Електричні властивості й люмінесценція

Електричні властивості й люмінесценція

Певне орієнтування внутрішньої структури кристалів обумовлює в багатьох випадках такі особливості, які залежать від напрямку і можуть бути виявлені по електричних властивостях. Якщо нагріти кристал турмаліну, він здобуває електричний заряд, а оскільки він є при цьому й поганим провідником, то на обоє його кінцях виникають статичні заряди протилежного знака, які зберігаються, хоча й змінивши знак, після остигання. Якщо помістити кристали турмаліну в ящик із внутрішнім висвітленням, вони там будуть нагріватися й притягати до себе велика кількість тонкого пилу з навколишнього повітря. Топаз має такі ж властивості, але меншою мірою. Якщо нагрівати кристал кварцу, у ньому також з'являються на різних кінцях подвійної осі статичні заряди протилежного знака, але іноді це явище маскується двойникованием. Електричні заряди можна виявити й у гранованих каменях. Ця властивість називається піроелектрикою ( від грецького слова ябр — вогонь).
Найбільш зручний метод, що дозволяє встановити, чи придбав камінь після нагрівання статичні заряди, розроблений Кундтом. Порошок, що полягає із суміші свинцевого сурику й сірки, поміщають в обладнання типу ковальських хутр і направляють струмінь повітря із цим порошком через сито на один кінець каменю. Завдяки виникаючому при цьому тертю частки порошку електризуються — сурик позитивно, а сірка негативно — і притягаються до зарядів протилежного знака; відповідні частини каменю можна розрізнити по кольору прилиплої до них пили. Порошок повинен бути сухим, інакше може відбутися хімічна реакція, що веде до утвору сульфіду свинцю, який можна довідатися по чорному фарбуванню. Пропонувався й інший спосіб, при якому для негативного елемента використовується сірка, пофарбована карміном у червоний колір, а для позитивного — жовтий лікоподій (пилок плауна).
Якщо алмаз, топаз або турмалін потерти шматком тканини, то в результаті тертя з'являється статичний електричний заряд, достатній для того, щоб притягати дрібні клаптики паперу; заряд буде позитивним. Якщо так само зробити з бурштином, виникне значний негативний заряд. Властивість бурштину електризуватися в результаті тертя про тканину було відоме давно: адже саме від грецької назви бурштину — exrpov — відбулося наше слово «електрика».
Хоча електричні характеристики становлять значний інтерес для дослідника, особливо завдяки тому що вони підтверджують деякі припущення про кристалографічну симетрію ряду дорогоцінних каменів, ці характеристики не мають великого практичного значення для розрізнення каменів, оскільки ці властивості проявляються в деяких мінералах і їх важко досліджувати
Деякі дорогоцінні камені, як і багато інші речовини, мають чудову властивість випускати у відповідь на збудливу дію падаючих на них променів інші промені, які відрізняються по довжині хвилі від перших. Якщо промені, що випускаються, лежать у межах видимого спектра, а збудливі їхні промені перебувають поза цим інтервалом, то це явище відоме як люмінесценція; воно має різні назви відповідно до різних своїх особливостей
Якщо речовина починає світитися під дією теплових променів, що лежать далі червоного кінця видимого спектра, таке явище називається термолюминесцеицией, а якщо нагрівання відбувається в результаті тертя — триболюмінесценцією. Спалаху, що виникають при терті двох кременів друг про друга, є прикладом останнього ефекту. Назва «термолюмінесценція» походить від грецького слова Oipfii] (тепло), « триболюминесцен-ция» — від грецького слова тр'фос (тертя).
Коли порушення викликане променями, що лежать за фіолетовим кінцем видимого спектра, і світіння відбувається тільки одночасно з порушенням, явище називається флюоресценцією, а якщо світіння триває значний час після припинення збудливого дії — фосфоресценцією. (Це явище відрізняється від світіння фосфору в темряві, яке виникає в результаті повільного окиснення речовини.).
