Введение.

Минеральные материалы делятся на природные, синтетические и имитации.

Природные и синтетические материалы различаются лишь незначительными примесями и их пропорциями. В то время как имитации не являются самим материалом и часто сильно отличаются по химическому составу и способу изготовления. К имитациям может относится стекло окрашенное в цвета минералов, или с напылением этих минералов. Например как назвать материал, изготовленный из природной бирюзы низкого качества, которая дробится, очищается от чужеродных примесей и скрепляется с помощью небольшого количества клеящего вещества? Естественно, это является имитацией. Но если например порошок бирюзы сплавляется под воздействием нужной тепловой обработки (без изменения химического состава), то такой материал следует называть реконструированным (воссозданным).

История.

Что такое драгоценный камень.

а- блеск зависит от способности кристаллов отражать свет. Камень с сильным блеском большую часть света отражает, и только небольшая часть проходит сквозь кристалл. б- игра цветов- разложение белого света на цвета спектра (радуга) К- красный свет ,Ф- фиолетовый.

В большинстве своем драгоценные камни окрашены и именно цвет многих из них, в том числе рубина, изумруда, опала и александрита, является самой важной характеристикой и придает камням их привлекательность.

Красота бесцветных камней зависит в основном от 2х свойств – блеск и псевдохроматизм (игра цветов). Псевдо хроматизм- это цветовой эффект, демонстрирующий цвета спектра, наблюдаемый при дисперсии света. Блеск- это способность материалов собирать свет под широким углом и отражать его к глазу. Красота и ценность кристалла максимальна лишь в том случае когда он является монокристаллом. Хорошим примером проявления характерной формы минерала является горный хрусталь – бесцветные кристаллы кварца , впервые найденные в Альпах, от которого и произошло слово «кристалл». Греческое слово «кристаллос» означает «лед», в древности полагали, что горный хрусталь представляет собой лед, образовавшийся из воды, навсегда застывшей в следствие сильных холодов, царящих высоко в горах. Не все материалы являются монокристаллами, среди них наибольшую ценность представляет опал, который является поликристаллом. Внутренние границы поликристаллов между слагающими их очень мелкими «кристаллитами» рассеивают свет таким образом, что вещество становится полупрозрачным или непрозрачным. Поликристаллом является мел – представляющий собой непрозрачную форму карбоната кальция. Он прозрачен если является монокристаллом, который в геологии называется кальцитом.

Монокристаллы характерной внешней формы (габитуса) с отдельными гранями, ограничивающими кристалл. На рисунке возможные формы корунда, включая рубин и сапфир.

Стекло хоть и прозрачно, не является монокристаллом , в них отсутствует правильное расположение атомов. Отсутствие упорядоченного строения приводит к тому, что стекла лишены внутреннего отражения, присущего кристаллическим драгоценным камням, поэтому их нельзя сравнивать с монокристаллами.

Драгоценные камни в древности.

Использование минералов и различных костей животных в целях украшения и охраны от злых духов имеет древнюю историю. Возраст резных статуэток, обнаруженных в Моравии, в центре Европы составляет 25000 лет. Возраст некоторых из предметов колеблется между 40000 и 20000 лет до н.э.

Самым значительным из всех обнаруженных предметов являются фигурки животных, вырезанные из янтаря и относящиеся к культуре Маглемозе в бассейне Балтийского моря.

Египетская цивилизация непосредственно следовала за месопотамской, ювелирные украшения этой эпохи считаются одним из самых выдающихся по художеству и исполнению во всей истории периода ювелирного искусства.

Первые искусственные драгоценные камни.

Первой попыткой создания подобных изделий являлось покрытие внешне непривлекательного природного минерала слоем глазури, с целью придания вида малахита или лазурита. Стеатит – гидратированный силикат магния – является разновидностью талька. Он был обнаружен в Египте в Гебель-Фатире, менее чем в 100 милях от селения Бадари. Этот минерал хорошо поддаются обработке. Нагревание способствует отвердению внешнего слоя, но не приводит к плавлению камня. Позднее стеатит был заменен фаянсом – искусственным материалом , который получали из измельченного кварца покрытого глазурью. Глазурь состояла в основном из порошка окиси кремния и 25% карбонатов натрия и кальция. Для получения голубого цвета использовалось измельченное соединение меди.

От древних времен до средневековья.

В средние века драгоценные камни наделяли магическими свойствами.

В своем великолепном сочинении «Очерк о происхождении и свойствах камней», написанном в 1672 г., Роберт Бойль говорит : «Не подлежит сомнению, что редкость, блеск и ценность камней послужили причиной того, что во все времена они считались самыми изысканными созданиями природы».

Бойль верил в свойства камней исцелять от болезней «Принимая во внимание то, что лекари на протяжении многих веков считали обязательным добавлять кусочки драгоценных камней в некоторые из самых лучших лекарств от болезней сердца, также то, что многие хорошо знакомые представители этой профессии писали и говорили мне о замечательном действии некоторых камней (особенно хрусталя), свидетелями которого им доводилось быть… не могу сразу отвергнуть все те целебные качества, которые свойственны этим благородным минералам».

