I лава 8
Цвет, блеск и другие оптические эффекты
В гл. 1 о красоте драгоценного камня говорилось как об основном признаке. В мире, где цвет — один из доминирующих чувственных ощущений, не удивительно, что красота драгоценного камня во многом определяется его цветом. Хотя восприятие цвета — повседневное явление, в геммологии необходимо понимать, как цвет возникает в драгоценных камнях. В гл. 11, посвященной спектроскопии, будет показано, что цвет является важным средством идентификации.
Электромагнитные колебания
Чтобы понять, что такое цвет, вначале нужно обратиться к природе света как такового. Свет является формой энергии, которая излучается в виде электромагнитных волн (рис. 8.1). Он аналогичен колебаниям, используемым в радио - и телепередачах, но имеет гораздо меньшие длины волн. Цвет определяется длиной волны света. Интенсивность (сила) свет^ пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитной волны.
Относительное расположение световых и радиоволн в спектре электромагнитных колебаний показано в верхней части рис. 8.2, а в нижней его части изображена видимая часть спектра в увеличенном виде. Световые волны видимой области спектра на своем длинноволновом красном конце переходят в инфракрасные тепловые волны, а на фиолетовом конце — в невидимый ультрафиолетовый диапазон.
Направление распространения Источник света
Амплитуда Длина волны
700 нм - красный конец спектра, 400 нм - фиолетовый конец
Рис. 8.1. Волновая природа света.
Фотон 85
ю6 ю6 i6° id2 id" | id6 ю18 ю20 icf2 1111 |
Радиоволны Инфракрасные 1 I | || Ультра - „ фиолетовые Рентгеновские Гамма-лучи |
ib'° ю8 ю4 104 , | iio* t ю"г id* |
Видимая | область |
ч ^ | г ь_ |
г " < 8ооо 7ооо бооо i i i | \ бооо 4ооо Зооо i i i |
<— ИК Красные Желтые Синие УФ —*"
8оо 7оо боо 5оо 4оо Зоо
нм Рис. 8.2. Спектр электромагнитных волн с увеличенной (внизу) видимой областью.
Длина радио - и телевизионных волн измеряется в метрах и сантиметрах, а. световых, где она намного меньше, — в нанометрах (нм); раньше ее выражали в ангстремах (А). Нанометр — это одна миллионная часть миллиметра (Ю-9 м), равная 10А. Длины волн, особенно радио - и телевизионных, часто выражают через частоты, которые указывают число волн (или периодов), проходящих через фиксированную точку в секунду. Поскольку электромагнитные волны имеют скорость распространения около 300 млн м/с, соотношение между длиной волны и частотой можно записать в виде
Скорость _ 300 • Ю6 =________300__________
Длина волны (в м) - Частота Число герц (Гц) ~ Число мегагерц (МГц)
300 • Ю9 Длина волны (в нм) = -
Число мегагерц (МГц)
Фотон
До сих пор мы рассматривали свет с точки зрения теории распространения электромагнитных колебаний Максвелла. Эта теория была экспериментально подтверждена в 1876 г. Герцем. Однако, согласно квантовой теории излучения Эйнштейна, свет представляет собой не просто непрерывный цуг волн, а состоит из потока отдельных квантов, или фотонов.
Если тепловая или электрическая энергия поглощается атомом, это позволяет некоторым из его электронов переходить со своих обычных орбит, соответствующих низкой энергии, на орбиты с более высокой энергией, рас-
86 Глава 8. Цвет, блеск и другие оптические эффекты
положенные дальше от ядра. Когда они возвращаются на свои обычные орбиты с низкой энергией, они излучают полученную энергию в виде кванта света, т. е. фотона (об одной из форм такого излучения — люминесценции — будет говориться в гл. 12). Одиночный электронный переход такого типа продолжается одну стомиллионную долю секунды (1СН с), и в соответствии с величиной скорости света возникающий фотон представляет собой квант излучения длиной около 3 м. Это испускание света прекращается до следующего электронного перехода. Непрерывный свет, который мы видим, состоит из множества таких коротких импульсов, или фотонов.
