Люминесцентные, электрические и термические свойства ювелирных камней

Хотя люминесцентные, электрические и термические свойства ювелирных камней часто не могут быть выражены в точных численно-количественных величинах, они всё же могут быть определены в виде качественного описания, которое существенно помогает при идентификации ювелирного камня.

Люминесценция (флюоресценция и фосфоресценция)

Когда некоторые материалы получают энергию в той или иной форме в количестве недостаточном, чтобы вызвать накаливание или горение (т.е. недостаточном для образования пламени или теплового свечения), они преобразуют эту энергию в «холодное» излучение, длина волны которого обычно лежит в видимой части спектра.

Механизм возникновения этого «холодного» излучения или иначе люминесценции (luminescence) связан с возбуждением атомов в структуре материала. Избыточная энергия, приобретаемая люминесцирующими веществами, расходуется на перемещение электронов с их обычных орбитальных оболочек (известных как «основное» состояние) на орбитали более высокого энергетического уровня (известные как «возбуждённое» состояние). Когда эти электроны, в конце концов, возвращаются на орбитали своего стабильного состояния, тогда они отдают избыточную энергию в виде электромагнитного излучения (как правило, в диапазоне видимого света или, очень редко, в ультрафиолетовом). С точки зрения квантовой теории электроны отдают свою энергию в виде фотонов (photons) электромагнитного излучения (то есть дискретных «порций» энергии). Во всех видах люминесценции, которые будут рассмотрены в этой главе, испускание света обусловлено либо определёнными структурными свойствами материала (например, дефектами кристаллической решётки в алмазе), либо присутствием примесей, вызывающих люминесценцию, которые называются активаторами (activators), как, например, ионы хрома в рубине.

В тех некоторых случаях, когда люминесценция обусловлена дефектами кристаллической решётки энергии возбуждения бывает достаточно чтобы заставить электрон покинуть свою стационарную орбиталь и стать «свободным» электроном. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, то он оставляет «дырочный» дефект в кристаллической решётке, который имеет положительный заряд. Свободный электрон перемещается по кристаллической решётке, пока не будет захвачен другим положительно заряженным дефектом, при этом он высвобождает излишек энергии в виде излучения. Эта излучаемая энергия обычно находится в пределах диапазона видимого света и иногда частично или полностью поглощается в результате присутствия ионов железа.

Активаторами люминесценции являются примеси, имеющие неспаренные электроны на внешней оболочке своих атомов. Если эти электроны поглощают энергию от источника излучения, то они поднимаются на более высокий энергетический уровень. Однако это возбуждённое состояние не является стабильным и электроны немедленно возвращаются на более низкий уровень и высвобождают свою избыточную энергию в виде излучения, которое, как правило, соответствует диапазону видимого света, но может быть частично или полностью поглощена, если исследуемый материал содержит ионы железа.

Стр. 128

В люминесцирующих материалах движение электронов между их орбиталями стационарных энергетических уровней и орбиталями более высоких энергетических уровней происходит случайным образом. Если задержка между приобретением и отдачей энергии электроном весьма незначительна, то такое явление называется флюоресценцией (fluorescence). Наблюдение флюоресценции невозможно после удаления источника возбуждения. Однако, если есть сколь-либо заметная задержка в полной отдаче электронами своей избыточной энергии после прекращения возбуждающего воздействия, то такое явление называется фосфоресценцией (phosphorescence). Его можно наблюдать как «послесвечение» после прекращения действия «возбудителя». У флюорита, минерала давшего название флуоресцентным явлениям, фосфоресценция иногда может быть проявлена не в видимом, а в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Это явление может быть с достаточной степенью точности быть обнаружено электронным или фотографическим способом.

Однако возможно совмещение этих явлений в одном материале, в этом случае иногда происходит изменение цвета люминесценции при отключении источника возбуждающего излучения и фосфоресцентный эффект может наблюдаться сам по себе в чистом виде. Такой эффект может служить полезным идентификационным признаком для некоторых ювелирных материалов. Другие материалы обладают способностью отдавать поглощённую энергию при нагревании. Это свойство получило название термолюминесценции (thermoluminescence) и термофосфоресценции (thermophosphorescence) соответственно по отношению к длительности после окончания возбуждающего воздействия.

Фотолюминесценция и правило Стокса

Из многих разновидностей люминесценции фотолюминесценция (photoluminescence) является наиболее используемой геммологами. При этом типе люминесценции энергия возбуждения представлена электромагнитным излучением (electromagnetic radiation) как видимого диапазона, так ультрафиолетового и рентгеновского. Однако важной особенностью фотолюминесценции является то, что при любой длине волны энергии возбуждения результирующее излучение люминесценции находится в видимом (visible) диапазоне. Связь между длинной волны энергии возбуждения и длиной волны результирующей люминесценции определяется правилом Стокса (Stokes’ law). Это означает, что излучение люминесценции материала всегда имеет большую длину волны, чем исходного возбуждения.