Бойль был одним из величайших химиков своего времени и первым установил, что камни в природе образуются из флюидов, а их цвет обусловлен небольшими примесями металлов. «Очерк» содержит описание экспериментов по изготовлению драгоценных камней, но поскольку обязательным процессом каждого опыта было растворение в воде, полученные «камни» весьма недолговечны.

Средневековье было периодом расцвета алхимии. Вполне возможно, что алхимики делали попытки выращивать драгоценные камни из смесей минералов или химических соединений путем нагревания их в печи.

XIX век.

Современная история создания искусственных самоцветов началась в 1837г. , французский химик Марк Годен, сплавил две соли- квасцы (сульфат калия и алюминия ) и хромат калия, получил кристаллы рубина весом примерно в 1 карат (0.2 г)

Работы того времени заложили основы метода получения кристаллов, известного сейчас как выращивание с флюсом , или кристаллизация из раствора в расплаве. Метод основан на растворении материалов с высокой точкой плавления в растворителе, или «флюсе» имеющим более низкую температуру плавления. Кристаллы тугоплавкого компонента получают путем охлаждения раствора-расплава или испарением растворителя.

Получение кристаллов рубина стало возможным только благодаря тому, что было уже известно, что рубин состоит из окиси алюминия и примеси окиси хрома, придающей ему красный цвет.

Одновременно с попытками добиться получения крупных кристаллов рубина Дж. Эбельмен искал способ получения кристаллов изумруда. Он растворял низкосортный изумруд в расплавленной окиси бора B₂O₃, поэтому опыты заключались не в синтезе, а скорее в рекристаллизации.

В 1888 г. Отфель и Пере ввели новые растворители- молибдат лития Li₂Mo₂O₇ и ванадат лития LiVO₃. Образующиеся кристаллы изумруда были мелкими, но в последствии метод был модифицирован и используется в настоящее время.

Фабрика по производству стекла в Сен-Гобене стала местом проведения другой замечательной серии экспериментов Эдмона Фреми. В 1877 г. Фреми и Фейль провели эксперимент, в ходе которого в ходе которого 20-30 кг. Раствора окиси алюминия в расплаве окиси свинца нагревали в течении 20 суток в большом фарфоровом сосуде. Было получено множество мелких кристаллов рубина, общим весом 1200г.

В дальнейшем приобрели успех опыты с плавлением порошковых масс с помощью кислородных горелок. («Метод Вернейля» или «газопламенный метод»)

Рубин, Сапфир и шпинель.

Рубин и сапфир минералы схожие кристаллической решеткой и прочими свойствами и отличны лишь наличием различных примесей, придающим характерные цвета.

Состоят в основном из окиси алюминия Al2O3 , кристаллическую форму которой называют корундом. Чистый корунд бесцветен и его называют «белым сапфиром» . Сапфиры бывают различны по цвету- синие, желтые, розовые, оранжевые. Рубин – это разновидность сапфира – «красный сапфир». Характерный цвет рубину придает примесь хрома.

Кристаллическая решетка корунда представлена на рисунке ниже:

Белые шарики на картинке обозначают атомы Аллюминия (Al), а красные - атомы кислорода (O).
В случаях когда атомы аллюминия замещаются другими металлами которые и определяют цвет минерала. В тех случаях, когда небольшая часть атомов аллюминия замещена атомами хрома корунд приобретает красный оттенок. Чаще всего, именно такие красные кристаллы и называют рубином.

Слово corundum является очень старым. Оно происходит от санскритского kurivinda - красный камень.

Фотографии рубина.

Фотографии сапфира

Женевские рубины.

Эти рубины были получены из смеси порошка корунда с хромом и плавлении его. Женевские рубины состоят из множества мелких рубинов слившихся вместе и составляют единую структуру.

Реконструкция женевского метода по Нассау и Кроунингшилду.

а- плавление вершины конуса порошка рубина, б- удаление и смена расположения расплавленной области, в- образование вторичной глобули , г- подача порошка в пламя двух горелок и образование третьей части Були , д- схема расположения трех областей роста.

Огюст Вернейль.

Идея Вернейля заключалась в применении вертикальной горелки с подачей порошка глинозема в пламя через поток кислорода. Порошок встряхивается в потоке газа под действием вибратора с электроприводом. Использование газонепроницаемого резинового сальника позволяет передавать толчки вибратора к сосуду, содержащему порошок глинозема, без утечки кислорода. В холодной части пламени помещен керамический штифт, на котором собираются капли жидкого глинозема, образующиеся при плавлении порошка, сыплющемуся через горячую зону пламени. Пламя окружается керамическим муфелем, играющего роль изолятора и защищающем растущую Булю от «сквозняков». Нагрев верхней части аппарата предотвращается благодаря водному охлаждению.

