Методы и средства диагностики драгоценных камней



Лекция 6. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОПЕРАТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ

ДРАГОЦЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

На слайде 1 представлен план лекции.

Введение.

6.1. Методы и средства диагностики драгоценных камней.

6.2. Методы и средства диагностики драгоценных металлов.

Заключение.

Контрольные вопросы.

Тесты.

Список используемых источников.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

К драгоценным материалам современный человек относит редко встречающиеся в природе, вещества (металлы и камни), обладающие совокупностью уникальных декоративно – эстетических признаков, физико– химических свойств и технологических особенностей обеспечивающих им высокую ценность и постоянную востребованность. Некоторые физико-химические свойства драгоценных материалов являются их диагностическими признаками, Так только цветовые оттенки выделяют изумруд, рубин и сапфир от их основных минералов – берилла и корунда, высокая твердость и теплопроводность алмаза выделяет его среди других камней, а химическая инертность драгоценных металлов способствует их уникальной сохраняемости, что позволило химикам выделить их в отдельный класс «благородных металлов». История развития человеческого общества убедительно показала, что металлы и камни, не отвечающие перечисленным выше характеристикам, рано или поздно выпадают из разряда драгоценных материалов. Так произошло с медью, железом, бронзой, кварцем, лазуритом, гранатом и с большинством других камней.

Номенклатура драгоценных материалов в Российской Федерации устанавливается и изменяется в законодательном порядке. В Федеральном законе «О драгоценных металлах и драгоценных камнях», указывается их перечень.

Российская номенклатура драгоценных металлов соответствует мировым стандартам и включает: золото, серебро, платину и металлы платиновой группы (палладий, иридий, родий, рутений и осмий) (таблица 6.1.). В законе указано, что они могут находиться в любом состоянии, в том числе в

 

Таблица 6.1.

Основные диагностические свойства драгоценных металлов

Металл,

время

открытия

 

Температура

плавления

(оС)

Плотность

г/см3

(при 200 С)

Коэф.

отражения

в % (при λ=500нм)

Темпера-туро-

проводность

104 мс/с

Твердость

по Моосу   микротвер- дость, кг/мм2
Серебро Ag до н.э. 960,5 10,50 96,2 1,74 2,7 1046  
Золото Au до н.э. 1063 19,32 44,6 1,28 2,5 300–500  
Платина Pt 1750 г. 1773,5 21,45 65,5 0,25 4,3 2000–4000
Палладий Pd 1803 г. 1555 12,02 0,25 4,8 2000–4000
Родий Rh 1803 г. 1966 12,41 73,1 0,50 6,0 8000–9000
Рутений Ru 1844 г. 2427 12,45 69,3 0,40 6,5 9000–10000
Осмий Оs 1804 г. 2967 22,48 62,2 0,30 7,0 –  
Иридий Ir 1804 г. 2454 22,65 69,4 0,50 6,5 9000

 

самородном, аффинированном, а также в сырье, сплавах, полуфабрикатах, промышленных продуктах, химических соединениях, ювелирных и иных изделиях, монетах, ломе и отходах производства и потребления.

К драгоценным камням относятся природные: алмазы, изумруды, рубины, сапфиры, александриты, а также природный жемчуг в сыром (естественном) и обработанном виде (таблица 6.2.). К драгоценным камням приравниваются уникальные янтарные образования в порядке, устанавливаемом Правительством Российской Федерации. Естественно, что синтетические аналоги этих материалов и имитации не являются драгоценными камнями (таблица 6.3.).

Номенклатуры драгоценных камней других стран различаются друг от друга. В Китае, например, к драгоценным камням отнесен нефрит. В Японии перечень драгоценных камней состоит из 13 наименований.

В Федеральном законе, кроме перечня устанавливается и «особый порядок таможенного контроля за ввозом на территорию Российской Федерации и вывозом с территории Российской Федерации драгоценных металлов и драгоценных камней, а также изделий из них».

