Электрические свойства и люминесценция

Электрические свойства и люминесценция

Определенная ориентировка внутренней структуры кристаллов обусловливает во многих случаях такие особенности, которые зависят от направления и могут быть обнаружены по электрическим свойствам. Если нагреть кристалл турмалина, он приобретает электрический заряд, а поскольку он является при этом и плохим проводником, то на обоих его концах возникают статические заряды противоположного знака, которые сохраняются, хотя и изменив знак, после остывания. Если поместить кристаллы турмалина в ящик с внутренним освещением, они там будут нагреваться и притягивать к себе большое количество тонкой пыли из окружающего воздуха. Топаз обладает такими же свойствами, но в меньшей степени. Если нагревать кристалл кварца, в нем также появляются на разных концах двойной оси статические заряды противоположного знака, но иногда это явление маскируется двойникованием. Электрические заряды можно обнаружить и в граненых камнях. Это свойство называется пироэлектричеством (от греческого слова ябр — огонь).
Наиболее удобный метод, позволяющий установить, приобрел ли камень после нагревания статические заряды, разработан Кундтом. Порошок, состоящий из смеси свинцового сурика и серы, помещают в устройство типа кузнечных мехов и направляют струю воздуха с этим порошком через сито на один конец камня. Благодаря возникающему при этом трению частицы порошка электризуются — сурик положительно, а сера отрицательно — и притягиваются к зарядам противоположного знака; соответствующие части камня можно различить по цвету прилипшей к ним пыли. Порошок должен быть сухим, иначе может произойти химическая реакция, ведущая к образованию сульфида свинца, который можно узнать по черной окраске. Предлагался и другой способ, при котором для отрицательного элемента используется сера, окрашенная кармином в красный цвет, а для положительного — желтый ликоподий (пыльца плауна).
Если алмаз, топаз или турмалин потереть куском ткани, то в результате трения появляется статический электрический заряд, достаточный для того, чтобы притягивать мелкие клочки бумаги; заряд будет положительным. Если так же поступить с янтарем, возникнет значительный отрицательный заряд. Свойство янтаря электризоваться в результате трения о ткань было известно давно: ведь именно от греческого названия янтаря — ^exrpov — произошло наше слово «электричество».
Хотя электрические характеристики представляют значительный интерес для исследователя, особенно благодаря тому что они подтверждают некоторые предположения о кристаллографической симметрии ряда драгоценных камней, эти характеристики не имеют большого практического значения для различения камней, поскольку эти свойства проявляются в немногих минералах и их трудно исследовать
Некоторые драгоценные камни, как и многие другие вещества, обладают замечательным свойством испускать в ответ на возбуждающее действие падающих на них лучей другие лучи, которые отличаются по длине волны от первых. Если испускаемые лучи лежат в пределах видимого спектра, а возбуждающие их лучи находятся вне этого интервала, то это явление известно как люминесценция; оно имеет различные названия в соответствии с различными своими особенностями.
Если вещество начинает светиться под действием тепловых лучей, лежащих дальше красного конца видимого спектра, такое явление называется термолюминесцеицией, а если нагрев происходит в результате трения — триболюминесценцией. Вспышки, возникающие при трении двух кремней друг о друга, служат примером последнего эффекта. Название «термолюминесценция» происходит от греческого слова Oipfii] (тепло), «триболюминесцен-ция» — от греческого слова тр’фос (трение).
Когда возбуждение вызвано лучами, лежащими за фиолетовым концом видимого спектра, и свечение происходит только одновременно с возбуждением, явление называется флюоресценцией, а если свечение продолжается значительное время после прекращения возбуждающего действия — фосфоресценцией. (Это явление отличается от свечения фосфора в темноте, которое возникает в результате медленного окисления вещества.).
Фосфоресценция у драгоценных камней встречается редко. Многие алмазы светятся в темноте после пребывания на солнечном свету; как алмаз, так и кунцит фосфоресцируют после освещения ультрафиолетовыми лучами, в том числе и такими коротковолновыми, как эманации радия. Можно отметить, что при сходном возбуждении стекло не фосфоресцирует и, кроме того, оно непрозрачно для рентгеновских лучей; с другой стороны, алмаз пропускает эти лучи и, таким образом, его можно отличить от стеклянных подделок с помощью рентгеноскопии.