Различные формы электромагнитного излучения, используемые в геммологической практике для возбуждения люминесценции включают видимый свет, длинноволновое (LW UV) и коротковолновое ультрафиолетовое излучение (SW UV), рентгеновское излучение (X-ray). Каждая из этих видов люминесценции находит своё особое применение в идентификации ювелирных камней, которые различаются цветом и яркостью люминесцентного свечения в зависимости от вида возбуждающего излучения. Наибольшее применение в геологической практике геммологической идентификации имеет ультрафиолетовое излучение коротковолнового и длинноволнового диапазонов. В таблице 12.1 приведены цвета и интенсивности свечения, наблюдаемые при воздействии на определённые ювелирные камни коротковолнового и длинноволнового ультрафиолетового излучения, а также рентгеновских лучей. Метолы и оборудование, связанные с использованием в геммологии каждой из вышеозначенных четырёх форм излучения описываются ниже в этой главе.

Метод скрещенных светофильтров

В некоторых ювелирных камнях фотолюминесценция красного цвета наблюдается даже при возбуждении излучением синей области видимого спектра. Впервые это явление было использовано на практике Дж.Г. Стоксом (George Gabriel Stokes, 1819-1903) в 1852 году в опытах на выявление присутствия хрома. Метод тестирования, известный как метод скрещенных светофильтров* (* иногда в литературе употребляется дословный перевод термина – «crossed filter»– «скрещенных» фильтров; но во избежание путаницы со скрещенными поляризационными фильтрами, а также принимая во внимание суть метода – использование света наложенных друг на друга светофильтров, мы придерживаемся использования в русском языке иного варианта перевода термина, а именно – скрещенных светофильтров) позднее адаптирован Бэйзилом Андерсоном (Basil W. Anderson, 1901-1984) в Лаборатории по тестированию драгоценных камней Лондонской торговой палаты для использования в целях идентификации ювелирных камней. Во избежание путаницы следует отметить что термин «crossed filter» в данном контексте не имеет ничего общего со скрещенными поляризационными фильтрами, а предполагает использование цветных светофильтров.

Метод скрещенных светофильтров – один из самых простых методов, используемых для наблюдения фотолюминесценции. Все, что при этом требуется – это сильный источник белого света, синий и красный светофильтры. Эти фильтры могут быть изготовлены из простого окрашенного желатина, находящегося между двумя стеклянными пластинами, чтобы защитить его от тепла лампы. В качестве альтернативы вместо синего светофильтра можно использовать колбу с раствором медного купороса, которая может дополнительно служить тепловым фильтром и линзой для концентрации света.

Стр. 129

Таблица 12.1

Цвет люминесценции ювелирных камней в ультрафиолетовом и рентгеновском излучениях

Стр. 130

Синий фильтр (или колба) располагается между источником света и проверяемым ювелирным камнем. В идеале камень должен быть помещён на чёрную матовую (неотражающую) поверхность и экранирован так, чтобы на него попадал только прошедший через синий фильтр свет. Затем камень просматривается через красный фильтр. Если сквозь красный фильтр видно, что камень светится розовым или красным цветом, то он флюоресцирует, поскольку освещающий его падающий синий свет не содержит красного компонента (см. рис. 12.1).

Рисунок 12.1. Схема, иллюстрирующая использование метода пересекающихся фильтров для проверки люминесценции.

Ювелирные камни, которые наиболее легко проявляют свою флюоресценцию под пересекающимися синим/красным фильтрами, это камни, окрашенные примесью ионов хрома (т. е. активаторами). Основными камнями этого типа являются рубин, красная шпинель, александрит (редкая разновидность хризоберилла), изумруд и розовый/пурпурный топаз. Однако следует помнить, что присутствие оксидов железа в драгоценном (ювелирном) камне может уменьшить или даже полностью погасить флюоресценцию. Синтетические рубины, красные шпинели, александриты и изумруды также обязаны своим цветом примеси хрома и также будут люминесцировать красным светом под пересекающимися фильтрами. Поскольку многие из этих синтетических продуктов полностью свободны от примеси железа, они часто флюоресцируют заметно сильнее, чем натуральные камни. Так гранат пироп и жадеит, содержащие следовые микропримеси железа и хрома вообще не флюоресцируют.

Некоторые камни имеют жёлтую или оранжевую флюоресценцию (например, жёлтые шри-ланкийские сапфиры), а её можно сделать более заметной, используя вместо красного жёлтый или оранжевый фильтр соответственно.

После подтверждения наличия люминесценции с помощью теста скрещенных светофильтров более детальную диагностическую информацию можно получить, изучив флюоресцентный спектр камня с помощью спектроскопа и освещения через синий фильтр. Так, например, красную шпинель можно отличить от рубина (см. рис. 12.2).

Длинноволновое и коротковолновое ультрафиолетовое излучение

В качестве источника ультрафиолетового излучения используются ртутные лампы, поскольку они имеют сильные линии излучения в диапазоне от жёлтой области видимого света до коротковолновой области ультрафиолетового излучения. Доминирующая линия ртути, которая используется для работы в длинноволновом ультрафиолетовом диапазоне (LW UV), имеет длину волны 365 нм, а доминирующая линия, используемая для коротковолнового ультрафиолетового излучения (SW UV), имеет длину волны 254 нм.