Условия и порядок таможенного оформления драгоценных металлов и камней, а также сырьевых товаров, содержащих драгоценные металлы, определяются указами Президента Российской Федерации и документами таможенной службы. Таможенное оформление и контроль ввозимых и вывозимых драгоценных металлов и камней осуществляется на специализированных таможенных постах и в специализированных отделах таможенных органов. При этом вид разрешительных документов (экспертные заключения, лицензии, сертификаты, квоты и др.), предъявляемые при таможенном оформлении, зависит от кода по ТН ВЭД ТС. Драгоценные металлы представлены в группах 25, 26, 28, 30, 68, 71, 82, 85, 90, 91, 96 ТН ВЭД ТС и согласно п.5 ср.71 к ним относятся сплавы, содержащие более 2% по массе драгоценного компонента. Драгоценные камни и изделия из них относятся к группам 71 и 97 ТН ВЭД ТС.

Таблица 6.2.

 

Основные диагностические признаки драгоценных камней

 

Название, формула Характерные особенности (цвет, оптические эффекты, включение и др.) Оптиче-ский характер Показа- тель пре- ломления   Характер люминес- ценции в УФ   Основные линии спектра поглощения, нм Плот- ность, г/см3   Твер- дость по Моосу  
Алмаз С Бесцветный, иногда с нацветом желтого, серого цвета, с включениями графита и других минеральных образований, следы роста, тригоны на найфах, очень высокая теплопроводность (15,2) Изотропный, иногда ано- мально анизотропный   2,417 Инертен или голубой, желтый, зеленый 390; 401,5; 415,5; 423; 435; 451; 465; 478   3,52 10
Рубин Al2O3  Красный от среднесветлого до темного (пурпурного); прямолинейная зональность окраски, астеризм, плеохроизм; включения: ГЖВ, рутил, апатит, карбонаты и др. Анизотроп- ный   1,76–1,77  Красный 465, 468,5; 476,5; 500– 610; 659,2; 668; 692,8; 694,2 3,9–4,1 9
Сапфир Al2O3 Синий различных оттенков; прямолинейная зональность окраски, астеризм, плеохроизм; включения ГЖВ –"– 1,76–1,78 Инертный, иногда зе- леноватый, оранжевый 379; 450; 455; 466; 471 3,99– 4,10   9
Изумруд Be3Al2 [Si6O18] Зеленый от среднесветлого до темного с желтоватым оттенком; зональность, параллельная штриховка; включения: ГЖВ, иголки, трубки, пирит, кальцит, актинолит, слюды, фуксит –"– 1,57–1,60 Инертный или красный 470; 477; 635; 648; 662; 680; 683   2,67– 2,78   7,5–8  
Александрит BeAl2О4   Голубовато-зеленый, желтовато-зеленый, изумрудно-зеленый; при искусственном свете красный, малиновый, пурпурно- красный, трихроизм, включения: ГЖВ, шелк, дактилоскопический узор –"– 1,74–1,76 Красный, бледно-  и желто- зеленый   555; 640; 645; 649; 655; 678,5; 680,5   3,60– 3,84   8–8,5  

Таблица 6.3.

 

Основные диагностические свойства алмаза и его имитации

 

Название и формула Оптический характер Показатель преломлен- ния Удельный вес, г/см3 Дис-персия Свечение в УФ-лучах Твердость по шкале Мооса
Алмаз С Изотропный, высокая теплопро- водность, минеральные включения 2,42 3,52 0,044 Голубое, зеленое, желтое разной интенсивности 10
Фианит (кубическая окись циркования) ZrO2 Изотропный, редкие газовые пузыри 2,18 5,95 0,060 Слабое желто-оранжевое или отсутствует 8,5
Циркон ZrSiO4 Анизотропный, минеральные включения, высокое двупреломления («раздвоение ребер») 1,78-2,01 3,95-4,80 0,038 Умеренное желтоватое, оранжевое, белесое 6-7,5
Титанат стронция SrTiO3 Изотропный, высокая дисперсия, газовые пузыри, следы от полировки 2,41 5,13 0,1409 Отсутствует 6
Иттрий – алюминиевый гранат (ИАГ) Y3AI3O12 Изотропный, газовые пузыри 1,83 4,55 0,028 Оранжевое 8,5
Галлий- гадолииневый гранат (ГГГ) Gd3Ga3O12 Изотропный, газовые пузыри 2,03 7,05 0,022 Слабое оранжевое (КВ) 6,5
Алюминат натрия YAIO3 Изотропный, газовые пузыри 1,97 5,35 0,033 Отсутствует 8,5
Стекло Изотропный, завальцованные ребра, газовые пузыри, свили, аномальное двупреломление 1,44-1,90 2,3-4,5 0,009- 0,098 Разное 5-6
Кварц SiO2 Анизотропный, газово-жидкие включения 1,544 -1,553 2,66 0,008 Отсутствует 7
Лейкосапфир AI2O3 Природные, минеральные включения (шпинель, рутил, апатит) 1,76-1,77 4,00 0,011 Отсутствует или умеренное голубое 9
Топаз AI2SiO4(F4OH)2 Анизотропный, минеральные и газово-жидкие включения 1,61-1,62 3,53-3,56 0,014 От слабого до инертного 8
Муассеонит SiC Анизотропный, высокое двупреломление («раздвоение ребер»), характерные включения в виде волокон, каналов 2,65-2,69 3,10-3,22 0,090 Инертен или слабое желтоватое 9,5