В начальной стадии роста Були порошок, попадая на штифт, затвердевает и образует конус из материала относительно невысокой плотности. В дальнейшем конус перемещают в горячую зону пламени, где его вершина начинает плавится. В этот момент образуется несколько кристаллов , но один из них ориентирован в направлении наибольшей скорости роста. Он подавляет рост остальных кристаллов и служит затравкой для развивающейся Були. На ранней стадии роста очень важно мастерство оператора, все время селекции требуется правильная настройка температуры и скорость подачи порошка. После начала преобладания роста одного из кристаллов, увеличивают скорость подачи порошка и температуру.

Верхняя поверхность Були становится округлой, и на нее подают свежие порции расплава корунда в виде капель. Далее подставку со штифтом опускают со скоростью роста Були.

Важна равномерная подача порошка, поэтому он должен быть достаточно сыпучим.

Частицы должны быть субмикронного размера и иметь схожую форму.

а- аппарат Вернейля для выращивания рубинов методом плавления в пламени,

б- схема, демонстрирующая принцип работы газопламенной печи.

Звездные камни.

Звездные камни получили название за свой необычный вид, если рассматривать их вдоль главной оси. Шесть блестящих полос радиально расходятся от центра кристалла так, что создается символическая картина звезды или снежинки. Такое явление в корунде вызывается присутствием тонких иголочек титана алюминия Al₂TiO₅, вытянутые в полоски , располагающиеся в соответствии с симметрией кристаллической структуры под углом в 60^◦относительно друг друга. Это достигается добавлением в порошок глинозема небольшого количества рутила TiO₂ В процессе формирования були рутил растворяется в расплавленном слое глинозема, но при охлаждении после кристаллизации Були выделяется в форме иголочек, но в основном уже в виде Al₂TiO₅, образующегося в результате взаимодействия рутила и глинозема. В соответствии с патентом «Линде» наилучшие результаты достигаются при добавлении в порошок от 0,1 до 0,3% рутила и при последующем отжиге Були при 1100-1500^◦С в течении нескольких часов для выделения иголочек Al₂TiO₅. Звездные камни обычно изготавливаются в виде достаточно выпуклых форм.

Основная сложность в изготовлении звездных камней, добиться равномерного распределения веществ, с тем чтобы иголочки занимали всю ширину камня.

Шпинель.

MgAl₂O₄

Для получения шпинелей на 5 частей Al₂O₃ приходится 2 части MgO.

Фотографии шпинели

Изумруд.

Изумруд, так же как аквамарин и гелиодор, относится к семейству берилла – алюмосиликата бериллия Be₃Al₂Si₆O₈. Зеленый цвет изумруда обусловлен наличием хрома, который, вероятно замещает часть алюминия в приведенной выше формуле. Интересно, что тот же хром придает рубину характерный красный цвет. Природные изумрудны содержат также железо и ванадий, соотношением примесей определяются оттенки минерала.

Фотографии изумруда.

Процесс Эспига.

Главная трудность при получении изумруда заключалась в образовании множества мелких кристаллов в тигле. Для более рациональной технологии требовалось получение крупных кристаллов, вместо множества мелких.

Эту проблему решил Х.Эспиг , который использовал метод, именуемый ныне расплавреакционным . Он отличается от методов , когда кристаллы растят при медленном охлаждении растворов или когда испаряют растворитель, в нем используется реакционное взаимодействие между составляющими кристалла. В методе Эспига два главных компонента изумруда , окиси бериллия BeO и алюминия Al₂O₃,растворяют в плавне (растворителе), молибдате лития , а третья составляющая кремнезем SiO₂плавает на поверхности раствора. Для того чтобы кремнезем плавал, тщательно регулируют плотность растворителя , добиваются плотность близкую к 2,9 , меньше чем у изумруда, но больше чем у кремнезема.

Процесс формирования изумруда включает химическую реакцию между кремнеземом и растворенными в молибдатовом плавне окисью бериллия, окисью алюминия и небольшим количеством окиси хрома.

Алмаз.

Относительная твердость минералов определяется по шкале Мооса , в основу которой положена способность минералов царапать друг друга. Шкала имеет градацию от 1 до 10 в соответствии с твердостью 10 минералов, принятых в качестве стандарта. В порядке возрастания твердости это : тальк (1), гипс (2), кальцит (3), флюорит (4), апатит (5), полевой шпат (6), кварц (7), топаз (8), корунд (9), алмаз (10). Например если камень царапается кварцем, но сам царапает полевой шпат, его твердость 6,5 . Стекло обычно относится к числу твердых материалов его твердость 5, а твердость медной монеты 3.

По другой шкале Кнопа , алмаз более чем в 5 раз тверже сапфира (твердость 9), а сапфир только на 30% тверже топаза (твердость 8). Можно сказать, что алмаз в той же мере тверже стали, в какой сталь тверже масла.

Трудно себе представить, что алмаз, обладающий столь высокой твердостью, является одной из форм углерода, другая форма которого графит.

Фото Алмаза.

Облученные алмазы.