Стр. 131

Рисунок 12.2. Спектры флюоресценции ювелирных камней, наблюдаемые в спектроскопе с использованием источника синего света.

а) Изумруда

b) Красной шпинели

с) Рубина

Ртутная лампа, используемая для генерации длинноволнового ультрафиолетового (LW UV) излучения, относится к типу газоразрядных ламп высокого давления и оснащена фильтром, блокирующим большую часть видимого излучения лампы. Фильтр для этой лампы изготавливается из стекла Вуда, которое содержит кобальт и небольшое количество никеля (в продаже также имеются фильтры Чанца [Chance] типа OX1). Ртутная лампа, используемая для генерации коротковолнового ультрафиолетового (SW UV), представляет собой лампу низкого давления с кварцевой колбой. При использовании этой лампы свет видимого и других нежелательных диапазонов блокируются фильтром Чанца типа OX7.

Примечание: некоторые ультрафиолетовые фильтры и лампы коротковолнового излучения могут начать выходить из строя уже после 100 часов работы.

Хотя более высокий уровень энергии коротковолнового ультрафиолетового излучения может быть необходим для возбуждения межуровневого электронов в таких материалах как, например, бенитоите, бесцветной синтетической шпинели и «пасте», в целом коротковолновое излучение вызывает более слабую флюоресценцию в большинстве ювелирных камней, чем длинноволновое. В такой же степени всё вышесказанное относится и к алмазам, только для 15% которых характерна сильная флюоресценция в коротковолновом излучении. Однако, если у камня наблюдается флюоресценция синим цветом в коротковолновом ультрафиолете, а при отключении источника излучения он фосфоресцирует жёлтым цветом, то этот признак говорит о том что этот камень алмаз, поскольку ни один другой минерал, флюоресцирующий синим светом не проявляет жёлтой фосфоресценции. Это свойство алмаза является его положительным тестом, тогда когда оно проявляется.

Большинство приборов для просмотра камней в ультрафиолетовом излучении сочетают в себе и длинноволновые и коротковолновые лампы, которые могут работать как по отдельности, так и вместе (см. рис. 12.3 и 12.4). Сочетание обоих типов дамп в одном устройстве позволяет производить быстрое сравнение флюоресценцию исследуемого материала в двух диапазонах. Для выявления люминесцентных эффектов камней в условиях нормального фонового освещения служат специальные смотровые камеры-фотолаборатории (см. рис. 12.5).

Хотя ультрафиолетовые лампы, предназначенные для геммологических работ, имеют относительно слабое ультрафиолетовое излучение, всё же не рекомендуется смотреть на них без специальных защитных очков. Эти очки не только препятствуют прохождению вредных для глаз ультрафиолетовых лучей, но и улучшают контрастность люминесцирующего камня, удаляя фиолетовую «дымку» от видимого света, пропущенного через фильтр лампы. Даже обычные стеклянные очки обеспечивают некоторую степень защиты от коротковолнового ультрафиолетового излучения, которое является потенциально более опасным, чем длинноволновое.

Рисунок 12.3. Ультрафиолетовый осветитель с длинноволновой и коротковолновой лампами. Передвижная хромированная заслонка используется для приведения в действие того или иного фильтра. (производство «Gem-A Instruments Ltd.»)

Стр. 132

Рисунок 12.4. Ультрафиолетовый осветитель с длинноволновым и коротковолновым источниками света, в качестве которых используются две 4-х ватные лампы.

Рисунок 12.5. Смотровая камера-фотолаборатория, предназначенная для наблюдения за люминесценцией ювелирных камней и материалов.

Некоторые ювелирные камни могут выцветать при длительном воздействии ультрафиолетового излучения. Так голубой термообработанный циркон подвержен выцветанию после интенсивного воздействия ультрафиолетовыми лучами или при длительном нахождении на солнце, но его цвет восстанавливается при нагревании до температуры тускло-красного свечения. Гадолиниево-галлиевый гранат (ГГГ, имитация алмаза) флюоресцирует персиковым цветом в коротковолновых ультрафиолетовых лучах, но может стать коричневым, если его оставить на длительный период времени под прямым воздействием ультрафиолета, позже он опять становится бесцветным, если его оставить на несколько часов в темноте.

Рентгеновская люминесценция

Из-за размерных характеристик и высокой стоимости большинства рентгеновских аппаратов, а также мер предосторожности, требуемых для защиты обслуживающего персонала от воздействия ионизирующего излучения, такое оборудование можно встретить только в крупных лабораториях проводящих тестирование ювелирных камней. В целях идентификации рентгеновские лучи используются либо как источник для возбуждения люминесценции ювелирных камней, либо (в виду их высокой проникающей способности) для получения информации о внутренней структуре материала.

