farbgebungs-Mechanismus nur für einige wenige klar dargestellt wurde. Einer dieser Mechanismen ist das purpurfarbene "F-Zentrum" oder in Fluorit, eines von vielen Arten von Farbzentren, die sich in Fluorit bilden können. Das Farbzentrum des purpurfarbenen / violetten Fluorits ist grundsätzlich lichtstabil

Im Falle von Rauchquarz handelt es sich um ein "V-Zentrum". Ein notwendiger Vorläufer dieses Farbzentrums ist eine Al3+ - Verunreinigung im Quarz, welche Si4+ - Ionen ersetzt (mit einem Alkali (e.g. Na+) oder einem Wasserstoff-Ion (H+), um die Elektroneutralität zu erhalten). Jedoch: Interstitielles Al ist keine Grundvoraussetzung zur Bildung von Rauchquarz. Die meisten natürlichen Quarze enthalten Al im mehrere ppm-Bereich, welches selbst jedoch keine Farbe erzeugt, da keine ungepaarten Elektronen vorhanden sind. Wenn solche Quarze mit Röntgen-, Gammstrahlen, Neutronen etc. bestrahlt werden, oder wenn sie in der Nähe von radioaktiven Materialien, welche über geologische Zeitperioden gering strahlen, ausgesetzt wurden, dann kann ein Elektronenpaar auf einem Sauerstoff-Ion, benachbart zu jedem Al-Ion aus seiner Position geworfen werden und ungepaarte Elektronen hinterlassen. Diese "Leerstellen-Effekte" (Leerstelle bedeutet, daß dort nun nur ein Elektron vorhanden ist, wo vorher ein Elektronenpaar war) können nun Energieniveaus und Licht absorbierende Übergänge angeregt haben und dadurch die rauchige Farbe von Quarz bewirken. Rauchquarz ist lichtstabil.

ist ein ähnliches Farbzentrum, in welchem Fe anstelle von Al farbverursachend ist. Abhängig von der Lage und der Umgebung dieses Fe-verursachten Farbe, wird ein erhitzter Amethyst entweder gelb (e.g. Citrin) oder grün. Selbst wenn die gelbe oder grüne Farbe nach der Erhitzung eine allochromatische Übergangsmetall-Verunreinigungsfarbe ist, stammt die Amethyst-Farbe dennoch von einem Farbzentrum. Wird Amethyst nach der Erhitzung bestrahlt (s.o.), kann das Farbzentrum, bzw. die Amethystfarbe wieder hergestellt werden.


Weitere Beispiele für Farbzentren

  • Bestrahlter Diamant (grün, gelb, braun, schwarz, blau, rosa) sowie einige natürliche und bestrahlte blaue Topase. Sie sind grundsäzlich lichtstabil.
  • Maxix-Typ Beryll (intensiv blau), einige bestrahlte Topase (braun), bestrahlte Saphire (gelb), durch UV-Licht bestrahlter purpurfarbener Hackmanit.
  • Orangefärbung von Topasen durch additive Wirkung von Cr3+-Ionen auf Al-Gitterplätzen und gelben Farbzentren (Petrov, 1977)

Andere Farben, die wahrscheinlich auf Farbzentren beruhen:


Anwendungspraxis - Bestrahlung mit Röntgen-/ Gammstrahlen sowie Neutronen

Die Bestrahlung von Mineralien zur Erzeugung von intensiven Farben wird u.a. bei Fluorit (chinesische grüne Fluorite); bzw. zur Färbung sonst farbloser Kristalle bei Quarz (Arkansas-Rauchquarze); besonders aber zur Verfärbung von Edelsteinen angewandt. Je energiereicher eine bestimte Strahlenart ist, desto intensiver wird die Färbung.


Links

Farbe, Farbveränderung, Farbzonierung, Zonierung in Kristallen, Chromophor, Kristallbaufehler, Fluorit (Ursachen der Farbgebung), Künstliche Kristalle


Literatur und web-links


Quellangaben


Einordnung