Квантовая теория излучения подтверждается тем фактом, что световая энергия, высвобожденная при электронных переходах в атоме, соответствует разнице между энергетическими уровнями двух электронных орбит, участвовавших в переходе. Революция в науке, произведенная квантовой механикой, привела к слиянию концепций атомных частиц и волн излучения. В результате согласно современным научным воззрениям протоны, электроны, нейтроны, фотоны и т. д. обладают свойствами как частиц, так и волн.
Цвет и избирательное поглощение
Белый свет состоит из смеси цветов, или длин волн, видимого спектра, взятых приблизительно в равных количествах. Когда мы смотрим на цветной драгоценный камень, освещенный белым светом, цвет его, который мы видим, является результатом поглощения камнем различных длин волн (или полос длин волн) исходного белого света. В прозрачных минералах свет этих длин волн будет поглощаться из света, проходящего через камень; в непрозрачных — из света, отраженного от поверхности камня. В обоих случаях наблюдаемый цвет камня создается комбинацией цветов непоглощенной части белого света и результирующий цвет будет дополнительным к поглощенной части спектра.
Если, например, камень поглощает фиолетовый конец спектра, цвета оставшейся части белого света в совокупности дадут дополнительный желтый цвет (рис. 8.3). Если будут поглощаться все длины волн от желтых до фиолетовых, камень будет выглядеть красным.
Белый свет
Фиолетовый
Рис. 8.3. Если камень имеет полосу поглощения в фиолетовой части спектра, то оставшиеся красная и зеленая области падающего белого света, отражаясь от камня, дадут наблюдаемый желтый цвет.
Переходные элементы 87
700
600
500
400 нм
Красный Желтый
Зеленый
Синий
Фиолетовый
Рис. 8.4. В спектре поглощения видны три полосы (обусловленные присутствием железа), которые являются диагностическими для синего сапфира.
Такое подавление отдельных длин волн, или цветов, из падающего на объект белого света называется избирательным поглощением. Визуально его можно исследовать с помощью прибора, называемого спектроскопом. Свет, прошедший через драгоценный камень или отразившийся от его поверхности, направляется в спектроскоп, где происходит его разложение на спектральные цвета с помощью комбинации призм (или дифракционной решетки). Длины волн света, поглощенные камнем, видны в спектроскопе как темные полосы или серии темных линий. Таким образом, в спектроскопе наблюдается так называемый спектр поглощения, который иногда очень помогает в идентификации камня (рис. 8.4). Детальное описание спектроскопа и его применения приведено в гл. 11.
Аллохроматическая и идиохроматическая окраска драгоценных камней
Избирательное поглощение света драгоценными камнями вызывается либо наличием в них примесей (таких, как оксид хрома в рубине или оксид железа в аквамарине), либо химическим составом камня (например, медь в бирюзе или марганец в гранате спессартине). Окраска драгоценных камней, обусловленная наличием примесей, называется аллохроматической (т. е. «окрашен другим»), а вызванная собственным химическим составом — идиохроматиче-ской («самоокрашенный»).
Большинство окрашенных драгоценных камней имеют аллохроматиче-скую окраску и в отсутствие примесей являются бесцветными. Примерами драгоценных камней с аллохроматической окраской, но бесцветных при отсутствии в них окрашивающих примесей являются горный хрусталь, бесцветные сапфир и топаз и гошенит (разновидность берилла).
Переходные элементы
Избирательное поглощение света в камнях и с аллохроматической, и с идио-хроматической окраской вызывается присутствием одного или более из восьми металлов, называемых переходными элементами. В камнях с аллохроматической окраской эти элементы действуют как окрашивающие примеси, а
oo i лава 8. цвет, Олеск и другие оптические эффекты
в камнях с идиохроматической окраской они входят в химическую формулу минерала. Восемь переходных элементов в порядке возрастания их атомной массы (которая изменяется от 22 до 29) с примерами драгоценных камней, у которых они вызывают появление окраски, приведены в табл. 8.1.
Таблица 8.1.