Диапазон длин волн рентгеновских лучей простирается от наиболее короткой длины волны ультрафиолетового излучения (около 20 нм) до миллионной доли нанометра. Диапазон гамма(γ)-излучения (в значительной своей части) перекрывается с диапазном рентгеновского излучения, и в этой области их отличие состоит только в способе генерации. Рентгеновские лучи генерируются в вакуумной трубке, путём бомбардировки пучком электронов, ускоренных электрическим полем с высокой разностью потенциалов, вольфрамовой мишени. При этом интенсивность излучения увеличивается, а длины волн становятся всё короче, по мере увеличения напряжения электрического поля. Гамма-лучи генерируются источниками радиоактивного излучения и в основной своей части представлены тем же диапазоном длин волн, что и рентгеновские лучи.

В то время как у ультрафиолетовых лучах алмазы проявляют различную степень люминесценции (до полного её отсутствия), то в рентгеновских лучах они все имеют белёсо-голубую меловидную флюоресценцию (без фосфоресценции). На этом свойстве основана работа рентгеновских сепараторов, используемых на многих алмазодобывающих обогатительных производствах, позволяющих отделять драгоценные камни и куски содержащей их породы от «пустого» гравия и щебня.

Стр. 133

Из-за своей короткой длины волны рентгеновские лучи могут легко проникать через материалы, состоящие из химических элементов имеющих малый атомный вес. Например, алмаз, состоящий из атомов углерода, практически прозрачен для рентгеновских лучей, в то время как все другие ювелирные камни (включая имитации алмаза, как природные, так и искусственные) имеют различную степень их поглощения, зависящую от атомного веса составляющих их элементов. В основе работы прибора, разработанного и продаваемого Всеяпонской геммологической ассоциацией (GAAJ), лежит свойство прозрачности алмаза в рентгеновских лучах, позволяющее отличать его от имитаций (см. рис. 12.6). Тестируемые образцы помещают на отражающую флуоресцентную пластину, и при нажатии пусковой кнопки включается внутренняя низкоэнергетическая рентгеновская трубка, а степень прозрачности образца оценивается через специальное смотровое окно по теневому профилю камня. (Рентгеновская спектроскопия и рентгеноструктурный анализ будут рассмотрены в главе 16).

Рисунок 12.6. Низкоэнергетическое рентгеновское устройство для отличия алмаза от его имитаций по свойству прозрачности в рентгеновских лучах.

Другие виды люминесценции

Хотя фотолюминесценция вызывается электромагнитным излучением в видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах, источники энергии вызывающие триболюминесценцию (triboluminescence), катодолюминесценцию (cathodoluminescence) и электролюминесценцию (electroluminescence) основаны на совершенно иных физических принципах.

Триболюминесцирующие материалы (triboluminescing material) – это те вещества, которые проявляют свечение при трении или истирании. Этот эффект иногда наблюдается при огранке или распиливании алмаза в виде интенсивной синей или красной флюоресценции. Если устранить контакт камня с полирующей или распиливающей поверхностью, то флуоресцентный эффект сразу же исчезает, что доказывает его связь именно с трением, а не с теплом.

Катодолюминесценция (Cathodoluminescence) – это флуоресцентный эффект, который проявляют некоторые материалы при их бомбардировке пучком электронов в вакууме. Люминофоры на внутренней поверхности экрана телевизионной трубки являются повседневным примером катодолюминесцирующих материалов. Однако применение этой формы люминесценции для целей минералогического и геммологического анализа было обнаружено только при просмотре минералогических образцов в электронно-лучевом микроскопе. С тех пор он превратился в полезный исследовательский инструмент для обнаружения присутствия редкоземельных элементов и определённых минералов в агломератах. Этот метод так же используется для исследования кристаллографических особенностей ряда минералов и распределения агрегатов азотных «пластинок» в кристаллах алмаза. Его использование для обнаружения синтетических драгоценных камней описано в конце главы 16.

Ещё один вид люминесценции может быть проявлен в некоторых материалах в результате прохождения через них электрического тока, наблюдаемый при этом эффект называется электролюминесценцией (electroluminescence). Природные голубые алмазы физико-химического типа IIb являются полупроводниками (то есть, их электропроводность находится в интервале значений проводимости между проводником и изолятором). Один из тестов, используемых для того, чтобы отличить их от искусственно окрашенных алмазов (которые не проводят электричество), заключается в приложении к ним постоянного или переменного напряжения и его замеров с помощью индикаторов тока, таких как амперметр (см. рис.12.8). Во время этого теста природные голубые алмазы часто проявляют электролюминесценцию из-за прохождения электрического тока, сообщающего дополнительную энергию их кристаллической решётке.

Стр. 134

Тест прозрачности в коротковолновом ультрафиолетовом излучении

Об ингибирующем влиянии ионов железа на люминесценцию исследуемых материалов уже упоминалось выше. Их присутствие также определяет степень прозрачности материала для коротковолнового ультрафиолетового излучения. Поскольку большинство природных ювелирных камней всегда содержат некоторую примесь ионов железа, то можно говорить не только о снижении интенсивности люминесценции в таких минералах, содержащих ионы элементов-люминофоров (например, хром), но и о снижении прозрачности природных камней для коротковолнового ультрафиолета.

