3.5.12. Люминесценция

Люминесценция (от лат. lumen – свет) – собирательное понятие, охватывающее любое свечение вещества под влиянием излучений или других физических воздействий, а также химических реакций. При исследовании драгоценных камней используется в основном люминесценция в ультрафиолетовых лучах, так называемая флюоресценция (фотолюминесценция). Термин «флюоресценция» происходит от названия минерала флюорита, у которого был впервые открыт этот феномен свечения. Если вещество продолжает светиться и после прекращения облучения, то говорят, что наблюдается эффект фосфоресценции (по известному свечению фосфора).

Люминесценция драгоценных камней вызывается, главным образом, присутствием в них очень малых количеств тех же примесных элементов, ионы которых являются причиной их окраски, то есть Cr, Mn, Co, Ni, а кроме того, включений молибдатов, вольфраматов и некоторых соединений урана. Известны и другие центры люминесценции, связанные с различными типами дефектов кристаллической решётки минералов. Ввиду того, что одни и те же камни могут содержать разные элементы-примеси, цвета флюоресценции камней, принадлежащих к одной группе, не обязательно должны быть строго одинаковыми. Но для отдельных месторождений цвет люминесценции добываемых там камней чрезвычайно характерен. Железо, даже при невысоком содержании его в камне, является гасителем флюоресценции.

Испытания драгоценных камней в ультрафиолетовом свете проводятся как в длинноволновой (400–315 нм, и обозначается 365,0 нм), так и в коротковолновой области (280–200 нм, обозначается 253,7 нм). Дело в том, что бывают камни, реагирующие на излучение только в одном из указанных диапазонов.

Флюоресценция может оказать существенную помощь при диагностике ювелирных камней. Особенно она полезна, когда идентифицируются синтетические камни.

Интенсивность флюоресценции может быть различной, видимое свечение облученных камней – белым или цветным, причём отнюдь не обязательно совпадающим с собственной окраской камня.

Приведём для примера цвета и интенсивность люминесценции в ультрафиолетовых лучах некоторых драгоценных камней:

- авантюрин – красноватая;

- алмаз – весьма разнообразная:

- бесцветный и жёлтый – обычно голубая,

- коричневый и зеленоватый – часто зелёная,

- синтетический – сильная жёлтая;

- аметист – отсутствует;

- бирюза – обычно отсутствует, иногда беловатая, голубая;

- жемчуг – голубая, реже белая, зеленоватая;

- жемчуг чёрный натуральный – красная, красноватая;

- изумруд – обычно отсутствует;

- рубин – сильная карминово-красная;

- янтарь – голубовато-белая, жёлто-зелёная.

Люминесценция жемчуга в рентгеновских лучах позволяет отличать природные жемчужины от культивированных. Перламутр жемчуга, выросшего в морской воде, не люминесцирует, тогда как у пресноводных жемчужин он ярко светится.

3.6. Включения в драгоценных камнях

Лишь очень немногие драгоценные камни полностью лишены оптически распознаваемых внутренних включений. Особенно большую роль играет чистота для алмазов. Их лучшие сорта не должны обнаруживать никаких изъянов даже под 10-кратной лупой.

Любые нарушения правильного строения кристалла называются включениями. Относительно часто встречаются включения минералов как одного и того же вида (например, алмаза в алмазе), так и чужеродных (например, циркона в сапфире) (рис. 3.10). Хотя включения и малы, всё же они дают многое для понимания условий роста вмещающего их кристалла (называемого кристаллом-хозяином). Минералы включений могут быть более ранними, чем кристалл-хозяин, который просто захватывает их в процессе роста. Они могут образовываться из расплава одновременно с кристаллом-хозяином. Могут быть и более поздними – образуются из растворов, проникающих внутрь кристалла по трещинам.

Рис. 4.10. Дымчатый кварц со звездой из золотистых игл рутила

Органические включения встречаются только в янтаре.