Титан Синий сапфир (с железом), синий цоизит
Ванадий Гранат гроссуляр (тсаворит), зеленый ванадиевый берилл, синтетический ко-
рунд (имитация александрита), некоторые синтетические изумруды, синий и фиолетовый сапфир
Хром Рубин, изумруд", красная шпинель, гранаты пироп, хромовый гроссуляр, де-
мантоид и уваровит2', хромдиопсид, зеленый жадеит, розовый топаз, александрит, гидденит
Марганец Родохрозит2', родонит2', гранат спессартин2', розовый кварц, морганит (раз-
новидность берилла), андалузит
Железо Сапфир, сингалит2', перидот2', аквамарин, синий и зеленый турмалин, энста-
тит, аметист, гранат альмандин2'
Кобальт Синтетическая синяя и зеленая шпинель, синтетический синий кварц (за ис-
ключением редкой синей шпинели, кобальт не обнаружен ни в одном из природных прозрачных драгоценных камней), кобальтовое стекло
Никель Хризопраз, синтетический зеленый и желтый сапфир
Медь Диопсид, малахит2', бирюза2', синтетический зеленый сапфир
'> В Великобритании и Европе изумрудом считается только берилл, окрашенный хромом. 2) Драгоценные камни с идиохроматической окраской.
Циркон и некоторые окрашенные разновидности топаза, кварца и флюорита не содержат переходных элементов в определяемых количествах. В отличие от других минералов их цвет легко изменить с помощью нагрева или облучения (природу цвета этих камней и алмаза см. ниже в разделе «Центры окраски»). На атомном уровне возникновение окраски в результате взаимодействия электронов в переходных элементах является предметом, рассматриваемым теорией кристаллического поля. Для интересующихся читателей теория энергетических зон и переноса заряда, необходимая для понимания многих способов изменения цвета, кратко изложена в
Драгоценные камни, изменяющие свой цвет
В некоторых веществах положение полос поглощения, связанных с присутствием переходных элементов, может вызывать изменение окраски камня при смене источника света. Эффект изменения цвета называется метамериз-мом и наиболее ярко проявляется в редкой разновидности хризоберилла — александрите. В желтой области спектра этого драгоценного камня есть широкая полоса поглощения с максимумом на длине волны около 580 нм. Вследствие этого камень выглядит красным при освещении лампой накаливания, в спектре которой слабо выражена синяя часть (лампа с вольфрамовой нитью накаливания), и зеленым при дневном свете или освещении флюоресцентной лампой дневного света (свет этих источников характеризуется более сбалансированным спектром).
Интерференционная окраска 89
Исчезновение цвета происходит,
когда пути лучей различаются
на 1/2 длины волны
Рис. 8.5. Схема, показывающая, как возникает цвет тонкой пленки в результате взаимной интерференции отраженных лучей. Существующий цвет исчезает, когда дополнительное расстояние, пройденное лучом R2 по сравнению с лучом R\, составляет половину длины волны этого цвета. Цвет усиливается, когда дополнительное расстояние, пройденное лучом Л2, таково, что лучи совпадают по фазе.
Поскольку александрит — редкий камень и вследствие этого его цена очень высока, на рынке имеется несколько имитаций, воспроизводящих эффект изменения цвета александрита. Один из них — синтетический корунд, содержащий ванадий. Цвет эТой имитации изменяется от аметистово-фиоле-тового в свете лампы накаливания до синего при дневном свете, что позволяет легко отличить ее от натурального александрита. В качестве имитации этого камня используется также зеленая синтетическая шпинель, цвет которой ближе к цвету природного александрита.
В 1973 г. появился синтетический аналог хризоберилла с таким же изменением цвета, как у лучших сибирских* александритов. С тех пор синтетические александриты появились на рынке. Несмотря на то что они намного дороже имитации из синтетического корунда, их цена — лишь часть стоимости природного драгоценного камня и также является настораживающим признаком для геммолога.
Хотя александрит и является главным примером драгоценного камня, обладающего эффектом изменения цвета, этот эффект иногда встречается и у других драгоценных камней, таких,"как корунд, шпинель и гранат.
Интерференционная окраска
Помимо химического состава цвет драгоценного камня может быть обусловлен оптическими эффектами. Один из таких эффектов вызывается интерференцией лучей, отраженных от поверхностных слоев драгоценного камня (рис. 8.5). Если луч белого света (7) встречает на своем пути очень тонкий прозрачный слой, он будет отражаться как от верхней, так и от нижней поверхности этого слоя. Оба отраженных луча (R\, /?2) будут параллельны друг
* Правильнее, уральских — Прим. ред.
