결정학
7가지 결정계
7가지 결정계(정방정계, 육방정계, 삼방정계, 사방정계, 직사각정계, 단사정계, 삼사정계)를 설명하며, 대칭성을 광물 식별의 첫 번째 단서로 삼습니다.
대칭성이 중요한 이유
결정의 외부 면, 성장 각도, 그리고 절단 방향은 모두 원자들이 공간에서 어떻게 반복적으로 배열되는지에 따른 결과입니다. 화학적 성질이 완전히 다른 두 광물이라도 결정계를 공유한다면 겉보기에는 거의 똑같은 결정을 형성할 수 있습니다. 한눈에 그 결정계를 파악할 수만 있다면, 식별 대상은 5,000여 종의 광물에서 소수만 남게 됩니다.
7가지 시스템
정육면체 (최고 대칭성 — 형석, 황철석, 방연석, 석류석). 정육각체 (6중 대칭축 — 베릴, 아파타이트). 삼방정계 (3중 대칭축 — 석영, 방해석, 전기석). 사방정계 (4중 대칭축 — 석석, 루틸, 회중석). 직사각정계 (길이가 서로 다른 세 개의 수직 축 — 중정석, 토파즈, 황). 단사정계 (하나의 사선 각 — 석고, 남동석, 오르토클라제). 삼사정계 (가장 낮은 대칭성, 길이가 서로 다른 세 개의 사선 축 — 플라지오클라제, 키아나이트, 로도나이트).
현장에서 사용하는 방법
먼저 결정의 형태를 살펴보세요. 정육면체인가요? 육각기둥인가요? 마름모인가요? 모서리에서 만나는 면의 개수를 세어보세요. 대향하는 면들이 평행한지 확인하세요. 30초 이내에 4~5가지 결정계를 배제하고, 후보 목록을 한두 개로 좁힐 수 있을 것입니다. 여기에 경도와 긁힘 자국을 종합하면 대부분의 결정체 식별을 해결할 수 있습니다.
각 시스템의 핵심 원리
모든 결정계는 일련의 가상의 기준선, 즉 결정학적 축과 이들 사이의 각도로 정의됩니다. 입방계는 서로 직각을 이루며 만나는 세 개의 동일한 축을 가지고 있기 때문에, 이 결정은 여러 방향에서 보아도 똑같이 보입니다. 목록을 따라 내려갈수록 축의 길이는 점점 더 달라지고 각도는 직각에서 멀어집니다. 직방정계는 직각을 유지하지만 축의 길이가 같지 않고, 단사정계는 한 축이 기울어져 있으며, 삼사정계는 직각을 완전히 버립니다.
이 내용을 활용하기 위해 굳이 무언가를 측정할 필요는 없습니다. 핵심은 직관적입니다. 대칭성이 높은 광물(입방정계, 육방정계)은 덩어리 모양, 균등한 모양, 또는 균일한 기둥 모양을 띠는 경향이 있는 반면, 대칭성이 낮은 광물(단사정계, 삼사정계)은 쐐기 모양, 비대칭적인 모양, 또는 칼날 모양의 결정으로 나타나는 경향이 있습니다. 결정이 ‘규칙적’이라기보다 ‘비뚤어진’ 것처럼 보인다면, 대개 대칭성 등급의 최하단에 속하는 광물을 보고 있는 것입니다.
삼각형 대 육각형: 흔히 혼동되는 점
초보 수집가들은 삼각정계와 육각정계를 자주 혼동하는데, 둘 다 6면체 기둥 모양을 띨 수 있기 때문이다. 차이점은 주 대칭축에 있다. 육각정계는 6회전 대칭축을 가지는 반면, 삼각정계는 3회전 대칭축만 가진다. 석영은 교과서적인 함정입니다. 석영은 아름다운 6면체 프리즘을 형성하지만, 육방정이 아니라 삼방정입니다. 이 사실은 끝부분을 덮고 있는 크고 작은 마름모꼴 면이 번갈아 나타나는 것으로 때때로 확인할 수 있습니다.