Английский ученный Уильям Крукс обнаружил, что радиоактивное излучение радия превращает бесцветный алмаз в зеленую разновидность. Позднее было установлено, что это изменение окраски происходит в результате бомбардировки кристалла α-частицами , но захватывает только внешний слой алмаза из-за слабой проникающей способности α-частиц в твердое тело.

В дальнейшем с развитием ядерной физики стали применять бомбардировку дейтронами. С помощью чего удавалось изменить окраску всего камня. При этом при нагреве такого камня до температуры 900⁰С Алмаз приобретал коричневую окраску, а потом золотисто желтую.

В некоторых случаях реакция алмазов на облучение более разнообразна, и можно получить кристаллы синего, красного и пурпурного цвета. Это различие в окраске обусловлено примесями. Большинство алмазов, так называемые алмазы типа I , содержат в качестве примеси азот, который внедряется в кристалл предположительно в промежуточную стадию между образованием алмаза в недрах Земли и временем попадания в приповерхностные участки. В большинстве алмазов азот распределен в виде тончайших пластин, но в одном из тысячи он распределен равномерно во всем объеме кристалла. Последний тип назван I б, а наиболее распространенные отнесены к типу I a .

Менее распространенный тип II объединяет чистые алмазы, почти несодержащие примесей азота. К нему относится наиболее крупные камни. Наиболее часто встречающиеся алмазы этого типа классифицируются как тип IIa , а очень редкие, содержащие небольшие концентрации примесного алюминия , как тип IIб .(Гексагональные алмазы относятся к типу III) Среди алмазов типов Iб и IIб встречаются кристаллы красного и фиолетового цветов, вследствие чего они дороже алмазов обычного типа.

Метод обработки	Iа	Iб	IIа	IIб
Нейтронное облучение	Зеленый	Зеленый	Зеленый	Зеленый
Нейтронное облучение + нагревание.	Янтарно желтый		Коричневый	Пурпурно красный
Облучение электронами	Зеленый	Синий, зеленовато-синий	Синий, зеленовато-синий
Облучение электронами + нагревание	Янтарно желтый	Пурпурно красный	Коричневый

Также методы окраски с помощью облучения применимы и к другим кристаллам.

Свойства бесцветных драгоценных камней.

Многие минералы обладают двупрелдомлением . В двупреломляющих кристаллах луч света разделяется на 2 луча, распространяющихся с разной скоростью и следовательно преломляющихся под разным углом.

Для бесцветных драгоценных камней предпочтительно нулевое двупреломление, что соответствует оптической изотропности. (т.е они должны обладать кубической сингонией, для которой характерны одинаковые свойства во всех направлениях). Алмаз- изотропный материал и лишендвупреломления.

Игра цветов камня определяется его дисперсией , которая представляет собой разницу показателей преломления кристалла для волн разной длины. Для определения показателей преломления в качестве стандартов выбраны две длины волны : 6870 Å (красный свет) и 4308 Å (фиолетовый свет). Поскольку свет каждого цвета отражается под свойственным только ему углом это приводит к появлению «радуги» цветов при отражении белого света от камня.

Рутил.

Рутил- это стабильная окись титана TiO₂, встречающаяся в природе в виде непривлекательного коричневого или черного минерала, обычно содержащего высокие концентрации железа. Наиболее характерное свойство рутила- это его дисперсия (0,28) более чем в шесть раз превосходящая дисперсию алмаза. Недостаток этого камня это двупреломление. Рутил плавится при температуре 1925⁰С и для его выращивания пригоден метод Вернейля.

Фото рутила.

Титан стронция.

Показатели преломления титана стронция и алмаза очень близки (2,41 и 2,42) а дисперсия примерно в четыре раза выше чем у алмаза. В отличие от рутила, кристаллы стронция изотропны, поэтому ненаблюдается затуманенных тыльных граней. Титан стронция, как и рутил хрупок.

Гранаты.

Гранаты, встречаются в природе, представляют собой сложные окислы кремния – силикаты, такие как Mg₃Al₂Si₃O₁₂(пироп) . Большинство известных гранатов имеют красновато коричневый окраску, хотя они бывают привлекательного зеленого цвета (демантоид). В природе невстречается бесцветных гранатов, так как практически все кристаллы содержат железо, придающее красный цвет.

Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) Y₃A_l₅O₁₂ давно царствует как наиболее популярный синтетический камень.

Гадолиний-галлиевый гранат (ГГГ)- другой бесцветный гранат, вызвавший сенсацию среди специалистов по драгоценным камням. В этом гранате в отличие от ИАГ вместо иттрия присутствует редкоземельный элемент гадолиний (Gd), а алюминий замещен галлием (Ga), его формула Gd₃Ga₅O₁₂

Показатель преломления этого граната ниже чем у алмаза, но гораздо выше чем у ИАГ , а дисперсия (0,038) на глаз неотличима от дисперсии алмаза.

Кубическая окись циркония.

Стабилизированная кубическая окись циркония (СКЦ или КЦ) имеет показатель преломления 2,17-2,18 близок к алмазу (2,42), поэтому на глаз схож с алмазом. Наиболее стандартный метод их различия заключается в том, что алмаз более прозрачен для рентгеновских лучей. Также его плотность значительно превышает плотность алмаза и составляет 5,65.