90 Глава 8. Цвет, блеск и другие оптические эффекты
другу, но путь одного из них, прошедшего через слой, длиннее, и поэтому он не будет совпадать по фазе с другим лучом.
В зависимости от толщины слоя при некоторой длине волны (цвете) разность хода двух отраженных лучей будет составлять в точности половину длины волны этого цвета, и тогда последний исчезнет. Оставшиеся составные части отраженного света затем суммируются, давая дополнительный цвет (как в случае избирательного поглощения). При другой длине волны оба луча могут оказываться в одной фазе и этот цвет будет доминировать в отраженном свете. Роль эффекта интерференции в возникновении цвета таких драгоценных камней, как опал, Лабрадор, лунный камень, будет рассмотрена ниже в этой главе в разделе «Игра света».
Дисперсия
Дисперсия — еще одно оптическое свойство, которое может в различной степени обусловливать цвет драгоценных камней. Белый свет, проходя через материал, преломляется, или изгибается, причем каждая длина волны — в разной степени, когда лучи входят в материал и выходят из него под углом, не равным 90°. Этот эффект легче всего увидеть на стеклянной призме, которая расщепляет белый свет на спектральные цвета (рис. 8.6). Свет, соответствующий фиолетовому концу спектра, преломляется наиболее сильно, а красный свет — меньше всего. В драгоценных камнях с высокой дисперсией это приводит к появлению цветных вспышек (называемых «игрой») при повороте драгоценного камня под источником света. _
Величина дисперсии драгоценного камня зависит от его показателя преломления (эта оптическая характеристика будет рассмотрена в следующей
Красный Зеленый
Фиолетовый
Белый свет
Белый свет Фиолетовый
Красный
Рис. 8.6. Белый свет, проникающий в призму (вверху), разделяется на спектральные цвета, причем луч, соответствующий каждому цвету, преломляется по-разному. Точно так же происходит разложение белого света, когда он входит в обработанный драгоценный камень (внизу) и затем, испытав полное внутреннее отражение от граней павильона, выходит под разными углами из граней короны, создавая «игру».
Блеск 91
главе), и в геммологии ее обычно определяют как разность показателей преломления на длинах волн 686,7 и 430,8 нм фраунгоферовых линий В и G. Исключение в соотношении показателя преломления и дисперсии составляет алм'аз, у котррого высокий показатель преломления сопровождается весьма невысоким значением дисперсии.
Хотя разложение света особенно хорошо видно в бесцветных камнях, оно наблюдается и в окрашенных, таких, как гранат демантоид и сфен, хотя их величина дисперсии частично маскируется окраской камня.
Центры окраски
У некоторых драгоценных камней цвет возникает или изменяется из-за наличия дефектов кристаллической решетки. Дефект, который может образоваться при естественном или искусственном облучении, создается дополнительным электроном, захваченным кристаллической решеткой в том месте, где обычно он не должен находиться, или отсутствием электрона там, где он обычно находится («дырка»). Дополнительный электрон создает электронный центр окраски, а отсутствие электрона — «дырочный» центр окраски.
Примерами драгоценных камней, оттенки цвета которых связаны с наличием центров окраски, являются флюорит, кварц и те алмазы, цвет которых был искусственно изменен облучением. Возможно также, что окраска многих из редких «фантазийно окрашенных» алмазов обусловлена их природным облучением в недрах земной коры. Цвета природного циркона могут быть связаны с нарушениями решетки в результате облучения примесными атомами урана и тория.
Природная желтая окраска большинства алмазов серии Кейн вызвана присутствием атомов азота, которые замещают атомы углерода в кристаллической решетке. Цвет необработанных зеленых алмазов обычно обусловлен наличием у них окрашенной тонкой поверхностной зоны. Гораздо более редкой является однородная зеленая окраска в объеме камня (такая, как например, у алмаза «Зеленый Дрезден»), определяемая как фантазийная зеленая окраска и являющаяся следствием природного радиоактивного облучения. Причина окраски коричневых, большинства розовых и розово-лиловых алмазов — пластическая деформация кристаллов в период их формирования в недрах Земли. Она привела к образованию слоев, параллельных плоскостям спайности алмаза. Цвет природных голубых алмазов обусловлен присутствием атомов бора, замещающих атомы углерода. Эти цвета, связанные с наличием примесей в решетке, являются результатом перемещения электронов в решетке, а нев отдельном атоме, как в случае переходных элементов. Они объясняются в рамках зонной теории, которая объясняет также свойства полупроводников (см. Приложение Е).