До начала 1980-х годов производители синтетических ювелирных камней, таких как шпинель, рубин, сапфир, александрит и изумруд, сталкивались с определёнными трудностями при добавлении соединений железа в свою продукцию (см. главы 15 и 16). В результате чего эти синтетические материалы были гораздо более прозрачными для коротковолнового ультрафиолетового излучения, чем их природные аналоги. Этот факт был использован в методе тестирования, известном как иммерсионная контактная фотография. Метод был первоначально предложен Андерсоном Б.В. (B.W. Anderson) для выявления различия между показателями преломления ювелирных камней, но область его применения была расширена Дэем Н. (N. Day) для экспресс анализа при сортировке природных и синтетических изумрудов и рубинов.

Суть этого метода заключается в том, что тестируемый образец (вместе с природным камнем в качестве эталона) кладут на стол площадкой вниз на лист фотобумаги в затемнённой комнате. Затем камни и бумагу помещают на дно неглубокой плоской ёмкости с водой (вода позволяет ультрафиолетовому излучению проникать в камень, а не отражаться от его граней) и подвергают воздействию коротковолнового ультрафиолетового излучения в течение нескольких секунд.

Когда фотобумага будет проявлена, отпечаток эталонного камня окажется почти белым (т.е. он поглотит коротковолновый ультрафиолет), в то время как тестируемый образец, если он синтетический, станет выглядеть очень тёмным с белым ободком. Хотя впоследствии производители синтетических камней научились вводить примесь железа (например, в рубины производства «Кашан» [«Kashan»]

Рисунок 12.7. Прибор «Color Stone Checker» состоит из измерителя отражательной способности и излучателя в виде ультрафиолетовых ламп длинноволнового и коротковолнового диапазонов. Ультрафиолетовая лампа коротковолнового диапазона также используется для проверки прозрачности ювелирных камней в лучах соответствующих длин волн. (производство «Culti», Япония)

Стр. 135

Позднее японская компания «Culti» представила более удобный тестер прозрачности камней в коротковолновом ультрафиолетовом диапазоне (см. рис. 12.7). Это прибор состоящий из измерителя отражательной способности, источников длинно- и коротковолнового излучения, а также детектора прозрачности ультрафиолетового излучения. Он был разработан как тестер для ювелиров, не имеющих большого опыта в идентификации драгоценных камней, чтобы помочь отличать природные александриты изумруды, рубины и сапфиры от их многочисленных имитаций и синтетических аналогов.

Относительную прозрачность натуральных и синтетических камней измеряют, помещая драгоценный камень на апертуру тестера в ультрафиолетовой камере прибора. Кусочек шеелита под отверстием флюоресцирует по мере того, как на него попадает коротковолновое ультрафиолетовое излучение, проходящее через камень, причём интенсивность этого люминесцентного свечения зависит от прозрачности тестируемого образца в ультрафиолете. Фотодиод, расположенный вблизи с шеелитовым индикатором преобразует люминесцентный свет в электрический сигнал, который отображается измерительным устройством. На тестере предусмотрена соответствующая калибровка, которая позволяет идентифицировать тестируемый драгоценный камень как природный (поглощающий короткие волны УФ-излучения) или синтетический (прозрачный для коротких волн УФ-излучения). Как и при использовании метода иммерсионной контактной фотографии, синтетические камни, содержащие ионы железа, не отсеиваются при таком тестировании, поскольку их показатели соответствуют таковым природных камней.

Тест прозрачности в длинноволновом ультрафиолетовом излучении

Компания «С3 Inс.», являющаяся основным производителем синтетического муассанита ювелирного качества, производит тестер для определения алмаза от синтетического муассанита. Тестер основан на различиях свойств алмаза и муассанита при пропускании длинноволнового ультрафиолетового излучения, генерируемого небольшой галогенной лампой высокой мощности. Алмаз пропускает этот свет, в то время как муассанит поглощает его. Тем не менее, неизвестный почти бесцветный камень необходимо сначала проверить с помощью стандартного алмазного детектора (основанного на измерении теплопроводности), так как с помощью ультрафиолетового тестера проверяется отличие только алмаза от муассанита, то есть сравниваются только камни, имеющие высокую теплопроводность (к таким камням может быть отнесён и фенакит, но он имеет гораздо более низкие твёрдость и вес, что облегчает его органолептическую идентификацию). И только затем используется тестер «С3», который укажет, является ли исследуемый камень алмазом или синтетическим муассанитом.

Электрические свойства

Хотя большинство ювелирных камней являются электрическими изоляторами, некоторые из них, такие как гематит, синтетический рутил и природный голубой алмаз физико-химического типа IIb, проводят электрический ток, если к ним приложены электрическое напряжение (см. рис 12.8). Полупроводниковые характеристики природного голубого алмаза, о которых уже упоминалось выше, обусловлены наличием примесных атомов бора в кристаллической решётке алмаза. В случае голубого алмаза использование тестера (принципиальная схема которого изображена на рис. 12.8) позволит отличить камень природной окраски (который проводит электрический ток) от непроводящего голубого бриллианта, цвет которого был вызван искусственной радиационной обработкой.

