К ним относятся красота, редкость и твердость. Хотя красота и редкость драгоценного камня являются основными факторами для использования его в ювелирных изделиях, необходимо также принимать во внимание его прочность или твердость. Дело в том, что драгоценный камень должен быть устойчив к различным механическим и химическим воздействиям, неизбежным при повседневной носке. Закрепленный в кольце драгоценный камень иногда может подвергаться ударам, но настоящим испытанием на прочность является содержащаяся в атмосфере пыль, в которой присутствуют микроскопические частицы кварца. Эти частицы постоянно воздействуют на камень, и если он относительно мягкий, его полированные грани постепенно истираются. По этой причине твердость в геммологии и минералогии рассматривается как способность материала противостоять истиранию.
В то же время прочность и долговечность драгоценных камней обусловлены не «твердостью» атомов, образующих его структуру, а прочностью связей между атомами. Важность структурной связи видна в алмазе, одной из двух кристаллических модификаций углерода. Алмаз с ковалентными связями длиной всего 0,154 нм имеет весьма компактную структуру, которая делает его самым твердым из минералов.
Шкала относительной твердости Мооса
Твердость материала более точно определяется как способность его поверхности противостоять истиранию, когда по нему прочерчивают линию острым предметом из другого вещества с меньшим давлением, чем требуется для его раскалывания по плоскостям спайности или по трещинам. Используемая в геммологии и минералогии шкала твердости была предложена немецким минералогом Фридрихом Моосом в 1822 г. Она построена на простом сравнении одного материала с другим, и интервалы значений твердости в ней неодинаковы. В основе шкалы лежит простой принцип — вещество с данной твердостью будет царапать вещество с меньшей и, в свою очередь, будет процарапываться предметом с большей твердостью.
Моос выбрал в качестве стандартов обычные минералы с определенной твердостью, которые легко достать, причем в мономинеральном виде. Соблюдение этих факторов необходимо, чтобы шкала была универсальной, а тот факт, что данные минералы легко получить в мономинеральном виде, важен, так как в этом случае их твердость постоянна и не зависит от того, из какого они месторождения.
Ниже приведены десять минералов, выбранных Моосом для построения шкалы. Они пронумерованы от 1 до 10 по мере возрастания их твердости:
- Тальк
- Гипс
- Кальцит
- Флюорит
- Апатит
- Ортоклаз
- Кварц
- Топаз
- Корунд
- Алмаз
Из этого списка видно, что камни с твердостью ниже 7 уязвимы для истирания частичками кварца, содержащимися в пыли. Например, закрепленный в кольце кабошон из малахита, имеющего твердость 4 по шкале Мооса, после нескольких лет носки будет нуждаться в переполировке.
Важно помнить, что шкала Мооса является относительной и нелинейной, т. е. разница в значениях твердости между последовательными минералами неодинакова. Например, разница в твердости между корундом (9) и алмазом (10) больше, чем между корундом и самым мягким минералом шкалы — тальком.
Отметим также, что твердость — не единственный фактор, определяющий прочность драгоценного камня. Хрупкость и вязкость, хотя они и менее важны, чем твердость, тоже вносят свой вклад в его прочность. Циркон, например, имеет твердость 7—7,5, но является хрупким минералом и может раскалываться, разрушаясь, если несколько кристаллов хранятся вместе в одном бумажном пакете — так называемый «бумажный износ». С другой стороны, два родственных минерала нефрит и жадеит имеют высокую вязкость, хотя значения твердости их достаточно велики — 6 и 7 соответственно. Это происходит потому, что они состоят не из монокристаллов, а из массы микроскопических переплетенных волокон или кристаллов. В доисторические времена вязкость делала жад предпочтительным по сравнению с хрупкими кремнем и вулканическим стеклом для изготовления инструментов человеком в период неолита.
Применение специальных карандашей и пластин для определения твердости
Несмотря на то, что твердость драгоценных камней, определеяемая по шкале Мооса, — полезна и является диагностической константой, использование ее в геммологии ограничено. Это связано с тем, что любое определение твердости по существу является разрушающим методом, при котором на камне остается неисчезающий след. С другой стороны, многие минералы имеют близкие значения твердости.