Блеск
Блеск драгоценного камня — это оптический эффект, возникающий в результате отражения света от поверхности камня. Он непосредственно связан с показателем преломления ювелирного камня, и, хотя блеск некоторых камней
92 Глава 8. Цвет, блеск и другие оптические эффекты
виден и в необработанном виде, в полной мере он проявляется, только когда камень огранен и отполирован. Поскольку показатели преломления драгоценных камней изменяются в диапазоне 1,43—3,32, их блеск также меняется в широких пределах. Термины, которые повсеместно применяются для характеристики блеска, приведены в табл. 8.2.
Эти определения используются лишь для общего описания внешнего вида драгоценного камня. Недавно был создан прибор, названный рефлектометром и дающий возможность проводить сравнительные измерения блеска и использовать результаты как средство идентификации. Подробнее этот способ описан в следующей главе.
Таблица 8.2.
Металлический Очень сильный блеск, ассоциирующийся с металлами (золото, серебро, платина) и проявляющийся в некоторых минералах, в состав которых входят металлы (например, пирит, галенит)
Алмазный Проявляется при высоком качестве полировки поверхности алмаза (блеск
циркона и демантоидапределяется как алмазоподобный)
Стеклянный Похожий на блеск стекла; характерен для большинства драгоценных камней
(корунд, топаз, кварц)
Смолистый Более приглушенный блеск, характерный для полированной поверхности
янтаря
Восковой Почти матовая поверхность, типичная для бирюзы и жадеита
Жирный Проявляется у мыльного камня и нефрита
Перламутровый Как у перламутрового слоя раковин моллюсков
Шелковистый Волокнистый отлив, типичный для атласного шпата
Игра света
В то время как блеск связан исключительно с отражательной способностью поверхности камня, оптические эффекты, описанные ниже, создаются световыми лучами, отраженными от неоднородностей внутри камня. Как и в случае блеска, существует несколько терминов, которые используют для описания игры света в драгоценных камнях.
Эффект кошачьего глаза
Так называемый эффект «кошачьего глаза» создается световой полоской, вызванной отражением от параллельных волокон, кристаллов или каналов внутри камня. В случае псевдокрокидолита, или — как его чаще называют — тигрового глаза, эти каналы являются остатками волокон асбеста, замещенных кварцем (рис. 8.7). Чем тоньше волокна или каналы и чем выше их отражающая способность, тем ярче светлая полоска. Камни с эффектом кошачьего глаза обычно обрабатывают в виде кабошонов (основание их должно быть параллельно плоскости волокон), что позволяет лучше выявить этот эффект. Переливчатость свойственна многим минералам (например, кварц, турмалин), но самым лучшим кошачьим глазом является цимофан (разновидность хризоберилла).
Игра света 93
Рис. 8.7. (Слева) Параллельные каналы в кварце, расположенные непосредственно под поверхностью отполированного тигрового глаза (увеличено). Яркая световая полоса проходит почти под прямым углом к этим каналам. (Справа) Для проявления эффекта кошачьего глаза тигровый глаз обрабатывают в виде кабошонов.
Астеризм
Эффект «звезды» лучше всего заметен в некоторых рубинах и сапфирах, обработанных в форме кабошона. Как и в случае кошачьего глаза, появление этого эффекта связано с наличием внутри кристалла тонких параллельных волокон, но в данном случае волокна образуют три группы, расположенные вдоль боковых осей кристалла и пересекающиеся под углом 60°.
В черных звездчатых сапфирах волокна образованы иголочками гематита, параллельными граням призмы второго порядка. Во всех остальных звездчатых корундах игольчатые включения представлены рутилом и параллельны граням призмы первого порядка. Некоторые тайские звездчатые сапфиры могут содержать игольчатые кристаллы как рутила, так и гематита, образующие 12-лучевую звезду.