실용적인 구분법은 단순히 프리즘 면의 개수를 세는 것보다 끝부분의 형태와 면의 발달 양상을 살펴보는 것입니다. 아파타이트(진정한 육각정계)는 깔끔하고 대칭적인 6중 정점 형태를 띠는 경향이 있는 반면, 석영은 종종 불규칙한 두 개의 마름모꼴 정점 형태를 보입니다. 단지 기둥 면만 세는 경우 약 절반의 확률로 잘못 판단하게 되므로, 항상 끝부분의 대칭성을 확인해야 합니다.
중국 표본에 표시된 판독 체계
중국의 여러 지역은 교과서에 나올 법한 깨끗한 결정이 매우 많이 산출되기 때문에, 결정계를 배우기에 유난히 좋은 실습장입니다. 후난성 야오강셴에서 산출되는 입방정계 형석(fluorite)은 선명한 입방체와 팔면체 형태로 자라나, 한눈에 입방정계임을 알 수 있게 해주며, 쓰촨성 쉬바오딩에서 산출되는 회중석(scheelite)은 사방정계에 전형적인 쌍피라미드형 결정 형태를 보여준다.
후난성 렝수이장-시콴산 지역에서 채취된 휘안석은 직방정계를 연구하기에 훌륭한 표본입니다. 강철처럼 단단하고 깊은 줄무늬가 있는 판상 및 침상 결정은 이 결정계의 불균등한 축을 잘 보여줍니다. 단 몇 군데의 산지에서 채집한 표본들—정방정계 형석, 사방정계 회중석, 직사각정계 휘안석, 그리고 거의 모든 곳에서 발견되는 삼방정계 석영—만으로도 중국산 광물만을 다루면서도 7가지 결정계 대부분을 아우르는 실물 참고 세트를 구성할 수 있다.
자주 묻는 질문
결정계는 몇 개나 되나요? 여섯 개인가요, 일곱 개인가요?
현대 광물학에서는 대개 삼방정계와 육방정계를 구분하여 7가지 결정계를 가르칩니다. 일부 오래된 교재나 결정학 관례에서는 삼방정계를 육방정계에 포함시켜 6가지로 분류하기도 합니다. 두 분류 체계 모두 동일한 광물을 다루고 있으며, 수집가들 사이에서는 7가지 체계가 더 일반적으로 사용됩니다.
광물의 결정계를 눈으로만 보고도 알 수 있을까요?
모양이 잘 잡힌 결정의 경우 대개 그렇지만, 항상 그런 것은 아닙니다. 깨끗한 정육면체, 육각기둥, 또는 마름모 모양의 결정은 결정계를 강력하게 시사하지만, 모양이 불규칙하거나 덩어리 형태이거나 쌍정을 이룬 표본의 경우 결정계를 파악하기 어려울 수 있습니다. 결정계를 첫 번째 단서로 삼고, 경도, 절리, 그리고 긁힘 자국을 통해 이를 확인하십시오.
석영은 겉보기에는 육각형인데, 왜 삼방정계인가요?
석영은 6개의 프리즘 면을 이루지만, 주축을 중심으로 3중 대칭만을 가지므로 삼방정계에 속합니다. 이를 알 수 있는 결정적인 단서는 끝부분입니다. 즉, 상단을 덮고 있는 마름모꼴 면들은 대칭적인 6중 끝점 형태가 아니라 대개 불규칙한 모양을 띠고 있습니다.
결정계는 시편의 파단 방식에 영향을 미치나요?
네. 절리 방향과 각도는 원자 격자에 의해 결정되므로, 시스템의 대칭성을 따릅니다. 입방정계인 방연석은 직각 큐브 모양으로 절리되는 반면, 삼각정계인 방해석은 마름모 모양으로 절리됩니다. 이러한 파단 양상은 해당 광물의 구조를 반영합니다.