Облучение драгоценных камней

Изысканные драгоценные камни: раскрываем секреты их красоты

Сегодня большинство драгоценных камней, представленных на рынке, проходят специальные обработки для изменения своего естественного цвета и создания более привлекательных и востребованных изделий. В процессе обработки используются различные методы, и наиболее распространенными среди них являются облучение и нагревание. Порой эти методы применяются отдельно, но также встречаются комбинации с другими улучшениями.

Важно отметить, что оба метода обработки применяются широко, однако вызывают разное отношение у потребителей. Облучение камней может вызывать определенную осторожность и некоторую тревогу, связанную с радиацией. В то время как обработка теплом, в отличие от облучения, считается более привычной и допустимой, что способствует положительной реакции покупателей.

Имеет ли драгоценный камень опасность из-за радиации?

Большинство покупателей драгоценных камней признают, что тепловая обработка способна преобразовать коричневый цоизит в синий танзанит и фиолетовый кварц (аметист) – в желтый кварц (цитрин). Этот процесс, известный как тепловое усиление, давно применяется в индустрии драгоценных камней.

Однако, есть определенное беспокойство у торговцев драгоценностями, связанное с возможной нежелательной реакцией публики на украшения, содержащие облученные камни. Плохо информированные покупатели могут отказаться приобретать такие изделия, мотивируя свой выбор мифами и страхами.

Важно понимать, что радиация драгоценных камней, если она используется, должна контролироваться и проходить строгие проверки, чтобы обеспечить безопасность для здоровья. Правильное техническое оснащение и применение надлежащих методов гарантируют, что облученные камни не представляют опасности для их обладателей.

что такое радиация?

Термин «излучение» охватывает ряд явлений, которые можно разделить на две группы: электромагнитные и корпускулярные.

электромагнитное излучение

Исследуем формы электромагнитного излучения: радиоволны, микроволны и видимый свет. Все они представляют собой фотоны или маленькие “сгустки” вибрирующих электрических и магнитных полей, движущихся в пространстве со скоростью света. Чем выше частота вибрации, тем больше энергии (и меньше длина волны) у фотона.

частичное излучение

Излучение частиц происходит из крошечных частиц атомов, которые обычно движутся довольно быстро. Атом состоит из ядра, состоящего из протонов и нейтронов, окруженного роем электронов. У большинства элементов с мелкими или средними ядрами система является стабильной.

Однако у элементов с большими атомами, таких как уран или радий, ядро становится слишком большим и нестабильным. В результате, оно может испускать частицы. Это может происходить двумя способами:

1. Выпуск альфа-частицы, которая представляет собой кластер из двух протонов и двух нейтронов.
2. Превращение нейтрона в протон, сопровождаемое испусканием бета-частицы, то есть быстрого электрона.

Оба процесса обычно оставляют атому избыток энергии, которая может быть устранена путем излучения одного или нескольких гамма-лучей.

Помимо естественных источников радиации, существуют и искусственные методы создания быстро движущихся атомных частиц. Например, ускорители электронов могут ускорять электроны в электрических полях, а ядерные реакторы деления могут расщеплять ядра урана-235 на более мелкие ядра, сопровождая этот процесс испусканием нейтронов.

физические эффекты радиации

Особенностью всех форм излучения является их проникающая способность. Когда материал подвергается воздействию высокоскоростных потоков частиц, они проникают под его поверхность в объем. В процессе движения они замедляются, сталкиваясь с объектами.

Вот различные типы излучения и их способность проникать в материалы:

1. Альфа-частицы обладают наименьшей проникающей способностью. Они не могут даже пройти через кожу или лист фольги.
2. Бета-частицы могут проникать на несколько сантиметров в ткань тела или несколько миллиметров в тяжелый металл, такой как свинец.
3. Гамма-лучи являются наиболее проникающими. Они могут проходить через несколько сантиметров свинца или прямо через ваше тело.

Радиация повреждает ткани только тогда, когда частица останавливается, сталкиваясь с атомами в теле. В результате удара происходит изменение в химическом составе клеток, вызывающее вредные последствия. Облученная ткань или объект не становятся радиоактивными, но химически повреждены. Нельзя “заразиться радиоактивностью”, подвергаясь облучению, и частицы, попавшие в объект, просто замедляются, образуя свободные электроны. Гамма-лучи превращаются в тепло.

