Podľa Medzinárodnej mineralogickej asociácie bolo k máju 2022 v prírode identifikovaných 5 809 minerálov. Niektoré z nich sú významným zdrojom ekonomicky dôležitých surovín, iné sú voľným okom neviditeľné. V tomto veľkom počte minerálov sa nachádza jeden, navonok nenápadný, ktorý však významne ovplyvnil smerovanie vedy a techniky od polovice 19. storočia do štyridsiatych rokov 20. storočia. Vo svete je známy ako islandský kalcit.
Kalcit s chemickým vzorcom CaCO3 kryštalizuje v trigonálnej sústave. Jeho názov pochádza z latinského slova calx – vápno. Je to minerál s najväčším bohatstvom kryštálových tvarov – doteraz bolo opísaných viac ako 550 kryštálových tvarov a viac ako 1 500 kryštálových spojok. Mnohé z nich sú však veľmi zriedkavé. Najčastejšie vytvára kalcit romboédrické (klencové) a skalenoédrické kryštály, ktoré sú sploštené alebo predĺžené podľa vertikálnej osi.
Romboéder (klenec) je uzavretý kryštálový tvar, ktorý sa skladá zo šiestich kosoštvorcových plôch, pričom tri sa nachádzajú v hornej a tri v dolnej časti tvaru. Skalenoéder je tvar skladajúci sa z ôsmich alebo dvanástich plôch, ktorého každá plocha je v dokonale vyvinutom kryštáli všeobecný trojuholník.
Bežný v rôznych horninách
Kryštalický kalcit vzniká najmä na hydrotermálnych rudných aj nerudných žilách, kde sa nachádza spoločne s ďalšími minerálmi. Je významnou súčasťou zriedkavej magmatickej horniny karbonatitu, ktorý vzniká kryštalizáciou karbonatitovej magmy. Vo veľkom množstve vzniká kalcit aj rekryštalizáciou schránok mŕtvych živočíchov na morskom dne, kde sa ukladajú v podobe vápencov. Kalcit je tiež súčasťou travertínu, ktorý sa zráža z horúcich aj chladných prameňov.
Vápenec sa priemyselne ťaží a využíva na výrobu cementu, vápna a tiež v niektorých odvetviach chemického priemyslu. Metamorfnou premenou vápenca pri vysokej teplote a tlaku vzniká mramor. Travertín a mramor sa pre svoj vzhľad používajú ako dekoračné kamene. Karbonatit je vyhľadávanou surovinou pre vysoký obsah fosforu (P), bária (Ba), fluóru (F), nióbu (Nb) a prvkov vzácnych zemín, napríklad lantánu (La) a céru (Ce).
Dôležitá číra forma
V priaznivých podmienkach vytvára kalcit kryštály značných rozmerov, ale inak sa vyskytuje vo forme zrnitých, stebelnatých, kvapľovitých a vláknitých agregátov. Môže byť aj celistvého vzhľadu bez zreteľných kryštálov.
V Mohsovej stupnici má tvrdosť 3 a dá sa doň rýpať nožom. Je výborne štiepateľný podľa plochy klenca a je veľmi krehký. Môže byť bezfarebný, biely, žltý, červený, šedý, hnedý až čierny. Špecifické sfarbenie spôsobuje stopová prímes horčíka (Mg), železa (Fe), mangánu (Mn), zriedkavejšie aj bária (Ba), stroncia (Sr), olova (Pb) a zinku (Zn). Chemicky čistý kalcit je priehľadný, inak je priesvitný. Lesk je sklený až perleťový. Islandský kalcit je číra, chemicky čistá kryštalizovaná forma kalcitu.
Dvojlom svetla
Ak dopadne na povrch číreho kryštálu slnečné svetlo, ktoré kmitá vo všetkých smeroch, rozdelí sa v ňom na dva lúče. Tomuto javu hovoríme dvojlom. Dva lúče vzniknuté dvojlomom sa v mineráli šíria rozdielnou rýchlosťou, preto majú rozdielne indexy lomu. Ak poznáme hodnoty indexu lomu oboch lúčov, ich rozdiel definuje dvojlom aj matematicky. Kmity každého lúča sú usmernené (polarizované) do jednej roviny a roviny kmitov oboch lúčov zvierajú uhol 90°.
Kalcit je na pozorovanie dvojlomu najvhodnejším minerálom, lebo má spomedzi bežných minerálov veľmi veľký rozdiel medzi indexmi lomu oboch lúčov. Prečo je práve islandský kalcit taký výnimočný? Pri prechode svetla každým kryštálom kalcitu pri všeobecnom dopade svetla dochádza k dvojlomu aj polarizácii. No len v dokonale čírej odrode islandského kalcitu sme tento jav schopní pozorovať aj voľným okom. Pri dopade svetla na kryštál kalcitu v smere kryštalografickej osi z k dvojlomu nedochádza.