КЦ , как и другие заменители алмаза , значительно менее прозрачен и по отношению к ультрафиолетовому излучению.

Алюминат иттрия.

При смешивании окиси иттрия (Y₂O₃) и окиси алюминия (Al₂O₃) в отношении 1:1, полученный состав соответствует алюминату иттрия YAlO₃

Об этом соединении сейчас известно немногое. Скажу лишь, что по свойствам он схож с ИАГ.

Окись иттрия.

Окись иттрия Y₂O₃представляет собой привлекательный потенциальный заменитель алмаза, получить ее монокристаллы чрезвычайно сложноиз за очень высокой температуры плавления, превышающей 2000⁰С

Показатель приломления иттралокса (1,92) выше, чем у ИАГ, а дисперсия равна 0,039, очень близка к дисперсии алмаза. Отрицательная сторона материала- малая твердость.

Ниобаты.

Формула LiNbO₃, обладает двойным лучеприломлением , но по показатьелю приломления (2,30) он близок к алмазу. Дисперсия 0,120, примерно в три раза выше чем у алмаза, но ниже чем у титаната стронция.

Титаниты.

Титанат стронция (SrTiO₃), несомненно более известен среди искусственных камней, однако это только один представитель серии соединений, включающей также бариевый и кальциевый титанаты – BaTiO₃ и CaTiO₃.

Последние по свойствам близки к титанату стронция. Выращивание этих кристаллов представляет несколько трудоемкий процесс, что неявляется плюсом.

Бромеллит.

Бромеллит- минералогическое название окиси бериллия BeO . Этот материал используется для теплоотвода в полупроводниковых устройствах. Благоприятным обстоятельством для применения бромеллита в качестве драгоценного камня является его высокая твердость 9 , однако показатель приломления низок 1,728, да к тому же кристалл обладает двуприломлением.

Это вещество чрезвычайно токсично, что затрудняет его изготовление.

Окись магния.

Формула MgO Показатель приломления равен 1,737 и на глаз видно, что дисперсия его низкая. Твердость по шкале Мооса 5, слишком низкая для ограненных камней.

Семейство кремнезема.

Кварц.

Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическим свойством, означающим, что они могут вибрировать при приложении переменного электрического поля, причем вибрация характеризуется постоянной частотой, зависящей от размера изделия. Вследствие этого кварц используется в качестве резонаторов.

Специалисты по выращиванию кристаллов нашли превосходный способ получения крупных и качественных кристаллов кварца. При добавлении щелочи к воде при температуре около 400^оС растворимость кварца становится довольно высокой. Обычно кварц выращивают методом с использованием температурного градиента, когда затравочные пластины, вырезанные из кристаллов, расположены в верхней холодной части раствора, а мелкие частицы в нижней горячей секции.

Опал.

Опалы отличаются от большинства разновидностей кварца двумя особенностями: они некристаллические и характеризуются существенной концентрацией воды, химически связанной с кремнеземом.

Выделяют 4 типа благородного опала , среди них наиболее высоко ценится черный опал, который обычно имеет очень темный синий цвет со «вспышками» многих других цветов. Сходный цветовой эффект наблюдается и в белом опале, но фон в нем молочно белый или бледных расцветок.

Для водного опала характерен бесцветный , «водяно белый» фон. Окрашенный в оранжево-красные тона огненный опал прозрачный и отличается от других разновидностей тем, что ему несвойственна игра цветов. В структурном отношении он сходен с другими опалами.

Окоаска опалов связана с наличием зерен минерала диаметром от менее одного, до нескольких миллиметров.

Камень Слокума.

Этот материал фактически является особой разновидностью опала, которая состоит в отличие от опала не из гранул, а из продольных чешуек, что обеспечивает большую прочность и надежность материала. Плотность этого камня значительно выше, чем у опала, тем самым они различимы.

Другие синтетические камни.

Александрит.

Александрит представляет разновидность хризоберилла, двойной окиси бериллия и алюминия, химическая формула BeAl₂O₄. Следовательно, хризоберилл родственен бериллу Be₃Al₂Si₆O₁₈ и особенно шпинели MgA_l₂O₄

Твердость хризоберилла 8,5 поэтому он является одним из прочных материалов. Наиболее распространенный цвет хризоберилла зеленовато желтый – обусловлен примесями железа. Александрит – наиболее редкая разновидность этого минерала, для которого характерно замещение некоторого количества алюминия хромом. Необычное явление изменения цвета, известное как александритовый эффект ,до сих пор полностью не объяснено. При дневном освещении александрит имеет серо зеленоватый или насыщенный зеленый цвет, что зависит от содержания хрома. Зеленый цвет может иметь слабый красный оттенок в зависимости от того, как на камень падает свет. Однако если александрит поместить под искусственный свет, особенно идущий от флуоресцентной лампы, камень кажется красным. Иногда изменение цвета можно наблюдать и при вращении камня, когда свет проходит сквозь него в различных направлениях.