Важно принимать меры предосторожности в отношении нейтронного излучения драгоценных камней.

что вызывает цвет драгоценных камней?

Цвет драгоценных камней обусловлен их способностью поглощать свет. Электроны, находящиеся в кристаллической структуре, могут существовать на различных энергетических уровнях, зависящих от структуры материала. Процесс поглощения определенных длин волн света приводит к окрашиванию камней. Понимание механизма возникновения цвета – ключ к изменению его в драгоценных камнях.

поглощение света

Появление световых фотонов, размер которых соответствует зазору между энергетическими уровнями, приводит к поглощению света. Электроны переходят на более высокие уровни и затем быстро возвращаются на нижний уровень, выделяя избыточную энергию в виде тепла. Такой процесс позволяет атому эффективно поглощать больше света. Например, если все атомы в кристалле поглощают синий свет, то через него проходят только желтый и красный свет. Это придает материалу оранжевый или желтый оттенок. Важно заметить, что цвет драгоценного камня дополняет поглощаемый им цвет. Например, рубины красные не потому, что они поглощают красный свет. На самом деле, они поглощают синий и зеленый свет, в то время как красный свет проходит через них.

Все процессы, приводящие к цвету, имеют общую характеристику: электроны могут переходить на более высокие энергетические уровни в атомах или молекулах, когда поглощается видимый свет. Однако не все атомы способны на такой переход. Например, атом натрия не обладает вакантными энергетическими уровнями в соответствующем диапазоне, и поэтому не может поглощать видимый свет. В результате поваренная соль, содержащая натрий, остается бесцветной, так же как и большинство соединений натрия.

Изменение цвета драгоценных камней: влияние элементов и степени окисления

Для понимания изменения цвета драгоценных камней важно знать о роли различных элементов и степеней окисления. Две основные группы элементов – переходные металлы, такие как медь, железо, никель и золото, и редкоземельные элементы, например гадолиний, эрбий и иттрий, оказывают влияние на окрашивание камней.

Идиохроматические драгоценные камни получают свой цвет от содержащихся в них элементов и могут состоять из соединений с этими элементами. Например, малахит и хризоколла обладают стойким зеленым и синим цветами соответственно. Аллохроматические камни, наоборот, содержат небольшие количества красящих элементов, и их цвет образуется благодаря избирательному поглощению света. В таких камнях красящие элементы являются второстепенными компонентами. Например, добавление хрома к бесцветному корунду придает ему красный оттенок, а небольшое количество хрома делает бесцветный берилл зеленым изумрудом.

Кроме того, некоторые элементы могут обладать различными цветами в зависимости от своих степеней окисления, которые определяют, сколько атомов связано с данным элементом. Например, железо может иметь две степени окисления. Двухвалентное железо (оксид железа II) обычно имеет зеленый или синий цвет, в то время как трехвалентное железо (оксид железа III) – желтый или коричневый. Окончательный цвет зависит не только от красящего элемента, но также от его взаимодействия с электронами соседних атомов в кристаллической структуре. Тепловая обработка – частый способ изменения степени окисления и, следовательно, цвета драгоценных камней.

Радиация и цвет драгоценных камней

Для объяснения, почему излучение придает цвет драгоценным камням, представьте радиоактивную частицу как энергетический снаряд, выпущенный внутрь камня. Подобно любому снаряду, он сталкивается с материалом и наносит некоторый урон. Излучение может проникать внутрь многих материалов благодаря тому, что большинство атомов содержат в основном пустое пространство, заполненное роем электронов. Несмотря на то, что ядро атома находится в его центре, оно является невероятно маленьким. В результате облучения чаще всего происходит выбивание электрона из его положения в кристаллической решетке. Этот выбитый электрон устраивается рядом с другим атомом, оставляя соответствующую “дыру” в электронной структуре своего исходного положения. Таким образом, образуется “электронно-дырочная пара”. (См. рис. 2).