Примечание: Синтетические голубые алмазы, легированные бором, также являются полупроводниками.

Рисунок 12.8. Тестер электропроводности.

Слева: Принципиальная схема прибора для определения электропроводности ювелирных камней.

Справа: Тестер алмаз/муассанит («Synthetic Moissanite Megger Tester Mk II») с автономным питанием от батареи, позволяющий определять имитации алмаза на основании их проводимости электричества. Тестер также позволяет отделять на основании проводимости природные и синтетические голубые алмазы легированные бором от искусственно окрашенных посредством радиационной обработки. Алмазы, синий цвет которых был вызван радиационной обработкой, не проводят электричество. (с разрешения «Gemmological Instruments»)

Стр. 136

Синтетический муассанит, имитирующий алмаз, также является полупроводником, но проводит электричество несколько хуже, чем природный алмаз типа IIb, поэтому для его идентификации требуется тестер с повышенной чувствительностью (например, тестер Меггера, см. рис 12.8). Полупроводниковые свойства муассанита, по-видимому, также связаны с примесями. Однако некоторые муассаниты содержат меньше примесных атомов, в связи с чем проявляют свойства диэлектричков. Если такие муассаниты облучать длинноволновым ультрафиолетом во время тестирования, то облучение будет стимулировать проводимость и показания таких камней будут соответствовать муассониту на тестере. Из-за непостоянных полупроводниковых свойств муассонитовых имитаций рекомендуется проверять все подозрительные камни при воздействии длинноволнового ультрафиолетового излучения.

Ещё одним электрическим свойством некоторых минералов, в частности кварца и турмалина, является пироэлектрический (pyroelectric) эффект. Когда пироэлектрические минералы нагревают, то они генерируют электрический заряд на противоположных концах кристалла (на противоположных концах по отношению к главной оптической оси). Турмалин особенно чувствителен к нагреванию, и даже находясь на солнечном свету или под лампой накаливания в витрине он будет притягивать частицы пыли. Турмалин и кварц также обладают пьезоэлектрическими (piezoelectric) свойствами (эффект открытый братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 году) и приобретают электрический заряд при механическом воздействии в определённых кристаллографических направлениях. При сжатии блока кварца, вырезанного вдоль определённого направления, на его противоположных гранях появляются положительные и отрицательные электрические заряды. Полярность этих зарядов меняется на противоположную когда меняется характер механического воздействия (сжатие сменяется растяжением).

Пьезоэлектрические свойства кварца делают его особенно подходящим для использования в качестве электрического резонатора колебательных контурах. Для этих целей кристалл разрезают на пластины в одном из направлений, как указано на рисунке 12.9. Когда переменное напряжение подаётся на металлические электроды, закреплённые с двух противоположных плоских сторон пластины кварца, то пластина начинает вибрировать. При совпадении частоты переменного тока с собственными механическими колебаниями пластины (что определяется её размерами) амплитуда колебаний в результате резонанса сильно возрастает. В электрических цепях это свойство используется для точного контроля частоты колебаний в цепи контура.

Рисунок 12.9. Пьезоэлектрический эффект в кристалле кварца (а) приводит к появлению механического напряжения вдоль направлений Y, в том случае когда электрический заряд прикладывается по направлению Х (b). Пластины, вырезанные из кристалла кварца в направлениях, показанных на рисунке, применяются при изготовлении электрических осциляторов. Угол между различными направлениями Х и Y составляет 30º (с), при этом резонансные свойства в различных направлениях различны. Так пластина, вырезанная в направлении Y на низких частотах колебания осуществляет более легко, чем пластина вырезанная в направлении Х.

Стр. 137

Этот свойство кварца также используется и в кварцевых часах и хронометрах, что делает синтез кварца весьма востребованным. Большинству природных кристаллов кварца свойственно двойникование, что делает такие кристаллы непригодными к применению как пьезоэлектрики, поэтому так важно получать кристаллы без двойникования в искусственных условиях (выявление двойников в кварце более подробно рассматривается в главе 16 в связи с диагностикой природы происхождения аметиста). Другим важным применением пьезоэлектрических свойств кварца является его использование в качестве механо-электрического генератора звуковых волн в мобильных телефонах, зуммерах и высокочастотных динамиках (применение в качестве «кристаллического звукоснимателя» теперь заменено лазером в устройствах чтения/записи компакт-дисков).

Ещё одним электрическим свойством, о котором уже кратко упоминалось, присущим некоторым минералам, является фотопроводимость (photoconductivity). Она обусловлена падением высокого электрического сопротивления минерала под воздействием электромагнитного излучения, чаще всего такого как гамма(γ)-излучение и ультрафиолетовое. Так полупроводниковые алмазы, содержащие примесь бора, являются фотопроводящими под воздействием гамма(γ)-излучения и применяются в качестве рабочего элемента детекторов излучения в средах, в которых требуется использование прочного коррозионно-стойкого сенсорного материала (например радиационные датчики, подобные счётчикам Гейгера, размещаемые в реакционной зоне ядерных реакторов).

