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Tribolumineszenz von Quarz
Pok
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Tribolumineszenz von Quarz

Das Phänomen der Tribolumineszenz lässt sich nur mit wenigen Alltagsmaterialien beobachten, wie z.B. Haushaltszucker oder Klebeband. Ein weiteres geeignetes Material ist Quarz, der in Form von Kieselsteinen vorkommt und beim Reiben relativ helles oranges Licht aussendet.


Material:

Quarz (z.B. Kieselsteine oder Bergkristall)


Durchführung:

Quarzkiesel sind häufiger Bestandteil von Kiesmischungen oder lassen sich in der freien Natur, z.B. in Flussbetten finden. Um die Tribolumineszenz zu beobachten, reibt man im Dunklen zwei Kiesel unter möglichst großem Druck und hoher Geschwindigkeit aneinander (ähnlich wie die Bewegung beim Anzünden eines Streichholzes). Dabei ist an der Kontaktfläche ein gelbes bis oranges Licht zu sehen, das je nach Transparenz der Kiesel einige Millimeter ins Innere der Steine scheint. Das Leuchten ist hell genug, um bei gedimmtem Licht wahrgenommen zu werden. Bei Bergkristallen kann das ausgesandte Licht durch Brechung den ganzen Kristall erhellen.1 An den Steinen lässt sich anschließend ein leicht verbrannter Geruch feststellen, ähnlich wie verbrannte Haare.


Erklärung:

Quarz besteht aus Siliciumdioxid. Durch das Aneinanderreiben der Kiesel wird oberflächlich das Kristallgitter zerstört, indem Silicium-Sauerstoff-Bindungen getrennt werden. So entstehen Radikale, welche bei der Rückkehr in den Grundzustand Licht aussenden.2 Die Zerstörung der Quarzoberfläche ist durch das Herunterrieseln von kleinen Mengen Quarzstaub sichtbar.

Auf den Kieselsteinen befinden sich nach dem Anfassen kleine Mengen an Hautschuppen, welche durch die Reibungswärme thermische zersetzt werden. Die stark riechenden Zersetzungsprodukte sind möglicherweise für den entstehenden Geruch verantwortlich. Bei Feuersteinen, die ebenfalls Tribolumineszenz zeigen können, ist der Geruch besonders stark, weil die mikroskopischen Kristallkörnchen eine ähnliche Größe wie Hautschuppen haben und letztere somit besonders effektiv zerrieben werden.3

Das Silicium ist im Quarz vollständig oxidiert, sodass es sich bei dem Leuchten nicht um verbrennende Funken handeln kann. Weggeschleuderte Partikel leuchten zudem nicht oder nur sehr selten. Außerdem lassen sich gewöhnliche brennbare Stoffe nicht entzünden und die Lumineszenz funktioniert unter Wasser ebenfalls.3


Entsorgung:

Die Steine in den Hausmüll geben oder zum Fundort zurückbringen.


Bilder:


Kieselsteine


Werden die Spitzen zweier Kiesel aneinandergedrückt und dann ruckartig zur Seite gezogen, blitzt es zwischen den Spitzen auf, wobei das Licht einige Millimeter tief in das Material beider Steine eindringt. Bildbreite: 3-4 cm.


Langzeitbelichtung vom Reiben zweier Kiesel von oben rechts nach unten links


Video:




Quellen:

[1] Video mit transparentem Quarzkristall

[2] Vettegren et al. (2008) Fractoluminescense of Crystalline Quartz upon an Impact. Physics of the Solid State, 50, 28-31. doi:10.1134/S1063783408010071

[3] Johnsen (1919) Über die Funken und den Geruch beim Aneinanderschlagen von Mineralien. Naturwissenschaften, 7, 459-461. doi:10.1007/BF01497828
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NI2
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Gefällt mir sehr gut, hatte ich glaube schon mal probiert wenn ich mich nicht irre.

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Woher weiß man, dass es sich dabei nicht um elektrische Effekte handelt?
Quarz ist immerhin der piezoelektrische Stoff schlechthin, in Elektronik als Schwingkristall ist es daher durchaus wichtig.
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Pok
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Was meinst du konkret mit elektrischem Effekt? Stille elektrische Entladung, welche den Stickstoff aus der Luft zur Emission von UV-Licht anregt, das Fluoreszenz im Kristall erzeugt, ist es wahrscheinlich nicht. "For a quartz disk, a broad band in the spectral range from 450 to 700 nm was attributed to luminescence of nonbridging oxygen hole centers. Similar luminescence was reported by Miura et al. under scratchinga quartz disk in vacuum. Taken together these findings suggest that solid luminescence of quartz should be induced by mechanical deformation and fracture rather than by UV–vis gas discharge luminescence." (Quelle, S. 74)

Quarz ist zwar auch piezolumineszent, aber "For the present discussion, the term triboluminescence will be reserved for the light seen at fracture, and piezoluminescence for the light emitted in the elastic regime." (Quelle) Beim frontalen Aufeinanderschlagen zweier Quarzstücke sieht man nichts oder nur sehr wenig. Das wäre elastische Verformung und damit Piezolumineszenz (falls du das meinst). Beim Reiben sind die Druckänderungen auf jeden Fall langsamer und der erreichte Druck schwächer und trotzdem ist das Licht viel heller. Außerdem wird immer Material abgetragen. Also gehe ich davon aus, dass es keine Piezolumineszenz ist, sondern die Erklärung mit den Radikalen richtig ist.