электронные дырки и центры окраски

Дальнейшие процессы, связанные с цветом драгоценных камней, зависят от их конкретного материала. В некоторых случаях материал содержит избыток электронов, и избыточный электрон быстро заполняет дырку, оставшуюся после выбивания. В таких случаях исходный электрон остается в структуре скрытым. В других ситуациях материал имеет недостаток электронов, и выброшенный электрон находит новое место. В результате дыра остается неизменной. Образованные таким образом захват электрона и захват дырки могут привести к окрашиванию кристалла. Эти образования называются центрами окраски.

Причины цвета довольно сложны. Вкратце, электрон остается в дырке в кристаллической решетке, что приводит к новым энергетическим уровням, способным совершать переходы в видимой части спектра. В контексте квантовой теории это можно представить как одномерную систему “частица в коробке”, хотя это достаточно абстрактное сравнение.

В результате излучения образуются центры окраски, что придает кристаллу его цвет. Разные типы излучения обладают различной энергией, что позволяет вызывать разные цвета, так как перестройка электронов в кристаллической решетке при столкновениях может различаться.

что происходит с цветом?

Излучение, попадая в кристалл, может создавать различные центры окраски из-за случайных процессов. Некоторые выброшенные электроны слабо захватываются, в то время как другие сильнее. Можно представить, что электроны находятся в отверстиях разной глубины – от очень мелких до очень глубоких.

Те, кто находится в самых поверхностных отверстиях, могут легко убежать, часто просто за счет энергии тепловых колебаний в кристалле. Любой цвет, связанный с этими центрами, быстро тускнеет или может быть удален при нагревании, когда электроны возвращаются на свои исходные позиции в кристаллической решетке.

Некоторые электроны, находящиеся в более глубоких отверстиях, не могут легко убежать с помощью тепловой энергии, но поглощение светового фотона может вывести их из отверстия и вернуть на прежнее место. В результате цвет от таких центров окраски тускнеет при воздействии света. Этот тип образования цвета непостоянен и называется электронно-дырочной рекомбинацией.

Наконец, электроны, находящиеся в самых глубоких отверстиях, застревают там навсегда. Только большое количество энергии может выбросить их из этих глубоких дырок. Такие центры окраски приводят к постоянному изменению цвета драгоценного камня.

Практическое облучение драгоценных камней

Поиск источников радиации.

Для обработки грубых или ограненных камней используется источник излучения. Радиоактивные материалы не используются в силу их нецелесообразности, а вместо этого применяются контролируемые источники излучения. Облучение гамма-лучами от источника кобальта-60 или электронами от ускорителя электронов является относительно доступным вариантом. Такие источники можно приобрести готовыми за 75 тысяч долларов и выше. Крупные производители драгоценных камней часто считают это жизнеспособной инвестицией. Однако, стоит учитывать, что помимо стоимости источника, дополнительные расходы возникают на обучение квалифицированного оператора и меры радиационной безопасности. Мелкие производители обычно предпочитают заключить контракт с коммерческими источниками облучения.

Для нейтронного облучения требуется ядерный реактор, поэтому это обычно осуществляется по контракту с университетом или государственным учреждением. Физики, работающие с “машинами для разрушения атомов” (циклотронами и синхротронами), генерируют значительное количество гамма-излучения, и они также предоставляют услуги по облучению.

Проверка на наведенную радиоактивность.

После процесса облучения драгоценных камней, обязательно проводится проверка на наведенную радиоактивность. Образцы, подвергшиеся нейтронному облучению, могут оставаться радиоактивными в течение нескольких месяцев, так как нейтроны превращают несколько атомов в материале в другие элементы, включая радиоактивные. Однако гамма- и электронное облучение обычно приводят к гораздо более низким уровням индуцированной активности, и часто она отсутствует. Несмотря на это, в целях безопасности все объекты, подвергнутые контролируемому излучению, подвергаются тщательной проверке. Камни не отпускаются до тех пор, пока не будет уверенности в их безопасности. Все остаточные уровни активности должны быть снижены до уровня, который не превышает естественного фонового уровня.

Удаление неприглядных цветовых эффектов

Облученные образцы драгоценных камней часто имеют неприятный черный или коричневый цвет и становятся непрозрачными из-за образования большого количества центров окраски с разной глубиной. Эти центры обладают разными поглощающими свойствами, что приводит к поглощению почти каждого светового фотона, попадающего в кристалл. Однако существует способ решения этой проблемы.