Трибоэлектрические (triboelectric) свойства ювелирных материалов практически каждый может наблюдать при трении шерстяной тряпочки о янтарь, в результате чего на его поверхности накапливается отрицательный электростатический заряд. Когда это происходит, кусочек янтаря становится способен притягивать мелкие фрагменты папиросной бумаги, шерсть, пылинки. Однако поскольку многие из искусственных имитаций янтаря обладают таким же свойством, то на него не следует полагаться как на идентификационный признак без проведения дополнительных, более конкретизирующих тестов.

Теплопроводность и термическая инерция

Металлы, как правило, являются очень хорошими проводниками как тепла так и электричества, в то время как большинство ювелирных камней являются весьма плохими проводниками тепла и электричества в равной степени. Самым ярким исключением из этого правила является алмаз, который способен проводить тепло во много раз лучше чем такие металлы как медь и даже серебро, и, за исключением голубого борсодержащего алмаза, не является проводником электричества.

Это свойство алмаза проводить тепло уже давно используется в электронной промышленности как эффективный теплоотвод от мощных полупроводниковых устройств к медным радиаторам. Однако, только в 1979 году первый прибор для тестирования ювелирных камней и алмаза, основанный на принципе теплопроводности, поступил в продажу (см. рис. 1.6; а также более поздняя версия на рис. 12.10).

Рисунок 12.10. Тестер теплопроводности «Diamond Probe II». Под измерительной шкалой расположены две пластины для проведения калибровочных тестов, а в конструкции щупа прибора используются миниатюрные термисторы.

Чтобы провести сравнение относительной теплопроводности ювелирных камней, сначала необходимо дать определение этого свойства. Теплопроводность является физической величиной, отражающей способность материала проводить тепло, в то время как более сложное понятие тепловой инерции связано с реакцией материала на периодическое (т.е. циклически меняющееся) поступление тепла. Чтобы объяснить случайные аномалии, возникающие в некоторых приборах, предназначенных для сравнения теплопроводности ювелирных камней, доктор Д.Б. Гувер (Donald B. Hoover) предположил, что используемые приборы на самом деле измеряют не удельную теплопроводность, а тепловую инерцию. Хотя было решено, что более точным названием для таких приборов будет «термический тестер» («thermal tester») или «термотестер», всё же продолжает использоваться ставшее привычным – «измеритель теплопроводности» («thermal conductance meter»). При этом необходимо учитывать, что более простые из этих приборов используют постоянный, а не переменный источник тепла, а тестируемые камни передают тепло от щупа либо в металлическую оправу, либо (в случае с незакреплёнными в оправу камнями) в металлический радиатор, поставляемый в комплекте с прибором.

Стр. 138

Удельная теплопроводность измеряется в Ватах делённых на Метр и на Градус Цельсия – Вт/(м׺С) или иначе Вт×м^-1׺С^-1. Теплопроводность алмаза при комнатной температуре изменяется в пределах от 1000 Вт/(м׺С) для физико-химического типа I до 2600 Вт/(м׺С) для физико-химического типа IIа. Поскольку наиболее близким к алмазу по теплопроводности является синтетический муассанит с теплопроводностью около 200-500 Вт/(м׺С), за которым следует корунд с теплопроводностью 40 Вт/(м׺С), то этот показатель можно считать очень эффективным в плане тестирования алмаза и как способ его отделения от различных имитаций (за исключением синтетического муассанита), как показано в талице 12.2. В таблице также отмечен факт анизотропии теплопроводности.

Таблица 12.2

Теплопроводность ювелирных материалов

* Значение удельной теплопроводности определено как среднее между значениями в направлениях кристаллографической оси с и оси а.

Тестеры для определения теплопроводности

Типичный тестер теплопроводности (см. рис. 12.11) состоит из испытательного щупа, металлическое остриё которого нагревается за счёт электричества, и блока управления, который имеет электронное устройство для выявления значительного падения температуры острия щупа, которым он соприкасается с поверхностью алмаза. Ни одна имитация алмаза (ни природная, ни искусственная) не вызывает аналогичного падения температуры, поскольку теплопроводность большинства имитаций гораздо ниже, чем у алмаза (хотя синтетический муассанит, теплопроводность которого гораздо ближе к алмазной, чем у любой другой имитации, может давать на большинстве тестеров ложные показания соответствующие алмазу). Степень интенсивности потери тепла остриём щупа алмаза может отображаться на измерительной шкале, цифровом дисплее или ламповым (светодиодным) индикатором. Иногда для усиления визуального восприятия подаётся дополнительный звуковой сигнал.

