Драгоценные камни: фотолюминесцентные свойства

Драгоценные камни: фотолюминесцентные свойства

Люминесценция, хотя и не все драгоценные камни ею обладают, может быть полезным средством идентификации, особенно если цвета люминесценции в длинных и коротких ультрафиолетовых волнах различны. В то время как фотолюминесценция возбуждается электромагнитным излучением в видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах спектра, причины, вызывающие появление триболюминесценции, катодолюминесценции и электролюминесценции, совершенно иные.

Триболюминесцирующие материалы обладают способностью светиться под действием трения или истирания. Это иногда случается при огранке или распиливании алмаза и выражается в появлении голубой или красной флюоресценции. Как только камень перестает быть в контакте с полирующей или распиливающей поверхностью, эффект тотчас же исчезает, что доказывает его связь с трением, а не с нагревом.

Катодолюминесценция — это возникновение флюоресценции в некоторых материалах, когда их бомбардируют пучком электронов в вакууме. Хотя повседневным примером этого эффекта является светящийся экран телевизора, аналитическое приложение катодолюминесцеции было открыто только при просмотре образцов в электронном микроскопе. Затем этот метод получил свое развитие как средство обнаружения редкоземельных элементов и конкретных минералов в агломератах. Он используется также при изучении кристаллографических характеристик и азотных пластинок («platelets») в алмазах.

Еще один вид люминесценции может возникать в материале при пропускании через него электрического тока, и тогда про это вещество говорят, что оно обладает электролюминесценцией. Природные голубые алмазы являются полупроводниками (т. е. их проводимость меньше, чем у проводников, и больше, чем у изоляторов). Один из способов отличить их от искусственно окрашенных алмазов (которые не электропроводны) — приложить к ним постоянное или переменное напряжение через амперметр. Во время теста природные голубые алмазы часто проявляют электролюминесценцию, связанную с прохождением тока через их кристаллическую решетку.

Тест на пропускание коротковолнового ультрафиолетового излучения

Ранее упоминалось об эффекте тушения люминесценции, связанном с наличием в материале оксидов железа. Присутствие этих оксидов определяет также степень прозрачности материала к коротковолновому ультрафиолетовому излучению. Поскольку большинство природных драгоценных камней всегда содержит некоторое количество примеси железа, это не только уменьшает интенсивность люминесценции минералов, содержащих такие активаторы, как хром, но и сильно уменьшает прозрачность большинства природных камней к коротковолновому ультрафиолетовому диапазону.

До начала 1980-х гг. производители синтетических драгоценных камней (шпинели, рубина, сапфира, александрита, изумруда) имели проблемы с введением оксидов железа в свою продукцию. В результате данные синтетические камни были гораздо более прозрачны к коротковолновому ультрафиолетовому излучению, чем их природные аналоги. Этот факт использовался в иммерсионной контактной фотографии. Метод определения прозрачности в коротковолновом ультрафиолетовом излучении был первоначально предложен Б. Андерсоном для выявления разницы в показателях преломления драгоценных камней, а затем развит Н. Дэем для различения природных и синтетических изумрудов и рубинов.

При тестировании этим методом образец кладут (вместе с природным камнем в качестве эталона) площадкой вниз на фотобумагу в затемненном помещении. Затем камни и бумагу помещают на дно плоского сосуда с водой и в течение нескольких секунд освещают коротковолновым ультрафиолетовом излучением (благодаря воде лучи проникают в камень, а не отражаются от его граней).

Затем фотобумагу обрабатывают, и изображение эталонного камня будет белым (поскольку он будет поглощать коротковолновое ультрафиолетовое излучение), тогда как изображение образца, если это синтетический камень, окажется черным с белой каймой. Хотя синтетические камни, которые стали производить в более позднее время, содержат оксиды железа (например, синтетические рубины Kashan) и тем самым делают такое исследование неэффективным, в случае, когда исследуемый камень проявляет высокую прозрачность при освещении коротковолновыми ультрафиолетовыми лучами, результат представляет определенную ценность.

Усовершенствованный тест на прозрачность камней к коротковолновому УФ излучению был предложен позднее японской компанией Culty, разработавшей прибор «Color Stone Checker». Этот комбинированный прибор включает в себя измеритель коэффициента отражения, источник длинно- и коротковолнового ультрафиолетового излучения, и детектора. Он был разработан, чтобы помочь менее опытным ювелирам отличить природные александриты, изумруды, рубины и сапфиры от их синтетических аналогов и имитаций.

Относительная прозрачность природных и синтетических камней измеряется при размещении драгоценного камня над диафрагмой ультрафиолетового осветителя прибора. Кусочек шеелита под диафрагмой флюоресцирует, когда его достигают коротковолновые УФ лучи, проходя через камень, а интенсивность этой флюоресценции зависит от степени прозрачности исследуемого камня к ультрафиолетовым лучам. Фотодиод, расположенный сбоку от шеелита, преобразует свечение в электрический сигнал, который фиксируется измерительным прибором. Подходящая калибровка позволяет определить, является ли исследуемый камень природным (поглощает коротковолновое ультрафиолетовое излучение) или синтетическим (прозрачен к коротковолновому ультрафиолетовое излучению). Как и в случае с иммерсионной контактной фотографией, синтетические камни, содержащие оксид железа, сводят на нет возможности этого теста, поскольку результат будет таким же, как и у природного камня.

Еще одним электрическим свойством, присущим некоторым минералам, является фотопроводимость. В минералах, обладающих этим свойством, обычное высокое электрическое сопротивление уменьшается при облучении его электромагнитным излучением, таким, как ультрафиолетовые лучи. Полупроводниковые алмазы, содержащие бор, проявляют фотопроводимость при воздействии ультрафиолетовых лучей и используются в качестве детекторов излучения в условиях, когда требуется чувствительный материал, устойчивый к коррозии (например, монитор уровня радиации, аналогичный счетчикам Гейгера, для использования в активной зоне ядерного реактора).

Янтарь — трибоэлектрический материал, на поверхности которого при трении возникает отрицательный электростатический заряд. Когда это происходит, янтарь начинает притягивать мелкие кусочки папиросной бумаги. Однако некоторые пластмассовые имитации янтаря тоже обладают этим свойством, поэтому оно не может использоваться для идентификации янтаря без какого-либо дополнительного подтверждающего теста.