Коралл.

Коралл уникален тем, что его природный аналог животного происхождения.

Коралл обычно состоит из карбоната кальция (кальцита) с небольшим количеством карбоната магния и очень незначительными примесями других компонентов, главным образом окиси железа.

Лазурит.

Лазурит- красивый непрозрачный камень. Его привлекательность обусловлена исключительно цветом. Название минерала происходит от арабского «аллазвард» (небо), в общем употребляемого для обозначения всего синего. Лазурит часто содержит незначительное количество пирита – золотистые блески на синем фоне.

Его химическая формула сложна, так как он состоит из смеси минералов, главным из которых является гаюин – сложный минерал с формулой (Na, Ca)_4-8(S₃,SO₂)_1-2(Al₆Si₆O₂₄)

Лазурит имеет твердость 5,5.

Бирюза.

Подобно лазуриту, бирюза как драгоценный камень была известна еще в древности благодаря великолепному цвету.Камень широко использовался в Месопотамии и Египте.

Бирюза- поликристаллический непрозрачный минерал, представляющий собой с химической точки зрения гидратированный фосфат меди и алюминия с формулой CuAl₆(PO₄)₄(OH)₈*₅H₂O в котором часть алюминия замещена железом. Цвет обусловлен главным образом медью, хотя он чувствителен и к присутствию железа, которое придает к доминирующему небесно голубому цвету легкий зеленоватый оттенок. Твердость ее чуть меньше 6.

Рассмотрим остальные камни, синтетических аналогов которых в основном не получают в виду дорогой стоимости технологий изготовления или недостатка технологий нужных для производства..

Аквамарин.

Минерал группы берилла и представляет собой его привлекательную зеленовато- голубоватую разновидность. Цвет обусловлен небольшими примесями железа.

Перидот.

Минерал группы оливина- представляет собой железомагниевый силикат с химической формулой (Mg,Fe)₂SiO₄, которому железо и незначительная примесь никеля придают зеленый цвет.

Топаз.

Один из хорошо известных драгоценных камней, наиболее популярная разновидность которого имеет золотисто-желтый цвет. В природе встречаются разновидности и других цветов.

Химически топаз представляет собой фторсиликат алюминия, в котором некоторое количество фтора замещается гидроксил-ионом (OH)^-его формула Al₂(F,OH)₂SiO₄Кристаллизируется в ромбической сингонии.

Искусственный топаз получают в основном для научных целей. Как и у аквамарина, у топаза есть заменитель в виде превосходного синтетического корунда и темно-желтой разновидности кварца, получаемой нагреванием аметиста.

Турмалин.

Очень сложный по составу минерал, общая формула которого NaM3Al6B3Si6O27(OH)₄, где в позиции М могут быть магний, железо или литий и алюминий. Также возможны и другие примеси. В следствии этого имеет разнообразный спектр расцветок.

Камни появившиеся в результате научных исследований.

Из числа материалов применяющихся в оптике один из наиболее перспективных для использования в качестве драгоценного камня- танталат лития LiTaO₃

Танталат лития имеет высокий показатель преломления 2,175 , а его двупреломление только 0,006 . Дисперсия приблизительно в 2 раза выше чем у алмаза. Единственный недостаток сравнительно небольшая твердость.

Оливин и крайней член этой группы – форстерит Mg₂SiO₄, были выращены в виде чистых кристаллов путем плавления в пламени.

Другие материалы в качестве драгоценных камней – «банана» Ba₂NaNb₃O₁₅с показателем приломления 2,31 и ниобат калия KNb)₃ , близкий к алмазу по показателю приломления.

Оценка драгоценного камня.

Для тех, кто незнаком с историей синтеза драгоценных камней, может показаться неожиданным, что природные камни все еще ценятся так высоко. Не удивительно ли, что цена рубина высшего качества весом в 30 карат может достигнуть 250000 стерлингов, тогда как внешне идентичный камень, полученный газопламенным методом, стоит всего 2 фунта. Причина столь значительной разницы в исключительной редкости природных самоцветов.

Несмотря на то, что природный и синтетический камни практически идентичны, небольшая разница между ними имеется, и возникают они вследствие того, что природные условия в которых растут камни отличны от лабораторных.

В основном природные камни отличаются от синтетических большим наличием примесей и своим разнообразием. Кроме этого, в природных кристаллах часто встречаются включения, из которых растут минералы в природных условиях. В синтетических камнях иногда проявляются характерные им дефекты. Они возникают, вследствие относительно высокой скорости роста кристаллов, такие как изогнутые полосы и пузырьки, характерных для кристаллов выращенных методом плавления в пламени. Даже рубины, выращенные из раствора в расплаве, можно отличить от натуральных камней, последним свойственна менее интенсивная флюоресценция при ультрафиолетовом излучении из за присутствия примесей, подавляющих свечение.

Но конечно некоторые из синтетических камней тем не менее достигают цены сравнимые с ценами природных аналогов.

Стандартные методики определений.

