Наука о камне

У минерального драгоценного камня есть определённый химический состав, записываемый формулой, и упорядоченное внутреннее расположение атомов. Корунд представляет собой оксид алюминия (Al₂O₃), берилл, бериллиево-алюминиевый силикат (Be₃Al₂Si₆O₁₈), алмаз, один лишь углерод. Разновидности одного вида различаются в основном примесными элементами, которые замещают основные атомы в решётке, поэтому у рубина и сапфира одна формула.

Кристаллографы разделяют трёхмерные кристаллические структуры на семь кристаллических систем: триклинную, моноклинную, ромбическую, тетрагональную, тригональную, гексагональную и кубическую. Геммология описывает их через относительные длины воображаемых осей отсчёта и углы между ними. Система управляет внешней формой кристалла (октаэдры у алмаза и шпинели, шестигранные призмы у берилла) и, что полезнее для определения, его оптическим поведением. Кубические камни изотропны: свет идёт сквозь них с одинаковой скоростью во всех направлениях. Камни остальных шести систем анизотропны и раздваивают свет на два луча. Один лишь состав структуру не задаёт: алмаз и графит представляют собой чистый углерод, уложенный по-разному.

У некоторых самоцветных материалов нет дальнего атомного порядка, а значит, и кристаллической системы. Стекло, большая часть ювелирного опала и органический янтарь аморфны и, как кубические кристаллы, оптически изотропны.

Твёрдость представляет собой сопротивление царапанию. Минералог Фридрих Моос выстроил десять эталонных минералов от талька (1) до алмаза (10), каждый из которых царапает те, что ниже. Шкала Мооса задаёт ранжирование, а не измерение с равными шагами. Испытание вдавливанием делает эту неравномерность очевидной: микротвёрдость по Виккерсу составляет около 0.14 GPa у талька, 1.5 у кальцита, 12.2 у кварца и 19.6 у корунда, тогда как у алмаза она близка к 115. В ювелирном деле твёрдость важна потому, что домашняя пыль содержит кварц, и камни мягче 7 по Моосу постепенно теряют полировку.

Вязкость представляет собой сопротивление разрушению и сколам и от твёрдости не зависит. У жадеита от 6.5 до 7, у нефрита от 6 до 6.5, но оба исключительно вязки, поэтому неолитические ножи и топоры часто делали из нефрита. Алмаз, самый твёрдый природный камень, всё же способен расколоться от резкого удара: у него четыре направления совершенной спайности, параллельные треугольным граням октаэдра. У топаза одно направление совершенной спайности, у кунцита два. Там, где спайности нет, камень разрушается изломом; кварц и стекло дают изогнутый раковистый излом.

Устойчивость представляет собой сопротивление нагреву, свету и химикатам. Опал удерживает до 20% воды, часть кунцита выцветает на сильном свету, а жемчуг разъедают кислоты.

Плотность (удельный вес) сравнивает вес камня с весом равного объёма воды. GIA приводит для алмаза 3.52 (+/- 0.01). Фианит заметно плотнее, поэтому фианит в один карат заметно меньше бриллианта в один карат. Геммологи измеряют плотность, взвешивая камень в воздухе и затем в воде, или оценивают её по тому, тонет камень или всплывает в жидкостях известной плотности.

Показатель преломления выражает, насколько свет замедляется и отклоняется, входя в камень: у кварца около 1.54, у корунда от 1.762 до 1.770, у алмаза 2.42. Камни вне кубической системы двупреломляющие, они разделяют свет на два луча с разными показателями. Разность между ними называют двупреломлением. Двупреломление перидота, от 0.035 до 0.038, достаточно велико, чтобы через корону вы видели каждую грань павильона вдвойне.

Дисперсия представляет собой изменение показателя преломления с длиной волны, которое раскладывает белый свет на спектральные цвета, видимые как огонь камня. На диаграмме использована принятая в геммологии система B–G, разность показателей преломления между двумя фраунгоферовыми линиями, одной в красной области и одной в фиолетовой. Для алмаза обычно приводят 0.044. Синтетический муассанит, у которого GIA измерил 0.104, намного его превосходит.

Блеск описывает качество света, отражённого от поверхности камня. Он зависит от показателя преломления и от того, насколько хорошо поверхность принимает полировку. У алмаза алмазный блеск, самый яркий из обычных типов; у большинства камней, от кварца до корунда, блеск стеклянный. К другим стандартным терминам относятся смолистый для янтаря, восковой для бирюзы, перламутровый для жемчуга и некоторых поверхностей спайности и шелковистый для волокнистых материалов.

