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?