Фосфоресценція в дорогоцінних каменів зустрічається рідко. Багато алмазів світяться в темряві після перебування на сонячному світлі; як алмаз, так і кунцит фосфоресцируют після висвітлення ультрафіолетовими променями, у тому числі й такими короткохвильовими, як еманації радію. Можна відзначити, що при подібному порушенні стекло не фосфоресцирует і, крім того, воно непрозоре для рентгенівських променів; з іншого боку, алмаз пропускає ці промені й, таким чином, його можна відрізнити від скляних підробок за допомогою рентгеноскопії
Сер Джон Гершель відкрив флюоресценцію в 1845 г. у ході дослідження розчину сірчанокислого хініну, однак пояснення цьому чудовому явищу дав в 1852 г. сер Дж. Г. Стокс у результаті детального вивчення люминесцирующих мінералів: флюориту, отунита, апатиту, арагоніту, хризоберилу, кіаніту й топазу, а також різних органічних речовин, включаючи сірчанокислий хінін. Саме Стокс уперше ввів термін «флюоресценція». Він писав: «Я вирішився підібрати для цього явища яка-небудь нова назва й збираюся назвати його флюоресценцією — від слова «флюорит», за аналогією з терміном опалесценція, який також є похідним від назви мінералу».
Для вивчення флюоресценції Стокс використовував метод, який відомий тепер як метод схрещених світлофільтрів. Звичайне світло пропускається через синій світлофільтр (наприклад, через посудину, що містить насичений розчин сульфату міді) і використовується потім для висвітлення кристала, розміщеного на чорному тлі. Якщо дивитися через червоний світлофільтр, легко можна помітити червоне світіння флюоресцирующего мінералу
Найкраще флюоресценція проявляється під дією променів з довжиною хвилі тільки небагато більш короткої, чому у видимих фіолетових променів, а найкраще їхнє джерело — спектр, випромінюваний розпеченими парами ртуті. Цей спектр містить кілька чітких ліній, а саме: дублет у жовтому кольорі (5791 і 5770 А), одну лінію в зеленому (5461 А) і дві лінії у фіолетовому (4358, 4047 А) (усі вони ставляться до видимого спектра), а також чітку лінію (3650 А) на самій границі видимості й три лінії з короткою довжиною хвилі (3341, 3132, 3125 А). Фіолетове фарбування світла ртутних ламп, які поряд з неоновими лампами широко використовуються в наш час для декоративного висвітлення, являє собою ефект впливу чітких видимих ліній на наші очі. Оскільки це сильне світло не дозволяє побачити вироблену їм флюоресценцію, необхідно якось відітнути ці промені. На щастя, є один з видів темного скла, відомий як світлофільтр Вуда, який поглинає практично весь видимий спектр, вільно пропускаючи ультрафіолетові промені. Тому в ящику, що містить ртутну лампу, робиться вікно, яке закривається шматком темного скла, і цей ящик поміщають у спеціальну темну кімнату, куди влучення звичайного світла може бути виключено. Коли лампа включена, у віконці не буде нічого видне, поки в поле ультрафіолетових променів не з'явиться флюоресцирующее речовина, яка буде світитися променями характерного для нього кольору, що утворюється, як і у випадку кольору, обумовленого поглинанням, у результаті додавання різних променів, що випускаються, видимої частини спектра. Дослідження показало, що реакція різних речовин на ультрафіолетове опромінення може мінятися залежно від довжини хвилі падаючих променів. Випромінювання із чіткою лінією 3650 А звичайно дає, як говорилося вище, найбільш наочний ефект. Однак цей ефект може виявитися не настільки корисним для діагностичних цілей, як результат «короткохвильового» ультрафіолетового опромінення. Електричний розряд у розріджених парах ртуті, ув'язнених у колбу із кварцового або спеціального скла, збуджує випромінювання з дуже короткою довжиною хвилі — аж до 1800 А. Більша частина видимого спектра й більш довгохвильові ультрафіолетові промені поглинаються світлофільтром з особливого скла (Chance ОХ 7), який добре пропускає сильне випромінювання з довжиною хвилі 2537 А. У лампі іншого типу використовується флюоресцирующая трубка, яка при відповідному фільтрі випускає безперервний спектр від ультрафіолетових променів ( близько 3000 А) до видимих фіолетових променів ( близько 4200 А). Не слід забувати, що ультрафіолетові промені мають проникаючу здатність і що треба вживати заходів, щоб ці промені не попадали в очі й, по суті, на будь-яку частину тіла довше, чим протягом однієї-двох секунд. .
