1.
Термическая обработка.
2.
Облучение.
3.
Химическая обработка, включая окрашивание, пропитку, обесцвечивание и преобразование поверхности.
Термическая обработка.
Очень многие, если не почти все найденные на сегодняшний день красноватые агаты и халцедоны (карнелийские), являются термически обработанными, и процесс этот использовался в Индии и других странах еще с 2000 г. до нашей эры. С помощью методов термической обработки, известных в XIX в. и ранее, можно было превратить зеленоватый берилл в голубой аквамарин, оранжевый топаз - в розовый, а аметист - в желтый цитрин. Подвергались подобным превращениям также сапфиры, турмалины, цирконы, бериллы и другие камни. Изменение окраски при этом могло быть весьма значительным (например, превращение красновато-бурого циркона в бледно-голубой), а невыразительные цвета могли быть преобразованы в более яркие (например, превращение голубовато-зеленого турмалина в ярко-зеленый). Температуры обработки камней не были точно фиксированы, а сами камни помещались в грубые тигли, иногда погружаемые в песок, магнезию или другой "инертный" материал. Количество публикаций, касающихся методов тепловой обработки, особенно возросло с 1970-х годов, но постепенное увеличение числа методов и их усложнение происходило в течение многих десятилетий. Большие шаги были сделаны в методике улучшения камней группы корунда, особенно в отношении сапфиров из Шри Ланки — "геуда", сероватых и жирных на вид, которые раньше считались некондиционными. Жители Таиланда открыли, что, если этот камень нагреть до очень высокой температуры (1800 °С), можно получить прекрасный голубой сапфир. Это открытие было сделано несколько раньше, чем жители Шри Ланки поняли цену своего "бросового материала". Они были не очень обрадованы, узнав, что огромное количество потенциального голубого сапфира было продано за бесценок.
Хотя природа изменений, происходящих при нагревании камней, в настоящее время довольно хорошо изучена, многие процессы все же нуждаются в дальнейших исследованиях. Многие аспекты этих изменений весьма сложны и не будут рассматриваться в данной книге, так же как специфические детали самих процессов обработки. Заинтересованному читателю рекомендуется обратиться к книге Курта Нассау "Облагораживание драгоценных камней". Однако результаты и признаки термической обработки камней могут быть очень важны для геммологов, которым необходимо уметь отличать обработанные камни or необработанных. Эти признаки (не всегда видимые) будут рассмотрены более детально позже при описании отдельных видов драгоценных камней.
В 1940-х годах ученые из американской компании "Линде" (Linde Company) разработали метод диффузионной обработки корунда, приводящий к возникновению явления астеризма и окрашиванию кристаллов. Камни погружались в порошок, состоящий приблизительно из одной части окиси титана (ТЮ
) и двух частей окиси алюминия (А1
0
), и подвергались нагреванию в течение периода от 4 до 24 часов. Диффузия титана внутрь корунда приводила к образованию игл ТЮ
, придающих камням астеризм. В результате добавки хрома в порошок получались кристаллы красного цвета. Другие компоненты могут усилить голубую окраску сапфира. Вместо порошка может быть использована вязкая окрашенная масса, и добавление в нее разных элементов способствует образованию разных цветов. Такого рода окраска является поверхностной, поэтому обработку надо проводить, используя уже оформленные или ограненные кристаллы, а полировка должна быть аккуратной, чтобы не удалить окрашенный слой.
Диффузия при высоких температурах может быть также использована для снижения резкости зональности корунда, выращенного методом Вернейля. Различные концентрации примесей, образующих окрашенные зоны, при высоких температурах выравниваются за счет диффузии, и зональность становится гораздо менее заметной.
Другим материалом, для преобразования которого широко применяются термические методы, является янтарь. Существует множество различных цветных оттенков янтаря. Многие люди предпочитают темноокрашенный янтарь - считается, что более глубокие тона отражают более зрелый возраст. В результате нагревания янтаря на воздухе или в песке при температурах до 150—200 °С образец может становиться более темным с поверхности или целиком, а в некоторых случаях можно получить индивиды с темноокрашенной поверхностью, но гораздо более светлые (почти бесцветные) изнутри. Обработка такого рода требует большой аккуратности.
В большинстве случаев янтарь содержит несметное число крошечных пузырьков, из-за которых камень может быть замутненным или совсем непрозрачным. Избавиться от этого возможно путем постепенного нагрева и охлаждения образцов, погруженных в рапсовое масло (традиционно используемая жидкость) или льняное, хлопковое или специально изготовленное смазочное масло, в ходе которого, вероятно, происходит диффузия пузырьков воздуха наружу. Такая обработка может вызывать напряжения в янтаре, имеющие вид "дисков напряжения" или "солнечных блесток".
Если нагревать частицы низкокачественного янтаря до температур порядка 180 °С при давлении 350—8400 бар, можно добиться сплавления их воедино. Пропускание этого расплава через стальные пластинки с узкими щелями или отверстиями позволяет получить однородный расплав чистого янтаря — гак называемый "прессованный" янтарь. В данном процессе можно использовать красители, и среди таким образом обработанного янтаря можно иногда встретить голубой, зеленый и ярко-красный.