Прозрачность меняется от прозрачной через полупрозрачную до непрозрачной. Она зависит от самого материала, от включений, рассеивающих свет, и от толщины, а у некоторых камней определяет стоимость: хороший жадеит ценят за светящуюся полупрозрачность.

Плеохроизм представляет собой изменение собственного цвета в зависимости от направления наблюдения. Он бывает только у двупреломляющих кристаллов, которые по разным оптическим направлениям поглощают свет неодинаково. Тетрагональные, гексагональные и тригональные кристаллы могут показывать два цвета (дихроизм), а ромбические, моноклинные и триклинные могут показывать три (трихроизм). Кубические и аморфные материалы не показывают ни одного. Танзанит сильно плеохроичен и при повороте кристалла показывает три разных цвета, и огранщики ориентируют сырьё так, чтобы лучший из них смотрел вверх через площадку.

Геммологи описывают цвет тремя признаками. Цветовой тон задаёт основной цвет, например красный, синий или зелёный, вместе с модифицирующими цветами. Тон показывает, насколько цвет светел или тёмен. Насыщенность передаёт его силу, от сероватой или коричневатой до яркой.

Цвет возникает, когда камень поглощает часть видимых длин волн и пропускает или отражает остальные. У идиохроматических камней окрашивающий элемент входит в состав как главный компонент, как медь в бирюзе и малахите. Большинство камней аллохроматичны: чистыми они бесцветны, а окрашивают их примесные хромофоры. В обзоре корунда GIA перечислено шесть из них, включая Cr³⁺, Fe³⁺, V³⁺, пару Fe²⁺ и Ti⁴⁺ и две дырочные пары, дающие оранжевый и жёлтый. Красный цвет рубина требует от нескольких сотен до нескольких тысяч частей на миллион Cr³⁺; синий сапфир возникает из-за межвалентного переноса заряда, когда электрон под действием света переходит от Fe²⁺ к Ti⁴⁺ и обратно.

Центры окраски представляют собой дефекты решётки, которые захватывают электрон или оставляют электронную вакансию, обычно после облучения. Дымчатому кварцу нужен алюминий, замещающий кремний и присутствующий в большинстве кварца на уровне нескольких сотен ppm, прежде чем облучение сможет создать коричнево-чёрный дырочный центр. У аметиста похожий центр, построенный на железе. Нагрев дымчатого кварца примерно до 400°C опустошает ловушки и снова делает его бесцветным.

Флуоресценция представляет собой видимый свет, который камень испускает, пока на него действует излучение более высокой энергии, обычно ультрафиолетовое (УФ). Фосфоресценция представляет собой свечение, продолжающееся после выключения источника излучения. Геммологи проверяют и то и другое длинноволновыми (365 nm) и коротковолновыми (254 nm) УФ-лампами и записывают цвет и силу отклика.

GIA сообщает, что около 35% природных алмазов от бесцветных до слабо-жёлтых флуоресцируют в длинноволновом УФ и что на синее свечение, испускаемое дефектом N3, приходится 97% таких реакций. Хром заставляет рубин светиться красным. Железо в цветных камнях обычно гасит свечение, поэтому бедные железом рубины из мраморных месторождений, например мьянманских, светятся сильно.

Фосфоресценция встречается реже и часто оказывается информативной. Борсодержащие алмазы типа IIb почти всегда фосфоресцируют, синим или красным, в жёстком УФ, а красное послесвечение бриллианта «Хоуп» длится несколько минут. Около 90% синтетических алмазов, выращенных методом HPHT, флуоресцируют жёлтым или жёлто-зелёным на коротковолновый УФ и затем дают сильную долгую фосфоресценцию, связанную с бором, что делает эту проверку полезным признаком при скрининге. Реакции разных материалов перекрываются, поэтому флуоресценция подкрепляет определение, а не доказывает его.

Камни с оптическими явлениями показывают эффекты, порождённые внутренней структурой или включениями, а не одним лишь собственным цветом. Большинство из них обрабатывают кабошоном, гладким куполом без граней, что усиливает эффект.

Переливчатость, или эффект кошачьего глаза, представляет собой одну яркую световую полосу, отражённую множеством параллельных игл, волокон или полых трубок. Полоса скользит по куполу при движении камня. Классическим примером служит хризоберилловый кошачий глаз. Астеризм даёт такое же отражение от двух или трёх систем игл, пересекающих друг друга, что образует звезду. В корунде иглы обычно рутиловые, и GIA указывает четыре, шесть или изредка двенадцать лучей, причём шесть встречаются чаще всего.

