Магнитные свойства минералов

В соответствии с поведением в магнитном поле все кристаллические вещества делятся на следующие категории: диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные, антиферромагнитные и ферримагнитные. Магнитные свойства связаны с электронами атомов или ионов. Исходя из принципов квантовой механики, движение электрона по замкнутой орбите вокруг ядра можно рассматривать как круговой электрический ток, который возбуждает вокруг себя магнитное поле. Когда кристалл помещается во внешнем неоднородном магнитном поле, в нем возникают силы, стремящиеся выровнять магнитные поля атомов, что приводит к возникновению магнитного момента у кристалла в целом. Магнитная восприимчивость кристалла равна отношению возникшего магнитного момента к напряженности внешнего поля.

Диамагнитные вещества имеют небольшую отрицательную магнитную восприимчивость и слабо отталкиваются внешним магнитным полем.

Парамагнитные вещества характеризуются небольшим положительным значением и слабо притягиваются полем. Парамагнитными являются металлы, имеющие облака свободных электронов. Например, целый ряд минералов, содержащих в своем составе железо, являются парамагнитными. Вместе с тем существуют парамагнитные минералы, не содержащие железа. Такое свойство в отечественной литературе, в общем, называется электромагнитностью.

При отсутствии внешнего поля ни диамагнитные, ни парамагнитные вещества не сохраняют никакого магнитного момента.

Различия в магнитной восприимчивости весьма ощутимы, а потому они оказываются очень полезными для выделения чистых фракций минералов из раздробленных пород и руд с помощью электромагнитного поля большой напряженности. В этом процессе как в лабораторных условиях, так и на производстве (на горно-обогатительных комбинатах) используют магнитные сепараторы.

Ферромагнитные вещества обладают магнитным моментом даже при отсутствии окружающего поля. Ферромагнитные вещества сильно притягиваются даже слабым магнитным полем и остаются постоянно намагниченными. Они сохраняют это свойство и при отсутствии внешнего магнитного поля. При нормальной температуре вследствие взаимодействия с соседними атомами магнитные моменты электронов в этих веществах постоянно располагаются вдоль одной прямой. Это легко представить, если условно разделить кристалл на области – домены, в пределах которых магнитные моменты ориентированы в одном направлении. В ненамагниченном состоянии домены не параллельны и их ориентация носит беспорядочный характер. Считается, что когда накладывается внешнее магнитное поле, то либо домены, в которых моменты почти параллельны ему, разрастаются за счет других, либо их ориентация изменяется таким образом, что все они становятся параллельны полю. Если домены оказались сориентированы указанным образом и при этом были созданы условия для свободного вращения материала, то он установится параллельно магнитному полю Земли.

Таким образом, по магнитным свойствам выделяют магнитные, слабомагнитные и немагнитные минералы.

Магнитные притягиваются простым (постоянным) магнитом. Таких минералов лишь несколько – это магнетит, самородное железо, тетраферриплатина, изоферриплатина, железистая платина, некоторые разновидности ильменита и пирротин. Причем, кристаллы и зерна магнетита, пирротина, изредка ильменита сами по себе являются природными постоянными магнитами, имеющими силу и полярность настоящего магнита.

К слабомагнитным относятся те минералы, которые не притягиваются простым магнитом, но приобретают магнитные свойства под действием электрического (электромагнитного) поля. Таковы, например, разные железистые силикаты, оксиды и гидроксиды железа, ильменит FeTiO₃, железистый сфалерит. Немагнитными являются большинство минералов. Это разделение на три группы в практической работе геолога используется при обогащении и переработке руд.

Магнитные свойства магнетита, как и других изоморфных смесей, зависят от химического состава минерала: чем больше в магнетите алюминия и титана, замещающих трехвалентное железо, тем слабее его магнитные свойства.

Под действием магнитного поля Земли в течение геологического времени в зернистых агрегатах магнитных минералов и рудах иногда происходит параллельная или близкая к этому ориентация векторов намагниченности отдельных зерен. Кусок руды превращается в природный магнит – он имеет свои полюса. Поэтому, если образец магнитной руды не притягивает магнит, то он может быть полярно намагничен и может отталкивать его.

Электрические свойства

В большинстве своем минералы плохо проводят электричество (обладают малой электропроводностью), исключение составляют самородные металлы – золото, медь, серебро и др., сульфиды, некоторые оксиды (магнетит) и графит, удельное сопротивление которых менее 10 Ом · м.

По своим электрическим свойствам минералы делятся на следующие группы: проводники и непроводники. Некоторые ученые, однако, подразделяют первую из этих групп на собственно проводники и полупроводники. Электрические свойства многих минералов можно непосредственно связать с характером химической связи в их структурах. Так, проводниками являются минералы с металлической связью, а непроводниками (которые также называются диэлектриками или изоляторами) – минералы с ковалентной или ионной связью. Самородные металлы – медь, золото, железо, серебро, платина – проводники; некоторые из сульфидов и оксидов – полупроводники, почти все другие минералы – непроводники.