Еще недавно в термин «валютные ценности», кроме денежных знаков включались драгоценные металлы в любом виде и состоянии и драгоценные камни в сыром и обработанном виде, исключая ювелирные и бытовые изделия и их лом. Их оборот устанавливался Федеральным законом «О валютном регулировании и валютном контроле». Однако при редакции этого Закона от 10.12.2003 г. № 173-ФЗ драгоценные металлы и камни были исключены из состава валютных ценностей. Но они продолжают оставаться объектами контрабанды, как стратегические материалы согласно ст.226.1 УК РФ.

 

 

Методы и средства диагностики драгоценных камней

 

Основные диагностические признаки драгоценных камней представлены в таблице 6.2. Они устанавливаются довольно легко, с помощью разных методов и средств, многие из которых были заимствованы из других наук (геологии, минералогии, химии, физики, металловедения и др.), где они прошли хорошую школу апробации. Например, кристалооптические, ренгенофазовые методы, рамановская спектроскопия и др. Однако имеются и свои собственные – геммологические методы и средства, которые применяются при оперативной диагностики драгоценных камней.

Поляризационно-оптический метод основан  на анализе первичной информации, полученной в результате взаимодействия поляризованного света с кристаллическим объектом. Это один из самых популярных и надежных методов исследования цвета, внешнего вида, внутреннего строения и оптических характеристик кристаллического вещества (осности, оптического знака, дисперсии, избирательного поглощения, дихроизма и др.), являющихся его диагностическими признаками. Исследование осуществляют визуально или с помощью различных оптических средств: луп, микроскопов, дихроскопов и других оптических приборов.

В настоящее время для этой цели применяются специально разработанные геммологические микроскопы, которые отличаются от минералогических и петрографических микроскопов темнопольным освещением, стереоскопическим увеличением, конструкцией объективов, наличием специальных держателей образцов и другими особенностями, позволяющими не только диагностировать обработанный драгоценный камень, но и изучать его качественные признаки (цвет, дефектность, огранку). Первый геммологический микроскоп “Diamond scope” был разработан Робертом Шипли, который на него получил патент в 1938 г. Конструктивные особенности современных приборов и порядок их использования приводится в специальной научно-технической документации.

На рисунке 6.1. представлен геммолоический микроскоп KRUSS KSW 4330-1 обладающий следующимитехническими характеристиками:

 

Рис. 6.1. Геммологический микроскоп KRUSS KSW 4330-1

 

– увеличение - 10х и 30х с 10х штатными окулярами (с возможностью расширения до 20х и 60х с опционными 20х окулярами);

– регулируемое межокулярное расстояние;

– встроенные источники проходящего и отраженного света;

– эффект «темного поля» для выявления внутренних дефектов камня;

– держатель для камней.

Источник питания: 220 В.

Определение оптического характера камня осуществляется с помощью дихроскопов, полярископов (см. рисунок 6.2 и 6.3) и микроскопов (минералогических, геммологических).

         

 

 

 


По кристалло-оптическим характеристикам драгоценные камни делятся на 3 группы:

– оптически изотропные (кубическая сингония);

– оптически анизотропные одноосные (тригональная, тетрагональная и гексагональная сингонии);

– оптически анизотропные двуосные (ромбическая, моноклинная и триклинная сингонии).