Облучение.
Обычно облучение используется для изменения цвета драгоценных камней, чтобы таким образом улучшить их внешний вид и увеличить ценность. В ходе этого процесса драгоценные камни подвергаются воздействию одного или нескольких типов лучей (видимый или ультрафиолетовый свет, рентгеновские или гамма-лучи), либо воздействию энергетических частиц, таких как электроны, нейтроны, протоны или альфа-частицы. Некоторые виды камней могут менять свой цвет, попадая на свет из горной выработки (например бирманский или русский коричневый топаз, который со временем становится практически бесцветным). Другие виды камней могут меняться под воздействием ультрафиолетовых лучей, но для более устойчивого изменения окраски необходимо более энергетически мощное излучение, такое как рентгеновские или гамма-лучи. Рентгеновские лучи обычны в повседневной практике, но их энергия обычно невелика, а зона проникновения ограничивается приповерхностным слоем. Окраска, вызванная рентгеновскими лучами, как правило, кратковременна и быстро теряется — в одних случаях постепенно под действием обычного дневного света, в других случаях очень быстро под действием солнечных лучей или света настольной лампы (например коричневые топазы и некоторые желтые сапфиры). Поэтому рентгеновские лучи редко используются для изменения окраски.
Гамма-лучи широко применяются, и для их генерации обычно используется изотоп кобальта Со-60 (нормальный кобальт Со-59, имеет ядерную массу 59 ед.). В зависимости от энергии и размеров используемой установки может потребоваться от получаса до нескольких минут для того, чтобы превратить горный хрусталь в дымчатый кварц. При облучении бесцветного топаза с помощью Со-60 конечная голубая окраска зависит как от начальной дозы облучения, так и последующей термической обработки.
Альфа- и бета-лучи представляют собой потоки ящер гелия и электронов или катодное излучение, соответственно. Электроны генерируются при помощи телевизионной трубки, внутри которой они ускоряются под действием электрических полей высокого напряжения. Электроны высокой энергии получают в линейных ускорителях, конструкция и обслуживание которых обходится очень дорого. Электроны не являются идеальным источником, так как они сильно поглощаются и дают только поверхностное окрашивание. Они также вызывают локальный нагрев, что делает необходимым охлаждение образца в проточной воде во избежание растрескивания. Другие частицы, такие как протоны, дейтроны, альфа-частицы, также использовались для облучения, но они могут обладать большой энергией и вызывать радиоактивность. В середине двадцатого столетия альфа-излучение, генерируемое солями радия, использовалось для обработки алмазов и сапфиров, но продукты распада радия могут захватываться камнями, поэтому некоторые из образцов в итоге обнаруживали опасный уровень остаточной радиоактивности.
Нейтроны, незаряженные частицы, генерируются в ядерных реакторах. Они могут обладать большой энергией и высокой проникающей способностью, вследствие чего окраска, вызванная нейтронами очень однородна. Однако нейтроны могут сообщать камням значительную радиоактивность, и может потребоваться некоторое время, пока камень "остынет" и станет безопасным. Тем не менее, голубые топазы в некоторых случаях получают с помощью нейтронного облучения. Среди всех вышеперечисленных вариантов, очевидно, гамма-лучи наиболее предпочтительны — они создают однородную окраску, не требуют затрат электроэнергии и не вызывают локального нагрева и радиоактивности.
Природное излучение, действующее на протяжении периодов геологического времени, определяет окраску многих природных минералов. Радиоактивные элементы земной коры (образованные в процессе формирования вселенной) сохранили свою активность благодаря своим длинным периодам полураспада и обеспечили излучение, действие которого вызвало изменение окраски многих драгоценных камней. Такие минералы, как циркон из Шри Ланки, способные захватывать значительные количества урана и тория, помимо приобретения окраски, становились метамиктными под действием природной радиации. Исследование природы окрашенных центров активно продолжается, и многие вещи еще предстоит объяснить. Однако уже известно, что в большинстве случаев изменение окраски диктуется поведением этих окрашенных центров. Детальное объяснение их природы не входит в задачу данной книги, поэтому всем заинтересованным предлагается обратиться к великолепной книге Курта Нассау "Облагораживание драгоценных камней". Все же в качестве краткого пояснения заметим, что окрашенные центры подразделяются на дырочные окрашенные центры, возникающие при отсутствии одного электрона в нормальной занятой позиции атомной структуры минерала, и электронные окрашенные центры, возникающие за счет присутствия одного избыточного электрона. При облучении горного хрусталя и образовании дымчатого кварца образуется дырочный окрашенный центр, который может быть удален или разрушен путем нагрева с обратным превращением облученного кристалла в горный хрусталь. Природный дымчатый кварц образуется за счет радиоактивности вмещающих пород, которая может генерироваться не только такими элементами как уран и торий, но также и одним из изотопов калия, К-40, излучающим бета- и гамма-лучи. И хотя доля К-40 среди других изотопов калия очень мала, его влияние может быть значительным, благодаря высокому валовому содержанию калия в породах.