Ряд минералов обладает электронной и ионной проводимостью, например сульфиды – пирит, марказит, халькопирит, борнит, сфалерит и др. В поверхностных зонах руд, смоченных грунтовыми водами на контактах зерен сульфидов возникают микрогальванические элементы – возникает ЭДС (электродвижущая сила). Это вызывает химические реакции на контактах зерен.

На использовании электрических свойств минералов основаны различные методы электроразведки месторождений полезных ископаемых – методы сопротивления, естественного электрического поля, заряженного тела, вызванной поляризации и др.

Электропроводность минералов может изменяться в зависимости от давления и температуры. В некоторых непроводящих минералах можно вызвать появление электрического заряда, изменяя их температуру или подвергая их направленному давлению.

Пьезоэлектричество

Пьезоэлектрики – это минералы с полярными направлениями в их кристаллах (обусловленными структурой). При растяжении – сжатии кристаллов-диэлектриков вдоль полярной оси возникает ЭДС (прямой эффект). Если же к концам полярной оси приложить переменное электрическое поле, кристалл начнет сжиматься и расширяться вдоль полярной оси (обратный эффект). Известно более 1200 веществ – пьезоэлектриков. Наиболее сильно этот эффект проявляется в кварце, а из искусственных веществ – в сегнетовой соли NaKC₄H₄O₆ · 4H₂O, титанате бария BaTiO₃. Пьезоэлектричество было открыто в 1880 г. братьями Пьером и Жаком Кюри, которые наблюдали возникновение положительного и отрицательного заряда на противоположных концах кристаллов кварца, который сдавливался в определенных направлениях. Через год обнаружили обратный эффект. Применение этому «фокусу» нашлось во время первой мировой войны, когда начали проводиться эксперименты по обнаружению звуковых волн, исходящих от подводных лодок, с помощью пластинок пьезоэлектрического кварца.

Пироэлектричество

Также возникает в крсталлах-диэлектриках с полярными направлениями. Все минералы, обладающие пироэффектом имеют одну полярную ось, т. е. ось, на противоположных концах которой образуются различные простые формы. При нагревании (или охлаждении) разные концы этих полярных осей получают разноименные электрические заряды. Примером минерала-пироэлектрика является турмалин (ось L₃ в нем – полярная). Пироэлектричество впервые наблюдалось на ювелирных кристаллах турмалина, привезенных их Шри-Ланки датскими купцами, которые обратили внимание на то, что кристалл, помещенный в теплую золу, притягивает частицы этой золы одним концом и не притягивает другим.

Радиоактивность

Наиболее известными встречающимися в природе радиоактивными элементами являются уран и торий. Их атомы самопроизвольно распадаются с испусканием из ядра сначала α-частиц (идентичны ядрам атома гелия), а затем β-частиц (электроны ядер). На последующих стадиях в результате этих процессов U и Th проходят через ряд неустойчивых продуктов распада, образуя в конце концов стабильный изотоп свинца. Одновременно распад приводит к выделению энергии в виде γ-лучей, которые представляют собой электромагнитное излучение, подобное рентгеновскому, но с более короткими длинами волн.

Излучение, испускаемое минералами, содержащими U и Th, можно фиксировать портативными счетчиками Гейгера (радиометрами), которые являются ценными инструментами для поисков таких минералов. Вследствие собственной радиоактивности может произойти разрушение структуры минерала (об этом мы говорили в предыдущих лекциях) – возникает метамиктный распад, например, циркона, ортита. Такое разрушение ведет к увеличению объема минерала, к постепенному превращению его в аморфное вещество – стекло.

Радиоактивный распад происходит с постоянной скоростью независимо от температуры, давления и химической комбинации атомов. Поскольку скорость распада известна, то определяя отношение радиогенного свинца к урану (или к сумме урана и тория) в минералах, содержащих эти элементы, можно определить время, прошедшее с момента кристаллизации минерала. Этот метод, так же как и другие, аналогичные ему и основанные на процессах распада калия до аргона и рубидия до стронция, лежит в основе исчисления абсолютного геологического времени.

Вопросы.1. Что такое прочность и как ее определяют? 2. От чего зависят упругость, хрупкость и ковкость минералов? 3. Как делятся минералы по магнитным свойствам? 4. Как используются магнитные и электрические свойства при определении минералов? 5. Как используют радиоактивность минералов в геологии? 6. Как используют физические свойства минералов для их диагностики? 7. Назовите главнейшие физические свойства минералов. 8. Назовите причину интерференции лабрадора, опала. 9. Как отличить иризацию от побежалости? 10. Какова причина побежалости минералов?

Лекция 10

Определение и описание минералов. Макроскопическая идентификация минералов. Определение физических свойств минералов (морфология кристаллов, блеск) Определение физических свойств минералов (цвет и черта, твердость, плотность).