Сэр Джон Гершель открыл флюоресценцию в 1845 г. в ходе исследования раствора сернокислого хинина, однако объяснение этому замечательному явлению дал в 1852 г. сэр Дж. Г. Стокс в результате детального изучения люминесцирующих минералов: флюорита, отунита, апатита, арагонита, хризоберилла, кианита и топаза, а также различных органических веществ, включая сернокислый хинин. Именно Стокс впервые ввел термин «флюоресценция». Он писал: «Я решился подобрать для этого явления какое-нибудь новое название и собираюсь назвать его флюоресценцией — от слова «флюорит», по аналогии с термином опалесценция, который также является производным от названия минерала».
Для изучения флюоресценции Стокс использовал метод, который известен теперь как метод скрещенных светофильтров. Обычный свет пропускается через синий светофильтр (например, через сосуд, содержащий насыщенный раствор сульфата меди) и используется потом для освещения кристалла, размещенного на черном фоне. Если смотреть через красный светофильтр, легко можно заметить красное свечение флюоресцирующего минерала.
Лучше всего флюоресценция проявляется под действием лучей с длиной волны только немного более короткой, чем у видимых фиолетовых лучей, а самый лучший их источник — спектр, излучаемый раскаленными парами ртути. Этот спектр содержит несколько четких линий, а именно: дублет в желтом цвете (5791 и 5770 А), одну линию в зеленом (5461 А) и две линии в фиолетовом (4358, 4047 А) (все они относятся к видимому спектру), а также четкую линию (3650 А) на самой границе видимости и три линии с короткой длиной волны (3341, 3132, 3125 А). Фиолетовая окраска света ртутных ламп, которые наряду с неоновыми лампами широко используются в наше время для декоративного освещения, представляет собой эффект воздействия четких видимых линий на наши глаза. Поскольку этот сильный свет не позволяет увидеть производимую им флюоресценцию, необходимо как-то отсечь эти лучи. К счастью, имеется один из видов темного стекла, известный как светофильтр Вуда, который поглощает практически весь видимый спектр, свободно пропуская ультрафиолетовые лучи. Поэтому в ящике, содержащем ртутную лампу, делается окно, которое закрывается куском темного стекла, и этот ящик помещают в специальную темную комнату, куда попадание обычного света может быть исключено. Когда лампа включена, в окошке не будет ничего видно, пока в поле ультрафиолетовых лучей не появится флюоресцирующее вещество, которое будет светиться лучами характерного для него цвета, образующегося, как и в случае цвета, обусловленного поглощением, в результате сложения различных испускаемых лучей видимой части спектра. Исследование показало, что реакция различных веществ на ультрафиолетовое облучение может меняться в зависимости от длины волны падающих лучей. Излучение с четкой линией 3650 А обычно дает, как говорилось выше, наиболее наглядный эффект. Однако этот эффект может оказаться не столь полезным для диагностических целей, как результат «коротковолнового» ультрафиолетового облучения. Электрический разряд в разреженных парах ртути, заключенных в колбу из кварцевого или специального стекла, возбуждает излучение с очень короткой длиной волны — вплоть до 1800 А. Большая часть видимого спектра и более длинноволновые ультрафиолетовые лучи поглощаются светофильтром из особого стекла (Chance ОХ 7), который хорошо пропускает сильное излучение с длиной волны 2537 А. В лампе другого типа используется флюоресцирующая трубка, которая при соответствующем фильтре испускает непрерывный спектр от ультрафиолетовых лучей (около 3000 А) до видимых фиолетовых лучей (около 4200 А). Не следует забывать, что ультрафиолетовые лучи обладают проникающей способностью и что надо принимать меры, чтобы эти лучи не попадали в глаза и, в сущности, на любую часть тела дольше, чем в течение одной-двух секунд. .