Определение твердости является одним из самых простых измерений, для которого требуется лишь набор инструментов, снабженных наконечником из минерала известной твердости. Но такая проверка повреждает камень, и при идентификации материала она должна применятся в последнюю очередь, так как небольшой царапины может быть достаточно, чтобы разрушить камень.

Плотность материала определяется как его масса на единицу объема, в зависимости от этого камни разделяют на тяжелые и сравнительно легкие, такие как изумруд. Часто плотность выражается как отношение массы материала к массе равного объема воды. (удельная масса).

Использование удельной массы удобнее потому, что не зависит от того, в каких единицах проводятся измерения. Для измерения плотности необходимы лишь весы, чтобы установить массу камня и массу равного объема воды. В этом измерении используется закон Архимеда , который гласит, что когда предмет полностью погружен в воду, предполагаемая потеря его массы равна массе вытесняемой им воды. Другой более простой метод является разбавление тяжелой жидкости, например жидкости Клеричи (раствор формата таллия и малоната талия в воде, имеющий удельный вес 4,2-4,3) до такого уровня, когда камень находится во взвешенном состоянии. Затем довольно просто определяется удельная масса жидкости.

Показатель преломления измеряется с помощью рефрактометра, вы продаже имеется несколько типов приборов, пригодных для измерения этой характеристики драгоценных камней. Величина показателя преломления считывается на шкале по границе между яркой и темной областями. Если материал двупреломляющий, то граница нерезкая и между двумя областями появится участок промежуточной яркости.

При измерении двупреломления используется поляризационная пластина, фильтрующая лучи поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Иначе говоря пластина пропускает на окуляр рефрактометра лишь один из лучей.

Для определения изумрудов пользуются фильтром «Челси». Изумруд – необычный минерал среди камней зеленого цвета, он поглощает часть волн в желто-зеленом диапазоне спектра видимого света и пропускает часть в темно-красном. Поскольку через фильтр проходит незначительное количество зеленого света, но он прозрачен для красного рассматриваемые через него изумруды кажутся красными в отличие от многих других зеленых камней. Флуоресценция- еще одно свойство, помогающее диагностировать камни. Проверяемый камень облучают ультрафиолетовым светом, при этом некоторые материалы обладают свойством трансформировать невидимое излучение в видимый свет. Длины волн излучаемого света под УФ обычно бывают 2х типов- короткие волны длиной 2537 Å и более длинные – 3660 Å (1 Å «ангстрем»- одна стомиллионная доля сантиметра)

Диагностика синтетических камней.

Отличит алмаз от его синтетических заменителей сравнительно несложно, поскольку рефрактометром определяется разница в показателях преломления. Если мы имеем дело с такими заменителями как циркон, то разницу несложно обнаружить по наличию двупреломления у циркона, т.е замутненных тыльных граней. Очень высокий коэффициент поглощения кубической окиси циркония в УФ диапазоне также может быть использован для определения этого материала.

Одна из сложных задач при различие природных и синтетических камней связан с изучением включений.

Драгоценные камни могут содержать твердые, жидкие или газовые включения, образующихся в результате специфических условий роста.

Выделяют два типа включений: включения растворителя, из которого растет кристалл и включением мелких кристаллов других минералов (что относится в основном к природным материалам). По включениям можно определить не только натуральность камня, но и регион где он вырос. Более подробную информацию по этому вопросу можно найти в книге «Внутренний мир драгоценных камней» автор Эдуард Губелин, эта книга является справочником по использованию включений для идентификации камней.

Кристаллы естественного рубина могут содержать тонкие иголки рутила. Легко определяются рубины выращенные методом плавления в пламени, им характерны изогнутые полоски и пузырьки.

Определение рубинов выращенных из раствора-расплава, значительно сложнее, так как такие рубины схожи с природными камнями включениями и неимеют изогнутых полос.

Флюоресценция синтетических камней, включая полученные гидротермальным методом, обычно существенно сильнее чем у природных камней.

Свойства наиболее распространенных драгоценных камней.