Способы нагрева острия зонда и измерения его температуры могут быть различны в зависимости от инженерного решения конструкции прибора. От измерения сопротивления (пропорционального температуре нагрева) до использования резистора в качестве источника нагрева и термопары (т.е. сварного соединения, состоящего из двух разнородных металлов, которые генерируют ток пропорционально температуре нагрева). Металлическая тестовая пластина, как правило, используется в качестве теплоотвода для неоправленных ювелирных камней весом менее половины карата. При тестировании камней в оправе тепловая энергия, проходящая через камень (особенно если это бриллиант), рассеивается в материале оправы.

Стр. 139

Рисунок 12.11. Три портативных тестера теплопроводности, работающие от автономного источника питания, предназначенные для экспресс-теста на бриллиант и его имитации.

Металлические сплавы, используемые в оправах для драгоценных камней, имеют теплопроводность близкую к теплопроводности алмаза (см. табл. 12.2), и если измерительный щуп непреднамеренно коснётся оправы, то за этим может последовать ложная индикация «алмаза». Чтобы избежать подобных ошибок, некоторые тестеры снабжены устройством, которое издаёт предупреждающий звуковой сигнал в том случае, когда щуп касается металла оправы. Это устройство подаёт небольшое напряжение между щупом пробника и металлическим корпусом пробника. Если оправа камня удерживается в одной руке, а зонд – в другой, то через тело человека, проверяющего камень, проходит слабый ток в том случае, когда щуп касается металла оправы. Этот ток фиксируется и активирует предупреждающий зуммер. Поскольку и недостатки присущие измерителям теплопроводности нивелируются преимуществами измерителей отражения и наоборот, то некоторые производители объединили два прибора в одном (рис. 12.12).

Рисунок 12.12. «Дуотестер» – прибор, совмещающий в себе измеритель отражательной способности (рефлектометр) и термотестер. Выдвижной ящичек слева служит для хранения имитаций алмаза, которые используются для калибровки прибора. На выдвижной панели справа приведены типовые показания коэффициента отражения, отображаемые на светодиодном дисплее в передней части прибора.

Рисунок 12.13. Прибор «Альфа-тест» представляет собой термотестер предназначенный для тестирования теплопроводности ряда ювелирных камней (включая алмаз и его основные имитации). (производство «H.S. Walsh & Sons Ltd.»)

Стр. 140

Хотя большинство термотестеров предназначены для различения алмаза и его имитаций, в продажу поступают и несколько таких приборов как «Альфа-тест» (см. рис. 12.13), которые способны идентифицировать также и другие ювелирные камни на основе измерения их теплопроводности. За исключением алмаза, ювелирные камни обладают очень ограниченным диапазоном теплопроводности, который изменяется от показателя стекла (1,0) до корунда (40). Для этого такие инструменты должны быть весьма чувствительны, чтобы различать небольшие различия в теплопроводности, а их использование подразумевает некоторые операционные ограничения.

Такие приборы используются при определённом температурном диапазоне в помещении без сквозняков. Тестируемый камень должен быть стабилизирован до оптимальной температуры проведения испытаний (как правило, температуры тела), а щуп зонда должен прилагаться к камню под прямым углом с определённым давлением.

Метод термотестирования охватывает очень узкий интервал значений и может использоваться весьма избирательно. Когда температура щупа зонда начинает падать при контакте с ювелирным камнем, она сначала достигает определённого уровня, при котором включается таймер. При втором более низком значении температуры таймер выключается, а сравнительная теплопроводность ювелирного камня отображается в цифровом виде, отражающем временной интервал между двумя уровнями температуры. Чем более высока теплопроводность камня, тем короче этот временной интервал и тем меньше число отсчётов. Однако, точно также как и другие показатели для разных камней, такие как значения удельного веса или коэффициента отражения, имеют область перекрытия, то и этот признак может оказаться свойственен многим камням с теплопроводностью, находящейся в области перекрытия. Таким образом, использование этого типа инструментов ограничено идентификацией только относительно небольшого набора камней, а для мелких камней, установленных в оправу, для которых нет возможности проверить их на ином геммологическом оборудовании – очерчиванием только общего круга вероятных совпадений.

Хотя в целом разница между теплопроводностью природных ювелирных камней и их синтетических аналогов весьма не велика, тем не менее, эти (более чувствительные) модели прибора можно использовать для различения природного изумруда от раствор-расплавных (флюсовых) синтетических камней фирм Чатем (Chatham), Кресцент Верт (Crescent Vert), Жильсон (Gilson) и Ленникс (Lennix), так как все они имеют теплопроводность почти в два раза большую, чем природные камни. Синтетические изумруды, полученные гидротермальным методом, таких производителей как Бирон (Biron) и Лехлейтнер/Линде (Lechleitner/Linde), также имеют более высокую теплопроводность по сравнению с природными камнями, но разница в значениях не настолько велика как в камнях полученных раствор-расплавным методом.

Прибор «Альфа-тест» также можно использовать для отделения зеленовато-коричневого оливина (хризолита) от сингалита, у которых величины удельного веса, коэффициенты преломления и константы двулучепреломления достаточно близки, но теплопроводность сингалита от оливина отличается почти в два раза, давая более низкие значения.