Die piezoelektrische Eigenschaft und die Tribolumineszenz hängen beim Quarz vermutlich zusammen. Manche verwenden auch Piezolumineszenz und Tribolumineszenz synonym. Allerdings gibt es auch piezoelektrische Stoffe, die keine TL zeigen und umgekehrt.
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Das gefällt mir sehr gut! Ich habe es auch früher probiert und fand den Effelkt auch ohne nähere Hinterfragung interessant.... Jetzt verstehe ich auch, warum das auch unter Wasser ging.... Wink

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Gefällt mir auch gut. Mein Vater hat mir das schon als kleiner Junge gezeigt - damals unter der Überschrift "Feuerstein".

Dazu mal eine Frage: was genau sind denn Feuersteine? Und wenn man sie wirklich zum Feueranzünden verwendet hat, müssten dann nicht doch glühende/brennende Funken abgesprungen sein?

N.B.: der Versuch wurde gestern publiziert und ist schon in die Showexperimente verschoben. Ich finde zwar nichts verbesserungswürdig - aber das ist doch ungewöhnlich schnell und keiner hat für die Verschiebung veranwtwortlich gezeichnet. Letzteres sollte noch nachgeholt werden.

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Das war ich. Habe gestern auch mal die Schmiede ein wenig aufgeräumt und ausgemistet. Da viele Artikel bereits seit langer Zeit (über einem Jahr) in der Schmiede standen schien mir das recht sinnvoll. Um nicht dafür zu sorgen, dass auf der Startseite sämtliche aktuelle Posts durch immer den gleichen Verschiedbungskommentar verdrängt werden, habe ich die Sachen nicht mehr gekennzeichnet. Darüber hinaus auch nur Sachen verschoben welche recht eindeutig "fertig". Viele diskussionsbedürftige Artikel sind noch in der Schmiede.

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@Lemmi:
Stein an Stein gibt erstmal keinen Funken. Um einen Funken zu erzeugen Braucht man ein hartes Mineral, Quarz oder Flintstein (beide bestehen Hauptsächlich aus SiO2) mit einer scharfen Kante und einen weichen Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt oder Pyrit. Schlägt man den Stahl nun an der Kante entlang schählen sich kleine Spähne ab, die sich durch die gleichzeitig entstehende Reibungswärme entzünden. Alles andere funktioniert nur bei Fred Feuerstein Very Happy
Wär die Frage was früher aufgekommen, so vor ziemlich genau einer Woche, hätt ich's dir auf dem Foren Treffen zeigen können.
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Das heißt, man beötigt Stahl um mit Feuersteinen Feuer entzünden zu können? Dan kann man aber in der Steinzeit diese Methode nicht benutzt haben ... Und selbst in der Eisenzeit musste man erstmal Feuer entzünden, um die Meiler in Betrieb zu nehmen, mit deren Hilfa man dann das Eisen fürs Feuermachen hergestellt hat ... Neutral

Aber vermutlich gab es zwischen der Eisenzeit und der Erfindung der Feuerzeuge noch eine genügend lange Zeitspanne in der man mit Feuerstein und Stahl Fuer machen musste.

Wenn ich das richtig verstehe kommt es dabei aber auf die genaue Zusammensetzung des Feuersteins gar nicht an. Es muss nur ein genügend harter Stein sein, mit dem man Späne aus dem Stal abtrennen kann. Quarz und Stahl haben eine ähnliche Härte (7 auf der Skala von Mohs).

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Pok
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Stahl braucht man nicht. In der Steinzeit hat man, wie R'-MgX schrieb, Pyrit genommen. Die Vermutung mit der Härte ist richtig (steht so in der 3. Quelle). Feuerstein wurde vermutlich deshalb zum Abschlagen von Pyrit benutzt, weil er sehr häufig war und leicht scharfe Kanten erzeugt werden konnten. Aus derselben Quelle:

"Wenn sich prähistorische Menschen mit jenen Mitteln [alleine mit Feuersteinen] Feuer bereitet hätten, so würde man wohl unter den Grabbeigaben zwei Flintsteine finden. Das war aber bisher nicht der Fall; dagegen wurden sowohl in der nordischen Ganggäberzeit als auch in der nordischen Bronzeperiode den Toten häufig eine Feuersteinscherbe und eine - inzwischen stark zersetzte - Schwefelkiesknolle mitgegeben."
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