Хотя наиболее ярко выраженный астеризм наблюдается в корундах в виде шестилучевой звезды (рис. 8.8), иногда его можно увидеть в розовом кварце,
Рис. 8.8. Кабошон звездчатого рубина, обработанный так, чтобы был виден эффект астеризма (R. V. Huddlestone).
94 Глава 8. Цвет, блеск и другие оптические эффекты
в котором он проявляется не в отраженном, а в проходящем свете (этот эффект называется диастеризмом в отличие от видимого в отраженном свете — эпиастеризма). В диопсиде и некоторых гранатах астеризм проявляется в виде четырехлучевой звезды. В этих камнях существуют две группы волокон, пересекающиеся под углом 90° в гранате и 73° в диопсиде. Производятся синтетические звездчатые рубины и сапфиры, но в них астеризм проявляется намного резче и более явно приурочен к поверхности, чем у натуральных камней.
Иризация
Радужная окраска ювелирного камня обусловлена очень тонкими слоями или правильными структурами, существующими под его поверхностью. Как и тонкие пленки масла на воде, эти слои вызывают интерференцию отраженных лучей, которая приводит к усилению одних цветов и подавлению других (см. рис. 8.5),
Этот эффект лучше всего проявляется в благородном опале. До 1960-х гг. природа окраски опала была предметом дискуссий. Затем ученые из отделения минералогии и геохимии CSIRO (Австралия) с помощью электронного микроскопа исследовали структуру этого камня. Они открыли, что игра цвета опала вызвана миллионами субмикроскопических сфер кристобалита (геля кремнезема), которые составляют основную массу камня. Сферические частицы имеют одинаковый размер (в благородном опале) и расположены правильными рядами и столбиками (рис. 8.9). Вследствие их малого размера и симметричного расположения цвет камня в отраженном от них свете образуется в результате комбинации интерференции и дифракции. Последняя происходит тогда, когда белый свет разлагается на спектральные цвета, проходя через узкое отверстие (как в случае оптической решетки, используемой в дифракционном спектроскопе, описанном в гл. 11).
Цвета, возникающие в благородном опале, зависят отчасти от угла зрения, но в большей мере от размера сфер. У опала, состоящего из сфер диаметром
Рис. 8.9. Закономерное расположение сферических частиц геля кремнезема (кристобалита) в опале, выявленное при помощи электронного микроскопа с увеличением 25 ОООх.
Цвет, прозрачность и идентификация камня 95
Рис. 8.10. Резная фигурка филина из Лабрадора. Интерференция света, вызванная пластинчатыми двойниками в этом материале, создает окраску птичьего оперения. (Из материалов Э. Беккера ОНО, Идар-Оберштайн, Германия.)
300 нм, будут присутствовать цвета с длинами волн от этого значения и до вдвое большего (т. е, от красного до фиолетового), тогда как в опале с размером сфер только 200 нм можно будет увидеть цвета только сине-фиолетового конца спектра. В обыкновенном опале содержатся сферические частицы разного размера и поэтому дифракция невелика. Результатом является молочная опалесценция, которая полностью лишена цвета.
Лабрадоресценция
Этот частный случай иризации можно видеть в Лабрадоре (минерал из группы полевых шпатов) и спектролите, красивой разновидности финского Лабрадора. В обоих случаях цветовой эффект (наиболее часто используемый в резьбе — рис. 8.10) связан с тонкими вростками полевого шпата в поверхностном слое, действующих как пластинчатые двойники.
Адуляресценция
Голубоватое мерцание, называемое также «шиллеризацией», наблюдается в лунном камне — разновидности полевого шпата. Это еще одна форма ириза-Ции, и она также вызвана пластинчатым двойникованием.
Цвет, прозрачность и идентификация камня
Окраска драгоценного камня влияет и на его прозрачность. Густо-окрашенные камни пропускают меньше света, чем бледно-окрашенные. Другой фактор, влияющий на прозрачность, — наличие внутренних повреждений или включений (вследствие чего камни с эффектом кошачьего глаза и звездчатые камни обычно не совсем прозрачны). И плюс ко всему чем больше толщина камня, тем больше потеря проходящего через него света. Поэтому густоокрашенным кабошонам (не обладающим эффектами кошачьего глаза и астериз-