Слід пам'ятати, що флюоресценцію не можна вважати постійною властивістю якого-небудь із дорогоцінних каменів; навіть флюорит, у якому вона так добре виражена і якому це явище зобов'язане своєю назвою, не завжди має цю властивість. Однак деякі види дорогоцінних каменів незмінно характеризуються помітною флюоресценцією. Наприклад, в «довгохвильових» ультрафіолетових променях рубін і рубиново-червона шпінель, а також відповідні синтетичні матеріали виявляють дуже яскраву червону флюоресценцію; як вказувалося вище, їхні спектри поглинання містять кілька ліній у червоній частині спектра, пов'язаних із флюоресценцією. У багатьох алмазів спостерігається флюоресценція небесно-голубого кольору, але вона може бути й блідої, і дуже яркою; деякі алмази флюоресцируют жовтим або зеленуватим світлом. Однак алмази настільки неоднакові щодо цього, що в якості способу ідентифікації брошок із численними алмазами було запропоновано їхнє фотографування. Нижче перераховані дорогоцінні камені, флюоресцирующие в ультрафіолетових променях (у дужках дається колір виникаючого світіння): кунцит (рожевий^-рожевий-тілесно-рожевий), обпав (блакитний або жовтуватий), бірюза (зелений), флюорит (фіолетовий), деякі циркони (гірчичний), данбурит (небесно-голубий), деякі виллемити (яскраво-зелений) і деякі смарагди (червоний). Крім того, флюоресценція проявляється й у деяких коштовних органічних матеріалів. Як блідий, так і темний бурштин випромінює блакитний^-блакитне-зеленувато-блакитне сяйво, особливо на свіжих поверхнях. Перли, як природний, так і штучно вирощений, флюоресцирует різним кольором залежно від того, де жили устриці даного виду; особливо приємна для очей небесно-голуба флюоресценція східних і австралійських перлин, але відмінність у світінні природнього й штучно культивируемого перли недостатньо для цілей ідентифікації
Дія, вироблена «короткохвильової» лампою, звичайно слабкіше, і флюоресценція може бути іншого кольору. Однак деякі самоцвіти, інертні в довгохвильових променях, флюоресцируют у цьому випадку дуже сильно; наприклад, бенитоит дає блакитний^-блакитне-яскраво-блакитне світіння, і його можна, таким чином, легко відрізнити від сапфіру, який інертний. Безбарвні синтетичні шпінелі, тільки-но помітно світні при довгохвильовому опроміненні, виявляють яскраво-блакитну або фіолетову флюоресценцію в короткохвильових променях; пофарбовані синтетичні шпінелі поводяться в такий же спосіб, хоча на ефект флюоресценції впливає в цьому випадку власний колір каменю
Оскільки ультрафіолетові промені становлять більшу частку в радіації Сонця, вид флюоресцирующего каменю на яскравому сонячному світлі являє собою ефект додавання квітів, обумовлених поглинанням і характерної для цього каменю флюоресценцією. Рубін своєю красою багато в чому зобов'язаний флюоресценції. Це ж властивість можна помітити при денному світлі в деяких опалів, у бурштину, а також у більшості зразків флюориту
Ефект флюоресценції викликається також рентгенівськими й катодними променями, довжина хвилі яких ще коротше, чим в ультрафіолетових променів. Флюоресценція від рентгенівських променів у цілому слабкіше, але, з іншого боку, деякі камені, що не реагують на ультрафіолетові промені, краще збуджуються рентгенівськими променями, які тому застосовуються частіше. Зовсім ясно, що для діагностичних цілей найкраще досліджувати ефект флюоресценції, що виникає в каменю в обох діапазонах ультрафіолетових променів п у рентгенівських променях. По характеру викликуваної флюоресценції катодні промені схожі на рентгенівські, але світіння тут набагато яскравіше.
Збільшення довжини хвилі світлових променів знайомо кожному. Звичайне шибка прозоре для видимих променів, але не пропускає інфрачервоні промені, які головним чином викликають нагрівання. Коли сонячні промені падають, наприклад, на теплицю, світлові промені проходять через скло, а інфрачервоні промені затримуються. Довжина хвилі світлових променів зростає в результаті відбиття від предметів усередині приміщення, що й виникають при цьому інфрачервоні промені захоплюються склом. У результаті температура усередині приміщення росте; додаткове тепло, вироблене тепловими променями, що падають зовні, передається усередину шляхом теплопровідності
П'єзоелектрика ( від грецького слова яii£o) — тиск) не дає великого ефекту при діагностиці каменів, однак було доведено його величезне значення для збереження стійкості довжини хвилі в радіомовленні п у службі точного часу. Це явище можна розглядати як щось противоположноепироєлектричеству, тому що виникаючі заряди відповідають тем, які утворюються, коли даний кристал скорочується в результаті охолодження. П'єзоелектричний ефект проявляється в турмаліні й вкварце.