Определение окраски ювелирных камней

Окраска большинства минералов, используемых как драгоценных камней, может быть совершенно различной. В «чистом» виде многие из ювелирных минералов могут быть бесцветными и стоимость их может быть очень низкой. Рубин и сапфир представляют собой красную и синюю разновидность минерала корунда, но существуют также желтые, белые, розовые и зеленые сапфиры. Изумруд и аквамарин – густо-зленая и бледно-голубая разновидность берилла, однако известны белые, розовые и желтые бериллы, также и зеленые бериллы, которые не попадают в разряд изумрудов. Турмалин, циркон, топаз и кварц могут служить еще одним примером полихромных минералов. В турмалине смена цветов может наблюдаться в пределах одного кристалла («арбузные» турмалины).

Существует много красных, синих и зеленых драгоценных камней, но только некоторые из них близки к рубину, сапфиру и изумруду по богатству оттенков, и только натренированный глаз эксперта способен отличить их от других природных камней, имитаций из стекла и от синтетических аналогов. Для начинающих необходимо использовать любую возможность для практики в визуальном определении различных драгоценных камней, обращая при этом внимание на особенности оттенков цвета, типичные для каждого из минералов.

В том случае, когда даже опытному глазу сложно различить разные, но очень близкие по цвету минералы, для анализа цвета применяются некоторые несложные приборы. То, что мы называем белым светом, т. е. светом Солнца, в действительности представляет собой смесь всех цветов радуги. В 1666 г., известном как год Большого Лондонского пожара, Ньютон, анализируя с помощью стеклянной призмы узкий пучок света, проникающего через щель в занавеске в его затемненную комнату, впервые увидел, что свет имеет сложную природу. Падая под углом на границу прозрачного твердого тела, свет различно преломляется в зависимости от длины волны; красные лучи, имеющие большую длину волны, отклоняются меньше, чем фиолетовые, имеющие меньшую длину волны. При прохождении через призму лучи, различно отклоняясь от прежнего направления, разделяются и на экране видны в виде перекрывающихся пятен чистых цветов (так называемая спектральная полоса) – красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего и фиолетового, плавно переходящих один в другой.

Камни кажутся глазу окрашенными просто потому, что они поглощают часть проходящего через них белого света; некоторые длины волн поглощаются больше, чем другие. Наименее поглощенные лучи достигают нашего глаза и вызывают ощущение цвета. Значит, наблюдаемый цвет входил в состав первоначального белого света, а не был создан камнем, который просто поглотил из белого света цвета, дополнительные к тем, которые мы видим.

Известно и то, что два камня могут поглотить из белого света совершенно разные наборы длин волн и тем не менее казаться невооруженному глазу одинаковыми по цвету. Поэтому только с помощью приборов можно установить, что так называемая средняя эффективная длина волны непоглощенных участков спектра действительно одинакова для каждого из камней.

Спектроскоп (с помощью которого свет анализируется тем же способом, как и в эксперименте Ньютона) в большинстве случаев позволяет обнаружить это различие в двух одинаковых цветах.

Цветной фильтр Челси

Простым и очень хорошим средством выявления не заметных на глаз различий в цвете камня могут служить цветные фильтры. Они, в частности, могут помочь отличить изумруд от его имитаций.

Изумруд – почти единственный камень среди зеленых камней (и стекол), который пропускает значительную часть красного цвета спектра и поглощает в некоторой степени его желто-зеленую область. Если его рассматривать через фильтр, пропускающий только темно-красный и желто-зеленый свет, то он выглядит красным, тогда как практически все имитации или природные камни, похожие на изумруд, кажутся через фильтр зелеными. Выпускалось много типов таких фильтров, из которых наибольшее распространение получил фильтр Челси, разработанный Лондонской диагностической лабораторией совместно с Политехническим колледжем Челси. Кроме определения изумрудов фильтр Челси применим и для решения других задач. Однако, если исследователь не знает всех возможностей этого фильтра, то может прийти к неправильному выводу. Потому что в одних случаях признак «красный через фильтр» является сигналом опасности, в других случаях, наоборот, это положительный сигнал. Например, голубые синтетические шпинели и синие кобальтовые стекла кажутся красными. Это позволяет быстро отличить их от сапфира, аквамарина или голубого циркона, имеющих грязно-зеленый цвет.

Дихроизм и дихроскоп

Почти во всех двупреломляющих цветных минералах имеются два различно окрашенных луча, которые одновременно достигают нашего глаза, смешиваясь друг с другом. Двупреломление в общем означает, как мы знаем, что лучи, прошедшие через минерал в каком-либо направлении, разделяются на два луча, каждый из которых колеблется в плоскости перпендикулярной другому лучу. Эти лучи не только движутся с разной скоростью, но еще и поглощаются по-разному. Это явление называется дихроизмом (эффектом двух цветов) или, в общем случае, плеохроизмом (эффектом многих цветов), поскольку некоторые камни могут характеризоваться в различных направлениях тремя разными цветами, хотя в одном направлении видны всегда только два цвета.