К числу включений относятся также искажения кристаллической структуры, признаки роста и фаз кристаллизации, цветные полосы. Они возникают из-за неравномерного роста минералов при меняющемся характере растворов, из которых происходила кристаллизация. Пустоты, заполненные жидкостями и газами, тоже являются включениями. При одновременном присутствии жидкости и газа включения называют двухфазными, а если в них имеются ещё и мелкие кристаллики, то трёхфазными. В обсидианах, стеклянных имитациях и синтетических ювелирных камнях в отличие от камней природного происхождения (минералов) часто встречаются воздушные пузырьки.

В большинстве случаев считается, что включения снижают стоимость камней, так как они оказывают негативное влияние на их цвет, оптические эффекты и механическую прочность. Однако некоторые минеральные включения, равно как и параллельно ориентированные полые каналы, порождают ценные световые эффекты (кошачий глаз, астеризм и др.).

В последнее время включения, наряду с оптическими свойствами, приобретают всё большее значение при диагностике драгоценных камней. Многие виды включений очень характерны, так как они непосредственно связаны со средой минералообразования. Включения в природных драгоценных камнях можно разделить на три основные группы.

1. Протогенетические включения (уже существовавшие раньше, чем образовался кристалл). Они состоят из минералов (иногда в виде хорошо огранённых мельчайших кристаллов), которые образовались до того, как начал расти кристалл-хозяин. Апатит в корунде и гранате гессоните, слюда в корунде, кварце и изумруде, рутил в кварце, алмаз в алмазе и пирит в корунде и изумруде – обычные включения этого типа.

2. Сингенетические включения (образовавшиеся одновременно с кристаллом). Они состоят из материала, который существовал одновременно с кристаллом-хозяином (они могли расти из того же раствора, что и кристалл-хозяин, или иметь похожую атомную структуру). Они могут присутствовать в виде кристаллов, в виде захваченных жидких включений или в виде жидкости, попавшей в трещины, которые затем закрылись растущим кристаллом-хозяином (так называемые «залеченные трещины»). Такие трещины обычно заполнены рассеянными группами отдельных жидких капель и хорошо видны в корунде, перидоте, шпинели и топазе. В перидоте подобные дисковидные трещины называют «листом кувшинки».

Если захваченное жидкое включение содержит газовый пузырёк или миниатюрный кристаллик, или и то и другое, оно называется соответственно двухфазным или трехфазным. Двухфазные и трехфазные включения встречаются в изумрудах и топазах. Двухфазные включения можно увидеть в аквамарине. Обычные кристаллические включения этого типа – иглы рутила в корунде и кварце, оливин в алмазе, шпинель и циркон в корунде, а также апатит в корунде, гранате и шпинели. Мельчайшие октаэдры шпинели могут приводить к образованию перьевидных структур и некоторых видов красной шпинели.

Полости в кристалле-хозяине могут быть результатом перерыва в росте. В этом случае образовавшиеся пустоты часто имеют правильную фирму и заполнены жидкостью или газом. Из-за их характерной формы, нередко повторяющей форму кристалла, их называют «отрицательными» кристаллами. Эти включения можно распознать по наличию внутри них газовых пузырей. Отрицательные кристаллы встречаются в корунде и шпинели.

3. Эпигенетические включения (возникшие после кристаллизации минерала-хозяина). Эти включения образуются после формирования кристалла-хозяина. Они возникают в результате:

- перекристаллизации в трещинах инородных материалов;

- возникновения астеризма в результате распада твёрдого раствора диоксида титана (например, в корунде);

- образования внутренних трещин по спайности (в топазе и лунном камне);

- или радиационных изменений в кристаллической решётке, связанных с радиоактивными материалами, попавшими в кристалл-хозяин (как в случае зелёных и коричневых цирконов).

В корундах из Шри-Ланки включения кристаллов циркона, содержащего радиоактивные элементы уран и торий, несколько увеличиваются в размерах в результате внутреннего облучения альфа-частицами. При этом образуются трещины, связанные с наличием напряжений и называемые «цирконовые гало».