Нагрев образцов позволяет мелким цветовым центрам рекомбинироваться, что оставляет более чистую популяцию глубоких, постоянных цветовых центров с одним цветом. Затем образцы подвергаются сильному свету, что гарантирует удаление остаточных летучих красителей и фиксирует окончательный, стойкий цвет. Этот метод позволяет добиться желаемой окраски драгоценного камня и улучшить его прозрачность, создавая привлекательный вид и ценность для украшений.

Определение признаком облучения драгоценных камней.

Излучение драгоценных камней может имитировать редкие естественные цвета, что часто используется для мошенничества. Например, естественные голубые бриллианты являются крайне редкими, и нечестные продавцы могут пытаться продать радиационно-индуцированные бриллианты синего цвета за природные. Во многих странах требуется раскрытие информации об облучении драгоценных камней, однако это не всегда предотвращает мошенничество.

Для обнаружения облученных камней проводят обширные исследования и используют дорогостоящие методы. Например, для бриллиантов относительно просто определить их природу, так как естественные голубые бриллианты проводят электричество. Однако для обнаружения многих других облученных камней требуются сложные методы, такие как низкотемпературная абсорбционная спектроскопия или термолюминесценция. Эти техники помогают идентифицировать и различать естественные и облученные камни, обеспечивая доверие потребителей к приобретенным драгоценностям.

Примеры облучения драгоценных камней

топаз

Топаз является одним из самых известных примеров драгоценного камня, окрашенного облучением. Естественный бесцветный топаз является привлекательным и доступным камнем. Однако голубой топаз считается более желательным для большинства потребителей. Естественный голубой топаз крайне редок и обычно возникает из-за вулканической активности или естественного облучения.

Большинство голубых топазов, доступных на рынке, являются облученными бесцветными топазами, которые были подвергнуты лабораторному облучению, чтобы приобрести синий цвет. Облучение электронами обычно дает светло-голубой оттенок, в то время как облучение нейтронами приводит к более темному стальному синему цвету. Чтобы устранить желтые и синие оттенки, обработанные топазы обычно подвергаются термическому отжигу.

берилл

Гамма-облучение может приводить к образованию голубых форм берилла. Когда эти драгоценные камни впервые появились на рынке в 1970-х годах, они вызвали значительный интерес. Однако они быстро теряли свой яркий цвет под воздействием света, предположительно из-за рекомбинации центров окраски. Эти облученные бериллы были названы “типом Maxixe”, так как они напоминали природные голубые бериллы, обнаруженные в 1917 году в шахте Maxixe, Бразилия (которые также подвергались затуханию).

турмалин

Гамма-облучение может использоваться для усиления цвета розовых турмалинов и придания им более насыщенного оттенка. Однако этот процесс сопряжен с риском остаточного облучения. В связи с этим, обработка розовых турмалинов гамма-излучением применяется редко. Вместо этого, чаще используется нагревание для улучшения цвета этих драгоценных камней.

алмаз

Один из первых облученных драгоценных камней – оригинальные алмазы, подвергшиеся воздействию радия сэром Уильямом Круксом в 1904 году – все еще остаются радиоактивными. Для удаления зеленого цвета, придаваемого облучением, камни могут быть подвергнуты нагреванию или полировке, возвращая их к исходному состоянию. Радий испускает альфа-частицы, которые не могут проникнуть глубоко в камни, поэтому окрашивание происходит лишь на поверхности. Все камни, окрашенные радием, остаются радиоактивными. Поскольку природные зеленые бриллианты обычно не обладают радиоактивностью, этот признак надежно указывает на такой вид обработки.

В последнее время стало возможным окрашивать бриллианты с помощью излучения, получаемого из циклотрона или ядерного реактора. Такие лучевые обработки позволяют придать бриллиантам желтые, зеленые или коричневые оттенки, при этом не оставляя остаточной радиоактивности. Если вы планируете приобрести цветные бриллианты, профессиональные геммологи могут спектроскопически определить, были ли бриллианты обработаны при низких температурах. Это позволяет различить обработанные бриллианты от естественных цветных камней.