Dvojlom a polarizácia svetla pomáhali pri plavbách cez oceán. Už dávno v minulosti Vikingovia dokázali určiť polohu slnka na oblohe, aj keď bolo skryté za oblakmi alebo za obzorom. Otáčaním kryštálu islandského kalcitu na vodorovnej podložke islandský kalcit žiari najviac v smere, kde sa nachádza slnko. Vedci tento spôsob navigácie overili a zistili, že odchýlka smeru určeného pomocou dvojlomného islandského kalcitu je iba ±1°. Vikingovia preto islandský kalcit považovali za magický slnečný kameň, sólarsteinn.
Hľadanie vysvetlenia
Príčina vzniku dvojlomu zostala dlho neobjasnená. Až v roku 1668 boli na príkaz dánskeho kráľa Frederika III. privezené z Islandu neobyčajne veľké a číre kryštály kalcitu. O rok neskôr, v roku 1669, dánsky fyzik a lekár Rasmus Bartholin (1625 – 1698) publikoval rozsiahle dielo, ktoré venoval detailnému opisu islandského kalcitu. Toto šesťdesiatstránkové dielo sa považuje za hlavný míľnik pri formovaní kryštalografie (vedy o morfologických a fyzikálnych vlastnostiach kryštálov) a optiky (odboru fyziky zaoberajúceho sa svetlom a jeho vlastnosťami) ako vedných disciplín.
R. Bartholin pozoroval dvojlom na islandskom kalcite, ale nevedel ho vysvetliť. Nakreslený obraz bodky na papieri sa mu pri pohľade cez islandský kalcit zdvojil. Pri otáčaní kryštálom kalcitu a kolmom pohľade si všimol, že jedna bodka stojí a druhá okolo nej opisuje kružnicu. Stacionárny obraz nazval riadnym lúčom – ordinárius a otáčajúci sa obraz mimoriadnym lúčom – extraordinárius.
Riadny lúč sa od svojho smeru neodchyľuje a nachádza sa bližšie k bodu nakreslenému na papieri, zatiaľ čo mimoriadny lúč sa nachádza vyššie nad nakresleným bodom a od svojho smeru sa odchyľuje. Vzdialenosť medzi nimi sa zväčšuje so zväčšovaním hrúbky klenca. Ak dva klence zvierajú uhol 45°, budeme pozorovať štyri obrazy, a keď bude druhý klenec oproti prvému otočený o 90°, uvidíme len jeden obraz mimoriadneho lúča.
Prelom v optike
Kalcit, ktorý Bartholin študoval, pochádzal z lokality Helgustadir na východnom pobreží Islandu vo fjorde Reydarfjördur. V tom istom období ako Bartholin sa o tento jav a o optiku začal zaujímať aj dánsky fyzik Christian Huygens (1629 – 1695), ktorý bol zástancom vlnovej teórie svetla. Svetlo chápal ako pozdĺžne vlnenie a táto predstava mu umožnila vysvetliť zákon lomu, odrazu a dvojlomu svetla, čo publikoval vo svojom súbornom diele v roku 1690.
Neskôr sa optike a tomuto javu na začiatku 18. storočia venoval aj anglický fyzik a matematik Isaac Newton (1642 – 1727), ktorý vysvetlil rozklad bieleho svetla na farebné spektrum s rôznymi vlnovými dĺžkami.
Polarizáciu svetla odrazom v roku 1809 ako prvý demonštroval francúzsky inžinier, fyzik a matematik Éthienne-Louis Malus (1775 – 1812), čo podporilo ďalší záujem o optiku a v roku 1810 publikoval aj svoju teóriu dvojlomu.
V optike bolo dôležité odseparovať od seba dva lúče vznikajúce dvojlomom. Za týmto účelom testovali okrem islandského kalcitu viacero materiálov ako kremeň, turmalín a rôzne typy skiel. Ako najvhodnejší sa ukázal práve islandský kalcit.
Prvú polarizačnú prizmu skonštruovanú z islandského kalcitu vynašiel škótsky geológ a fyzik William Nicol (1770 – 1851) v roku 1828, je známa ako Nicolov hranol, skrátene nikol. Od polovice 19. storočia sa začala Nicolova prizma používať ako zdroj polarizovaného svetla v polarimetroch a geologických mikroskopoch. Využitie islandského kalcitu v optických prístrojoch znamenalo prelom vo vede.
Monika Huraiová
Katedra mineralógie, petrológie a ložiskovej geológie
Prírodovedecká fakulta UK v Bratislave