Данный эффект заметить невооруженным глазом обычно невозможно, за исключением сильно дихроичных камней, оттенок которых меняется при их повороте в соответствие с изменением направлением света, проходящего через кристалл.

Чтобы наблюдать оба цвета одновременно, применяется небольшой простой прибор, называемый дихроскопом. Он представляет собой трубку с окном на одном конце и линзой на другом, между которыми помещают кусочек кальцита таким образом, чтобы он создавал два рядом лежащих изображений окна, наблюдаемых через окуляр. Свет двух таких рядом лежащих изображений окна колеблется в разных плоскостях, причем колебания для одного изображения перпендикулярны колебаниям для другого.

Если камень расположить перед окном дихроскопа так, чтобы свет, проходящий через него, попадал в окно прибора, то через окуляр будут видны два окна, окрашенные в цвета поляризованных лучей, идущих из камня.

Обычно это просто два различных по интенсивности оттенка одного и того же цвета. Например, для сапфира, как правило, в окнах видны темно-синий и светло-синий цвета, однако у некоторых камней наблюдается удивительная разница в цветах. Например, в уральском александрите при повороте камня перед окном дихроскопа можно видеть пурпурный, зеленый и оранжевый цвета (по два одновременно).

Вращение камня важный фактор при определении дихроизма. Во всех анизотропных минералах имеются одно или два направления (оптические оси), вдоль которых дихроизма нет. В правильно ограненных рубинах, в которых оптическая ось ориентирована перпендикулярно площадке камня, при наблюдении через площадку заметен лишь очень слабый дихроизм. А в синтетическом рубине, который редко гранится правильно, дихроизм при наблюдении через площадку заметен сильно.

Надо запомнить, что дихроизм свойственен только анизотропным (двупреломляющим) минералам. Таким образом, у нас есть еще одна возможность определить двупреломление минерала (т. е. его наличие или отсутствие). Дихроизм позволяет отличить рубин от красной шпинели и граната, синюю шпинель от синего турмалина такого же оттенка, сапфир от синей синтетической шпинели и т. д. Следует учитывать, что эффект дихроизма сильно варьирует у камней одно и того же минерального вида, это зависит от особенностей состава минералов. В разных месторождениях интенсивность дихроизма у минералов может быть разной. В случае, когда различные оттенки слабы, трудно быть уверенным в наличии дихроизма.

Спектроскоп

Спектроскоп – один из трех китов, на которых покоится современная диагностическая геммология. Два других – рефрактометр и микроскоп. Рефрактометр позволяет определить большинство ограненных камней, в то время как микроскоп говорит нам об их происхождении. Но рефрактометр неприменим в случае необработанных камней, а также камней, имеющих высокие показатели преломления. Не в каждом камне можно увидеть под микроскопом его характерные особенности. Да и спектроскоп, разумеется, имеет свои ограничения. Однако именно его следует применять, в тех случаях, когда два других прибора оказываются бесполезными. Именно он позволяет очень быстро и точно определить ряд драгоценных камней. Спектроскоп может применяться с равным успехом как для обработанных полированных камней с высоким показателем преломления, так и для необработанных камней. Нередко с помощью спектроскопа удается определить, является камень природным или синтетическим, выявить случаи искусственной окраски (например, у жадеита) или облучения (например, у алмаза) и т. д.

Все это выполняется путем анализа света, прошедшего через камень или отраженного от его поверхности.

Диапазон видимого света лежит в пределах от 700 до 400 нм. За красным краем спектра находятся невидимые инфракрасные лучи, которые переходят в тепловые волны еще большей длины. Фиолетовый край спектра продолжается в область невидимых ультрафиолетовых лучей (от 400 до 200 нм). Рентгеновские лучи имеют длину волны порядка 0,1 нм.

Принцип, на котором основана способность спектрометра анализировать свет, раскладывая его на основные части, очень прост: лучи различных цветов (длин волн) при прохождении через призму из стекла или другого прозрачного материала преломляются неодинаково. Так, узкий пучок белого света превращается в полосу радужных цветов – видимый спектр. Последний можно получить и другим путем – пропуская свет через решетку из параллельных линий, расположенных очень близко друг от друга и через равные интервалы. Такая решетка, называемая дифракционной решеткой, используется во многих спектроскопах. Оба типа спектроскопа – призменные и с решеткой – имеют свои достоинства и недостатки. Призменные спектроскопы дают более яркий спектр, но ширина его цветных зон увеличивается по мере приближения к фиолетовому краю в соответствии с возрастающей дисперсией стекла или другого материала призмы. Приборы с дифракционной решеткой дают равномерное распределение цветовых областей, но яркость его меньше. Т. к. яркость спектра при определении очень важна, то лучше пользоваться призменным спектроскопом.