Камень	Формула	Сингония	Твердость	Удельная масса	Показатель преломления	преломление
Александрит	BeAl₂O₄	ромбическая	8,5	3,72	1,74-1,75	двупреломляющий
Алмаз	C	кубическая	10	3,52	2,42	Изотропный
Аквамарин	Be₃Al₂Si₆O₁₈	гексагональная	7,5	2,70	1,57-1,58	Двупреломляющий
Бирюза	CuA_l6(PO₄)(OH)₈*₅H₂O^σ	Аморфная (триклинная)	6	2,75	1,60	нет
Гранат (демантоид)	Ca₃Fe₂Si₃O₁₂	Кубическая	6,5	3,84	1,88	Изотропный
Гранат (пироп)	Mg₃A_l2Si₃O₁₂	кубическая	7,25	3,75	1,75	Изотропный
Жад (жадеит)	NaAlSi₂O₆	Моноклинная	7	3,34	1,65-1,66	нет
Изумруд	Be₃Al₂Si₆O₁₈	гексагональная	7,5	2,69	1,57-1,58	Двупреломляющий
Кварц	SiO₂	Тригональная	7	2,65	1,54-1,55	Двупреломляющий
Кунцит	LiAlSi₂O₆	Моноклинная	6,5	3,18	1,66-1,67	Двупреломляющий
Лазурит	Переменная	Кубическая	5,5	2,85	1,50	нет
Опал	3SiO₂*H₂O	Аморфный	6	2,10	1,45	нет
Период	Mg₂SiO₄	Ромбическая	7	3,33	1,65-1,69	двупреломляющий
Рубин	Al₂O₃	Гексагональная	9	3,99	1,76-1,77	двупреломляющий
Рутил	TiO₂	Тетрагональная	6	4,25	2,62-2,90	двупреломляющий
Сапфир	Al₂O₃	Гексагональная	9	3,99	1,76-1,77	двупреломляющий
Титанат стронция	SrTiO₃	кубическая	6	5,13	2,41	Изотропный
Топаз	Al₂SiF₂O₄	Ромбическая	8	3,53	1,63-1,64	двупреломляющий
Турмалин	NaMg₃Al₆B₃Si₆O₂₇(OH)₄^σ	Тригональная	8	3,10	1,62-1,65	двупреломляющий
Циркон	ZrSiO₄	Тетрагональная	7,5	4,1-4,8	1,81-1,98	двупреломляющий
Шпинель (природная)	MgA_l2O₄	Кубическая	8	3,60	1,72	Изотропный
Шпинель (синтетическая)	MgAl₅O_8,5^σ	Кубическая	8	3,63	1,73	Изотропный

Люминесценция камней.

Алмаз. C. КВ и ДВ: голубой, светло-зеленый, желтый, оранжевый, красный.

Арагонит. Ca[CO3]. КВ и ДВ: белый, зеленый, желтый, кремовый, голубовато-белый, красный. оранжевый.

Апатит. Ca5[(F,Cl,OH)|(PO4)3]. КВ и ДВ: оранжевый, желтый. коричневы, красный, кремовый, белый, фиолетовый, голубовато-серый.

Кальцит. Ca[CO3]. КВ и ДВ: красный, белый. зеленый. голубой, оранжевый, фиолетовый, пурпурный.

Корунд (рубин, сапфир). Al2O3. КВ и ДВ: красный, пурпурный, оранжевый, желтый; КВ: голубой.

Флюорит. CaF2. КВ и ДВ: голубой, фиолетовый, белый, красный, желтый, кремовый.

Циркон. Zr[SiO4]. КВ (слабее в ДВ): ярко-желтый, оранжевый.

Шеелит. Ca[WO4]. КВ: бело-голубой, кремовый, желтый.

Шпинель. MgAl2O4. КВ и ДВ: красный; ДВ: зеленый, голубой.

Урановые слюдки (отенит, торбернит). (Ca,Cu)[UO2|PO4]2Ю10-12H2O. КВ и ДВ: яркий желто-зеленый, зеленый, желтый [40].

Кальцит

Циркон (желтый), микроклин (фиолетово-красный), магнезит (белый), кальцит (оранжево-красный), флюорит (3 кристалла на переднем плане); УФ

Шеелит

Используя свойство алмазов люминесцировать под действием мягких рентгеновских лучей, строят автоматические системы их отбора. При поиске некоторых химических элементов (например, редкоземельных) образцы породы обрабатывают специальными соединениями, которые создают с искомыми веществами люминесцирующие комплексы.

Схема работы рентгенолюминесцентного сепаратора. При облучении алмаза он испускает свечение, которое улавливается фотоэлектронным умножителем. Вырабатываемый при этом сигнал подается на механизм выборки, и алмаз направляется в бункер. Движущийся по транспортеру концентрат, состоящий из алмазов и пустой породы, подвергают воздействию рентгеновских лучей. Специальный механизм выделяет светящиеся объекты и направляет их в бункер.

Другая важная задача - определить подделку драгоценного камня, отличить природный камень от синтетического, с чем успешно справляется люминесцентный анализ.

В биологии живые ткани окрашивают специальными красителями, в результате взаимодействия которых с биологическим веществом также образуются люминесцирующие комплексы. Например, ядра клеток соединительной ткани, окрашенные акридином оранжевым, дают яркую люминесценцию, причём, если клетка раковая, цвет излучения меняется.

Люминесценция находит применение также в криминалистике (для определения подлинности документов, обнаружения следов токсических веществ и т.п.), реставрационных работах, дефектоскопии, картографии, для изучения песчаных наносов при проектировании гидротехнических сооружений: гаваней, плотин и т.д. Люминесцентный анализ находит применение в гигиене (определение качества некоторых продуктов, питьевой воды) и промышленно-санитарной химии (определение содержания вредных веществ в воздухе) и т.п. Способность некоторых веществ (сцинтилляторов) люминесцировать под действием элементарных частиц высоких энергий обеспечило широкое применение методов люминесценции в ядерной физике (сцинтилляционный счётчик, люминесцентная камера).