Подавляющее большинство драгоценных и полудрагоценных (ювелирных) камней являются оптически анизотропными (см. таблицу 6.2.). Анизотропией объясняется двойное лучепреломление, когда световой луч, проходя через оптически анизотропный кристалл разделяется на две световые волны, поляризованные в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Каждая волна характеризуется своим показателем преломления (n).

Поверхность, построенная на показателях преломления, отложенных в направлениях колебаний соответствующих волн, называется оптической индикатрисой. Для изотропных кристаллов (алмаз) она имеет форму шара. Для одноосных анизотропных кристаллов (рубин, изумруд) – форму эллипсоида вращения с двумя неравными осями, соответствующими показателями преломления обыкновенной (no) и необыкновенной волны (n е). А для двуосных анизотропных кристаллов (александрит) – эплипсоид с тремя неравными осями ng, nm, np. Буквы g, m, p – начальные буквы французских слов: grand – большой, mogen – средний, petit – малый. Измеряя эти показатели можно установить оптический характер исследуемого кристалла. При n е > no он положительный при n е  < no отрицательный.

Определение показателя преломления драгоценных камней n осуществляется с помощью рефрактометров и рефлектометров.

Первый рефрактометр был изготовлен Г.Смитом в 1903 г. Затем были разработаны рефрактометры Тулли и Райнера, в которых в качестве контактной призмы, использовались алмаз, синтетическая шпинель и сфалерит. Позднее в GIA был разработан дуплексный рефрактометр, позволяющий методом «дистанционного видения», определять показатель преломления камней, имеющих искривленную поверхность или мелкие плоские грани (рисунок 6.4).

Рис. 6.4. Рефрактометр KRUSS ER6010.

Рефлектометрический метод (от лат. reflexus – отраженный и метрия), основан на регистрации интенсивности и направления световых лучей отраженных от изделия.

Интенсивность отраженных лучей является функцией показателя преломления камня, а также его чистоты, качества полировки и плоскостности отражающей поверхности и т.д. Поэтому показатели преломления, получаемые этим методом уступают по надежности рефрактометрическим данным. Геммологи используют его для определения драгоценных камней, обладающих большим показателем преломления, превышающим верхний предел обычных рефрактометров (1,81). Для реализации этого метода за рубежом разработаны и выпускаются рефлектометры и рефлексометры различных конструкций. Но первый прибор был построен в начале 80-х гг., в ленинградском институте «Русские самоцветы».

Методы индуцированного светового излучения основаны на регистрации оптических эффектов (люминесценции, фосфоресценции и флюоресценции), генерируемых драгоценным камнем при воздействии на него различных физико-химических реагентов (света, тепла, рентгеновских лучей).

Для диагностики драгоценных камней используют люминесцентный метод, с помощью которого определяется характер люминесценсии камня, облучаемого ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами.

Наибольший интерес, для этих целей представляют: лампы Dialite UV, УФ-кабинет (СС-60,  лампы коротковолновых (UVL -56, UVL -21) и длинноволновых (UVSL , №15) УФ лучей фирмы U - V P r о du с ts Jnc , люминоскопы Крюса, Айкхорста, а также рентгеновские установки отечественного и иностранного производства.

Спектроскопические методы основаны на анализе спектров пропускания (поглощения) и отражения, получаемых при взаимодействии электромагнитного излучения видимого и инфракрасного (ИК) диапазона с драгоценным камнем. Оптический спектр содержит «типичный» набор полос (линий), характеризующих конституцию драгоценного камня. Полная расшифровка этих спектров способствует диагностированию драгоценного камня, а также позволяет объяснить особенности его окраски и происхождения (идентификации).

По способу регистрации и оценки спектров методы делятся на спектроскопические (от греч. – спектр и смотреть) и спектрометрические (от греч. – спектр и мерить).

