Шкала Морзе в минералогии¶
Шкала Морзе — десятибалльная минералогическая шкала твёрдости, предложенная американским минералогом Эдвардом Чарльзом Морзе в 1811 году и с тех пор остающаяся основным способом сравнительной оценки твёрдости минералов. Она основана на принципе эталонных минералов: каждый из десяти минералов списка способен оставлять царапину на предыдущем, но сам царапается следующим. Шкала не является линейной по абсолютной твёрдости и не имеет единиц измерения в физическом смысле — это порядковая (ранговая) шкала.
¶История создания
Эдвард Чарльз Морзе (1776–1865) работал в области минералогии и систематики природных соединений. В начале XIX века существовало несколько конкурирующих способов описания твёрдости: одни исследователи использовали качественные определения («мягкий», «твёрдый»), другие предлагали громоздкие наборы эталонов. Морзе отобрал десять широко распространённых и доступных минералов, расположил их по возрастанию твёрдости и опубликовал список в 1811 году. Позднее шкала была дополнена и уточнена, а её автор вошёл в историю именно как создатель этой классификации, хотя занимался также кристаллографией и описанием минералов Нового Света.
Шкала быстро вытеснила более ранние системы и к середине XIX века стала стандартом в минералогической практике. В 1820-х годах её применяли при описании коллекций в Европе, а в России — при изучении уральских и сибирских месторождений.
¶Эталонные минералы
| Балл | Минерал | Химическая формула | Категория |
|---|---|---|---|
| 1 | Тальк | Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ | силикат |
| 2 | Гипс | CaSO₄·2H₂O | сульфат |
| 3 | Кальцит | CaCO₃ | карбонат |
| 4 | Флюорит | CaF₂ | галогенид |
| 5 | Апатит | Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH) | фосфат |
| 6 | Ортоклаз | KAlSi₃O₈ | силикат |
| 7 | Кварц | SiO₂ | оксид |
| 8 | Топаз | Al₂SiO₄(F,OH)₂ | силикат |
| 9 | Корунд | Al₂O₃ | оксид |
| 10 | Алмаз | C | самородный элемент |
Каждый минерал царапает все предыдущие и царапается всеми последующими. Материалы с промежуточной твёрдостью оценивают, определяя, между какими двумя эталонами они находятся.
¶Принцип работы и методика
Определение твёрдости по шкале Морзе проводят двумя способами. Первый — нанесение царапины: испытуемым минералом проводят по гладкой поверхности эталона и наоборот. Если образец царапает эталон, его твёрдость выше. Второй — сравнение по «острому» краю: более твёрдый минерал оставляет борозду на более мягком.
Существуют практические приёмы для быстрой оценки в поле. Ноготь человека имеет твёрдость около 2,5, медная монета — около 3,5, стекло — около 5,5, стальной нож — около 6, напильник — около 7. Эти подручные эталоны позволяют приблизительно определить положение образца без лабораторного набора.
Важно учитывать анизотропию: у некоторых минералов твёрдость различается по разным кристаллографическим направлениям. Классический пример — кианит (дистен), у которого твёрдость вдоль удлинения кристалла составляет около 4,5, а поперёк — около 7. Также твёрдость зависит от степени выветривания, наличия примесей и дефектов структуры.
¶Соотношение с абсолютной твёрдостью
Шкала Морзе порядковая, а не пропорциональная. Разница между баллами 9 и 10 по абсолютной твёрдости vastly больше, чем между баллами 1 и 2. Для количественных измерений используют методы вдавливания — шкалу Виккерса (HV), шкалу Кнупа, метод Роквелла и метод Бринелля, где твёрдость выражается в единицах давления.
Приблизительное сопоставление с абсолютной твёрдостью (по Виккерсу, МПа):
- тальк — около 100;
- гипс — около 200;
- кальцит — около 1300;
- флюорит — около 1600;
- апатит — около 5000;
- ортоклаз — около 7000;
- кварц — около 10 000;
- топаз — около 14 000;
- корунд — около 20 000;
- алмаз — около 80 000–100 000.
Из таблицы видно, что алмаз резко выделяется: его абсолютная твёрдость в несколько раз превышает корунд, тогда как по шкале Морзе разница составляет всего один балл.
¶Применение
Шкала Морзе используется в нескольких областях:
- Минералогия и петрография — первичная диагностика минералов, описание шлифов и образцов.
- Геология — полевое определение пород, оценка коллекций.
- Геммология — оценка ювелирных камней; так, твёрдость 7 у кварца означает, что он царапает стекло и многие имитации.
- Материаловедение — ориентировочная оценка абразивов и наполнителей.
- Образование — шкала входит в базовые курсы минералогии и геологии во всём мире, включая российские вузы.
В России шкала Морзе применяется в учебных программах геологических и горных специальностей, а также в практике минералогических музеев и лабораторий.
¶Критика и ограничения
Основные претензии к шкале:
- Нелинейность — интервалы между баллами не равны по абсолютной твёрдости, что затрудняет количественные расчёты.
- Неоднородность эталонов — природные минералы содержат примеси, из-за чего их твёрдость может отклоняться от номинала.
- Анизотропия — не учитывает направление царапания.
- Субъективность — результат зависит от силы нажатия и состояния поверхности.
Несмотря на это, шкала остаётся удобной для быстрой сравнительной оценки и не утратила значения спустя более двух столетий после публикации.
¶Интересные факты
- Тальк, первый минерал шкалы, настолько мягок, что царапается ногтем; его используют в порошковых смесях.
- Алмаз, замыкающий шкалу, не царапается ни одним природным минералом, но хрупок при ударе — твёрдость и прочность не одно и то же.
- Существуют расширенные шкалы, где после алмаза добавляют синтетические материалы, например карбид бора и нитрид бора (эльбор), превосходящие алмаз по некоторым показателям.
- Шкала Морзе нередко путается с телеграфной азбукой Морзе, названной в честь другого человека — Сэмюэла Морзе; совпадение фамилий случайно.
Источники: учебники по общей минералогии, справочники по кристаллографии и минералогии, материалы геологических музеев, классические работы Э. Ч. Морзе, публикации по материаловедению.