Призменный спектроскоп состоит из металлической трубки с регулируемой щелью на одном конце, через которую пропускается анализируемый свет. За щелью расположена линза, которая превращает, проходящий через нее пучок света в параллельный. Затем этот пучок проходит через три или пять стеклянных призм, склеенных таким образом, что их вершины поочередно направлены в противоположные стороны. Суммарная дисперсия призм в идеале около 10º, тогда можно наблюдать всю видимую часть спектра. Резкость достигается выдвижением или возвратом трубки.

Если малый карманный спектроскоп направить щелью на электрическую лампу, то в окуляре будет видна прямоугольная полоска спектральных цветов. Солнце или яркое небо будут давать такую же непрерывную полосу цветов. Если навести резкость, то можно заметить на фоне яркой цветной полоски ряд тонких темных линий. Это фраунгоферовы линии по имени немецкого физика Фраунгофера, который впервые определил и описал линии в солнечном спектре. Наиболее интенсивные линии оно обозначил буквами А, В, С и т. д., начиная с красного конца. Теперь мы знаем, что это линии поглощения, точно соответствующие по положению (т. е. по длине волны) ярким линиям, испускаемым светящимися парами металлов. Например, две линии в желтой части спектра, так близко расположенные, что выглядят как одна, – точно соответствуют желтым линиям, испускаемым светящимися парами натрия.

Спектр поглощения Солнца возникает из-за того, что из яркого непрерывного спектра, испускаемого светящимися твердыми глубинными частями Солнца, атомы металлов, находящиеся в более холодной газообразной атмосфере, окружающей Солнце, поглощают соответствующие им полосы. Каждый вид атомов в газообразном состоянии поглощает волны света той же длины, какой он испускает в нагретом состоянии.

Именно тот факт, что полосы поглощения занимают различные положения в спектрах разных минералов, содержащих обусловливающий окраску элемент, очень важен для геммолога, поскольку позволяет во многих случаях идентифицировать минерал.

Существует небольшая группа металлов, присутствие которых в минерале приводит к поглощению из белого света определенных длин волн и, как следствие, к окрашиванию содержащих их веществ. С этой точки зрения для драгоценных камней наиболее важен хром, который окрашивает в замечательный красный цвет рубин, шпинель и пироп. Ему же обязаны своими насыщенными и яркими зелеными тонами изумруд и жадеит.

Железо – самый распространенный природный краситель – дает менее яркие зеленые оттенки, а также красный, желтый и изредка синий цвета. Зеленый сапфир, хризолит, альмандин и синяя шпинель окрашены железом.

Медь создает окраску бирюзы, а также поделочных камней – малахита и азурита. Марганец обусловливает особый розовый или оранжевый цвет спессартина, родохрозита и родонита. Никель окрашивает в зеленый цвет хризопраз. Общеизвестный в быту синий цвет, который дает кобальт, в природных минералах редок, но им часто окрашивают синтетические минералы (синтетические стекла и шпинели).

Синий цвет синтетического сапфира связан с титаном (в природном сапфире на цвет влияет также и железо). роль ванадия, восьмого и последнего из этих переходных элементов-хромофоров, многообразна и не совсем понятна. В берилле он создает очень приятный зеленый цвет, а в большинстве изумрудов ванадий содержится наряду с хромом. Замечательный фиолетовый цвет ювелирного цоизита, найденного в 1967 г. в Танзании, также, как полагают, обусловлен присутствием 0,2 % ванадия. Несомненна роль ванадия в александритовом эффекте синтетического сапфира, имитирующего александрит.

Вопросы.1. Что такое спектроскоп и для изучения какого свойства минералов он используется? 2. Как оценивается окраска ювелирных минералов? 3. Назовите основные элементы-хромофоры и примеры окрашенных ими ювелирных минералов. 4. Для каких целей используют дихроскоп? 5. На каком принципе основана работа дихроскопа? 6. Для чего и как используют рефрактометр? 7. Какие оптические свойства можно определить с помощью рефрактометра? 8. Какие бывают рефрактометры? 9. Что такое двупреломление и для каких минералов оно характерно? 10. Какой прибор используется в геммологии для определения двупреломления минералов?

Лекция 14

Методы исследования структуры и химического состава минералов. Дифракция рентгеновских лучей. Виды дифракционных исследований. Порошковый метод рентгенографии. Монокристалльный метод рентгенографии. Дифракция нейтронов. Дифракция электронов и электронный микроскоп. Электронно-зонжовый микроанализ. Рентгеновский флуоресцентный микроанализ.