Поскольку существуют многие другие подтверждающие тесты, к определению твердости следует обращаться в последнюю очередь и проводить его с максимальной осторожностью, с тем чтобы оставлять по возможности наименьшую царапину, причем в той части камня, где она будет наименее заметна, например, на рундисте. Определение твердости, вероятно, наиболее сомнительное наследство, доставшееся геммологии с тех ранних дней, когда не существовало иных способов диагностики.
Хотя определение твердости царапанием является разрушающим методом, существуют обстоятельства, при которых его использование допустимо — например, в случае крупных резных предметов, когда другие методы применить невозможно, а царапина с обратной стороны не портит внешнего вида изделия. Другим примером является алмаз. Это единственный камень, который может царапать корунд, и определение твердости здесь используется как подтверждающий тест (не приносящий вреда самому алмазу). Определение твердости процарапыванием можно также производить на необработанных образцах, особенно когда их размеры или характер поверхности исключают применение других методов.
Для проведений испытаний подобного рода выпускают специальные карандаши твердости. Они представляют собой металлические оправы, в которых закреплены заостренные фрагменты минералов, являющихся стандартами шкалы твердости Мооса. Значение твердости каждого минерала выбито на конце карандаша.
При использовании карандашей твердости драгоценный камень процарапывается (желательно в области рундиста, где след будет наименее виден) вначале самым мягким карандашом, а затем карандашами со все более высокой твердостью до тех пор, пока не будет получена ясно видимая царапина. Твердость камня будет промежуточной между значениями твердости этого и предыдущего карандашей. Рассматривая царапину (с помощью ручной лупы), нужно в первую очередь убедиться, что это действительно царапина, а не порошковый след карандаша твердости.
Более безопасным является «обратный» метод определения твердости. При определении твердости этим способом царапина наносится ребром грани камня (а лучше рундистом) на плоскую поверхность серии пластин, вырезанных из минералов известной твердости. Начиная с самой мягкой пластины, тест продолжают до тех пор, пока не достигнут пластины, на которой царапина будет отсутствовать. Твердость камня будет где-то посередине между значениями твердости непоцарапанной пластины и предыдущей.
Набор пластин твердости состоит из ортоклаза (6), кварца (7), синтетической шпинели (8) и синтетического корунда (9), необходимых для большинства тестов на определение твердости. Полированная поверхность були синтетического корунда также позволяет проводить подтверждающий тест при диагностике алмаза.
Популярное мнение о том, что алмаз можно диагностировать по его способности царапать стекло, не учитывает того факта, что многие имитации алмаза (например, синтетический муассанит, синтетический корунд, синтетическая шпинель, топаз, ИАГ и даже кварц) также царапают стекло. Однако если царапать стекло алмазом и одной из его имитаций, то можно сравнить вид царапины: та, которая нанесена алмазом, будет глубже и ее легче нанести, чем в случае более мягкой его имитации.
Весьма полезно бывает нанести серию царапин на предметное стекло микроскопа разными минералами, прикладывая одинаковое давление. Царапина, нанесенная алмазом, будет самая глубокая, а царапины, нанесенные корундом и топазом или синтетической шпинелью, будут все менее глубокими. Когда будет достигнуто значение твердости, на единицу (по шкале Мооса) превышающее твердость стекла (которая обычно около 5,5), станет трудно нанести царапину, не прикладывая дополнительного давления. В качестве простого неразрушающего метода оценки твердости драгоценного камня стекло микроскопа очень полезно.
Наконец, слово предостережения относительно одного из самых старых способов, позволяющих отличить мягкую «пасту» (т.е. искусственное стекло) от природных камней. В нем тонким напильником на рундист камня наносится точка; при этом предполагается, что все, что царапается, — стекло. Однако стальной напильник имеет твердость около 6,5 и есть ювелирные камни (такие, как лазурит, опал), на которых тоже будет оставаться от него след.