Спектроскопия применяется для получения спектров пропускания (поглощения). Их анализ осуществляется визуально и при помощи спектроскопов различных конструкций и назначений. Спектроскопы выпускаются фирмой GIA (рисунок 6.5) (многощелевой призменный Райнер, ручной призменный 2522, ручной дифракционный 2444, ручной реверсионный 3505), фирмой Крюсс (ручные 1501 и 1504, для исследования драгоценных камней КZ10, люминесцентный, для ювелиров), а также фирмами Айкхорст, Ханнеман и др.

Рис. 6.5. Спектроскоп KRUSS 1504.

 

Спектрометрия осуществляется с помощью различных спектрометров и спектрофотометров отечественного и иностранного производства. Наибольшей известностью среди них  пользуется фирма Перкен Эльмер.

Исследование спектров зеркального и диффузного отражения для геммологических целей представляется более перспективным, чем анализ спектров пропускания. Спектрометрия внешнего зеркального отражения в средней инфракрасной области (8-25 мкм) может осуществляться как на импортном, так и на отечественном оборудовании (И R -20, ИКС-21 и др.) с использованием отражательных приставок ИПО-22, ИПО-76. По полученным спектрам производится видовая кристаллохимическая диагностика, основанная на определении положения и интенсивности полос отражения, обусловленных колебательными переходами, разрешенными квантовыми правилами отбора.

Спектрометрия внутреннего диффузного отражения в видимом диапазоне может осуществляться с помощью отечественных спектрометров (типа СФ-18 и др.). Регистрируемые в этом случае относительно слабые полосы поглощения являются диагностическими для цветных разновидностей какого-либо минерального вида (корунда, берилла, кварца и т.д.) и обычно связаны с примесными и дефектно-примесными центрами окраски.

Определение плотности (удельного веса) осуществляется с помощью гидростатического взвешивания или сравнения с тяжелыми жидкостями.

Гидростатическое определение плотности можно проводить на любых весах, имеющихся в лаборатории. Но для точного определения плотности драгоценных камней рекомендуется применять специально разработанные для этой цели весы Вестфаля, Пенфилда, Ханнемана, где измеренная в воде масса камня, является его удельным весом.

Среди тяжелых жидкостей наиболее универсальными являются йодистый метилен (с плотностью 3,32 при Т-70°С) и жидкость Клеричи (с плотностью 4,15 при Т-25°С), которая однако является более токсичной, чем первая и требует особой осторожности при ее использовании.

Исследования, проводимые под микроскопом в поляризованном свете, дают информацию: о распределении окраски в объеме камня; о наличии внутренних напряжений (аномальном двупреломлении); и о наличии включений с другими оптическими характеристиками и т.д. Особенности внутреннего строения камня можно исследовать путем постепенного изменения глубины фокусировки.

Тепловой контактный метод основан на определении теплопроводности, т.е. (скорости и количества теплового потока) попадающего на драгоценный камень при непосредственном его контакте с источниками тепла. В качестве технических средств применяются различные термотестеры иностранного и отечественного производства: “Ceres Probe ”, “ Ceres c z e c p o i n t ”, “ Gem Diamond Master ”, “ Rayner ”, “ Kasnan ,” фирмы Техноком, Вилдис, ФТС России и др. Устройство и принцип действия всех моделей примерно одинаковые.

Детектор GEM TESTER КЛИО (рисунок 6.6) и PRESIDIUM Duo Teste (рисунок 6.7) представляют собой блок с наконечником в виде ручки. К блоку посредством гибкого провода подсоединяется адаптер, с помощью которого осуществляется питание от сети переменного тока 120-220В\150Гц. Электропитание возможно также от батареек. Основной рабочий элемент вмонтирован в наконечник ручки-пробника. Он представляет собой два керамических термистора. Один выполняет роль миниатюрного нагревательного элемента, другой – измеряет температуру в зоне контакта, которая зависит от теплопроводности исследуемого камня. Чем выше температура в зоне касания наконечника, тем ниже теплопроводность ювелирного камня. Алмаз обладает уникальной способностью проводить тепло. Все известные его имитации обладают более низкой теплопроводностью. Последние конструкции приборов позволяют достаточно уверено диагностировать основные имитации алмаза и ряд других драгоценных камней. Поэтому к результатам исследования следует относиться с особой доверительностью.

Рис. 6.6. Детектор GEM TESTER КЛИО.