Следует помнить, что флюоресценцию нельзя считать постоянным свойством какого-либо из драгоценных камней; даже флюорит, в котором она так хорошо выражена и которому это явление обязано своим названием, не всегда обладает этим свойством. Однако некоторые виды драгоценных камней неизменно характеризуются заметной флюоресценцией. Например, в «длинноволновых» ультрафиолетовых лучах рубин и рубиново-красная шпинель, а также соответствующие синтетические материалы обнаруживают очень яркую красную флюоресценцию; как указывалось выше, их спектры поглощения содержат несколько линий в красной части спектра, связанных с флюоресценцией. У многих алмазов наблюдается флюоресценция небесно-голубого цвета, но она может быть и бледной, и очень яркой; некоторые алмазы флюоресцируют желтым или зеленоватым светом. Однако алмазы настолько неодинаковы в этом отношении, что в качестве способа идентификации брошей с многочисленными алмазами было предложено их фотографирование. Ниже перечислены драгоценные камни, флюоресцирующие в ультрафиолетовых лучах (в скобках дается цвет возникающего свечения): кунцит (телесно-розовый), опал (голубой или желтоватый), бирюза (зеленый), флюорит (фиолетовый), некоторые цирконы (горчичный), данбурит (небесно-голубой), некоторые виллемиты (ярко-зеленый) и некоторые изумруды (красный). Кроме того, флюоресценция проявляется и у некоторых ценных органических материалов. Как бледный, так и темный янтарь излучает зеленовато-голубое сияние, особенно на свежих поверхностях. Жемчуг, как природный, так и искусственно выращенный, флюоресцирует разным цветом в зависимости от того, где жили устрицы данного вида; особенно приятна для глаз небесно-голубая флюоресценция восточных и австралийских жемчужин, но различие в свечении естественного и искусственно культивируемого жемчуга недостаточно для целей идентификации.
Действие, производимое «коротковолновой» лампой, обычно слабее, и флюоресценция может быть иного цвета. Однако некоторые самоцветы, инертные в длинноволновых лучах, флюоресцируют в этом случае очень сильно; например, бенитоит дает ярко-голубое свечение, и его можно, таким образом, легко отличить от сапфира, который инертен. Бесцветные синтетические шпинели, едва заметно светящиеся при длинноволновом облучении, обнаруживают ярко-голубую или фиолетовую флюоресценцию в коротковолновых лучах; окрашенные синтетические шпинели ведут себя таким же образом, хотя на эффект флюоресценции влияет в этом случае собственный цвет камня.
Поскольку ультрафиолетовые лучи составляют большую долю в радиации Солнца, вид флюоресцирующего камня на ярком солнечном свету представляет собой эффект сложения цветов, определяемых поглощением и характерной для этого камня флюоресценцией. Рубин своей красотой во многом обязан флюоресценции. Это же свойство можно заметить при дневном свете у некоторых опалов, у янтаря, а также у большинства образцов флюорита.
Эффект флюоресценции вызывается также рентгеновскими и катодными лучами, длина волны которых еще короче, чем у ультрафиолетовых лучей. Флюоресценция от рентгеновских лучей в целом слабее, но, с другой стороны, некоторые камни, не реагирующие на ультрафиолетовые лучи, лучше возбуждаются рентгеновскими лучами, которые поэтому применяются чаще. Совершенно ясно, что для диагностических целей лучше всего исследовать эффект флюоресценции, возникающий у камня в обоих диапазонах ультрафиолетовых лучей п в рентгеновских лучах. По характеру вызываемой флюоресценции катодные лучи похожи на рентгеновские, но свечение здесь гораздо ярче.
Увеличение длины волны световых лучей знакомо каждому. Обычное оконное стекло прозрачно для видимых лучей, но не пропускает инфракрасные лучи, которые главным образом вызывают нагревание. Когда солнечные лучи падают, например, на теплицу, световые лучи проходят через стекло, а инфракрасные лучи задерживаются. Длина волны световых лучей возрастает в результате отражения от предметов внутри помещения, и возникающие при этом инфракрасные лучи захватываются стеклом. В результате температура внутри помещения растет; дополнительное тепло, производимое тепловыми лучами, падающими снаружи, передается внутрь путем теплопроводности.
Пьезоэлектричество (от греческого слова яii£o) — давление) не дает большого эффекта при диагностике камней, однако было доказано его огромное значение для сохранения устойчивости длины волны в радиовещании п в службе точного времени. Это явление можно рассматривать как нечто противоположноепироэлектричеству, так как возникающие заряды соответствуют тем, которые образуются, когда данный кристалл сокращается в результате охлаждения. Пьезоэлектрический эффект проявляется в турмалине и в кварце.


Новые статьи по теме

Предыдущии статьи


Who's Online

Сейчас 14 гостей онлайн