 

Технические характеристики:

– стрелочная индикация;

– звуковой предупреждающий сигнал при касании металла оправ.

Питание - от универсального адаптера 230 В (в комплекте).

Размеры - 120х80х32 мм. Вес - 200 г.

Рис. 6.7. Детектор драгоценных камней PRESIDIUM Duo Teste.

 

Технические характеристики.

Звуковой предупреждающий сигнал при касании металла оправы.

Питание - от адаптера 220 В, 50 Гц (в комплекте) или 5 щелочных батареек размера АА.

Размеры - 165х78х78 мм., вес - 320 г.

 

Методы рентгеновского анализа. Самыми эффективными для диагностики драгоценных камней являются: рентгеноспектральный флуоресцентный анализ (РФА), рентгеноспектральный флуоресцентный энергодисперсионный анализ (РФЭА) и рентгеноструктурный анализ (РСА). Первые два основаны на регистрации характеристических лучей, испускаемых возбужденными атомами, входящими в состав драгоценного материала, при воздействии на него первичного рентгеновского излучения и устанавливают элементный состав драгоценных камней. С помощью РСА определяются параметры кристаллической решетки, являющиеся основными диагностическими признаками. Их можно установить с помощью стационарных рентгеновских аппаратов «Эра», «Дрон», «УРС-50» и др.

Для целей химического (элементного) анализа могут применяться как иностранные «Аоттокумпа» (Финляндия), так и отечественные ренгенофлуоресцентные аппараты: «Спарк», «Спектроскан», «Прим–1РМ», «Призма – М(Au)», «Магний – 1», «МетЭксперт» и др.

Прибор «ПРИМ-1РМ» (рисунок 6.8) позволяет определять материалы путем установления входящих в них элементов и производить оценку их количественного содержания. Принцип работы прибора заключается в измерении контролируемых образцов флуоресцентным методом, в основе которого лежит зависимость плотности потока характеристического рентгеновского излучения элементов от их концентрации.

Характеристическое излучение анализируемых элементов возбуждается рентгеновским ионизирующим излучением рентгеновского аппарата «Модуль-50» (напряжением на аноде до 38 кВ) и регистрируется кремниевым PIN-детектором (рисунок 6.9). Мощность эквивалентной дозы излучения на поверхности датчика и на расстоянии 1м от него не превышают 100 мкЗв/ч и 3 мкЗв/ч, соответственно.

 

Рис. 6.8.Общий вид прибора «ПРИМ-1РМ».

 

Рис. 6.9. Датчик прибора «ПРИМ-1РМ».

 

Анализатор рентгеновский ПРИЗМА-М ( Au ) (рисунок 6.10) с возбуждением характеристического излучения элементов малогабаритным рентгеновским излучателем предназначен для многоэлементного анализа металлов, сплавов, в том числе драгоценных, и изделий на их основе, а также определения содержания химических элементов от кальция до урана в веществах, находящихся в твердом, порошкообразном и жидком (не агрессивные жидкости) состоянии, в диапазоне оцениваемых содержаний определяемых элементов от 0,1 до 100 %.

 

Рис. 6.10. Анализатор рентгеновский «ПРИЗМА-М(Au).

 

Структурная схема анализатора рентгеновского ПРИЗМА-М(Au) изображена на рисунок 6.11.

Рис. 6.11. Структурная схема анализатора

рентгеновского ПРИЗМА-М(Au).

 

Склерометрический метод определения твердости (от греч. skleros – твердый и метрия) основан на измерении твердости материалов разными способами: по шкале Мооса, твердомерами или царапанием. Царапанье является – одним из первых диагностических методов, насчитывающий несколько тысяч лет, но он продолжает применяться. Однако его следует применять только в крайнем случае.

В 1912 году австрийский геолог Д. Моос предложил десятибалльную шкалу твердости минералов. Шкала Мооса (таблица 6.4.) представляет собой ряд минералов с постепенно возрастающей твердостью. Каждый последующий минерал царапает все предыдущие. Величины твердости в интервале 1-9 ложатся на кривую, близкую к кубической параболе (у = х3). Твердость алмаза по параболической шкале не 10, а 15.

 

Таблица 6.4.


Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 1229; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!