Игра цвета у благородного опала возникает благодаря дифракции. Одинаковые по размеру шарики кремнезёма, уложенные упорядоченными рядами, которые ведут себя как трёхмерные фотонные кристаллы, разделяют белый свет на пятна чистого спектрального цвета, меняющиеся с углом обзора. Мелкие шарики дают синий и фиолетовый, крупные дают красный, оранжевый и зелёный. Адулярисценция представляет собой мягкое плывущее голубовато-белое сияние лунного камня, который сложен чередующимися слоями полевых шпатов ортоклаза и альбита. Свет рассеивается между этими микроскопическими слоями и интерферирует, и чем тоньше и однороднее слои, тем сильнее эффект.

Лабрадоресценция представляет собой широкую вспышку синего, зелёного, золотого или оранжевого, которая пробегает по лабрадору при наклоне. При медленном остывании полевой шпат распадается на чередующиеся ламели, и свет, отражённый от последовательных слоёв, интерферирует; получающийся цвет подчиняется брэгговской дифракции на этой стопке. У одного лабрадора с жёлтой лабрадоресценцией более толстые ламели составляли в среднем 129 nm, а более тонкие около 64 nm, то есть период 193 nm, который даёт отражение около 597 nm.

Авантюресценция представляет собой искристые блёстки, вызванные мелкими отражающими пластинками. В полевом шпате солнечном камне это металлическая медь или оксиды железа, например гематит; авантюриновый кварц обязан своими искрами пластинкам слюды.

Изменение цвета представляет собой сдвиг видимого оттенка между дневным светом и светом лампы накаливания. У александрита есть полоса поглощения около 580 nm, и он пропускает и зелёный, и красный, поэтому при дневном свете читается как зелёный до синевато-зелёного, а под лампой как красный до пурпурно-красного. Некоторые сапфиры, гранаты и шпинели показывают более слабые варианты эффекта, а в корунде его способен создавать ванадий.

Иризация представляет собой структурный цвет, созданный интерференцией отражённого или дифрагированного света на субмикронных структурах. Она появляется у огненного агата, в поверхностном ориенте хорошего жемчуга и вдоль тонких заполненных воздухом трещин в кварце.

К включениям относят кристаллы, флюиды, трещины и признаки роста, заключённые в камне. Камней без них мало, а расположение включений в каждом камне практически уникально. Они записывают и то, как и где рос камень-хозяин, поэтому геммологи читают их, чтобы отличить природный материал от синтетического, выявить облагораживание и предположить географическое происхождение.

Шёлком называют сетку тонких рутиловых игл в корунде. Он смягчает цвет, способен давать звёзды и заметно меняется при нагреве камня, что делает его ключевым признаком при выявлении термической обработки. Иглами называют одиночные вытянутые кристаллы или трубки. Перьями называют трещины, получившие такое имя за свой вид; выходящие на поверхность перья в бриллианте служат теми отверстиями, которыми пользуются заполнители. Характерные трещинки и включения изумруда называют его jardin, что по-французски значит сад, и дилеры их ожидают.

Некоторые включения указывают на месторождение. Колумбийские изумруды часто содержат трёхфазные включения: зазубренную полость с солёной жидкостью, газовым пузырьком и крошечным кубиком галита (каменной соли), захваченными из горячих рассолов, отложивших изумруды. Гранаты-демантоиды, особенно уральские, могут содержать конские хвосты: изогнутые пучки волокон, расходящиеся от мельчайшего кристалла. GIA относит их к тем немногим внутренним особенностям, которые повышают стоимость камня.

Алмаз почти целиком состоит из углерода, но следы азота и бора меняют его цвет, флуоресценцию и электрическое поведение. Учёные делят алмазы на типы по этим примесям, измеряемым инфракрасной спектроскопией с преобразованием Фурье (FTIR). Полосы поглощения азота лежат в однофононной области, примерно от 1332 до 400 cm⁻¹.

Алмазы типа I содержат азот, измеримый методом FTIR. В типе Ia, к которому относится более 95% природных алмазов, азот за геологическое время собрался в соседние пары (агрегаты A, IaA) или в группы из четырёх атомов вокруг вакансии (агрегаты B, IaB). В типе Ib азот находится в виде изолированных одиночных атомов; природные камни Ib почти всегда коричневые, жёлтые или оранжевые и встречаются редко. Большинство же синтетических алмазов, выращенных методом HPHT, относится к типу Ib.

У алмазов типа II азот методом FTIR не обнаруживается, и в природе они тоже очень редки. Камни типа IIa часто исключительно бесцветны, а самые крупные ювелирные алмазы, камни вроде Куллинана, образовавшиеся на глубине от 360 до 750 km, обычно относятся к IIa. Алмазы типа IIb содержат бор, который окрашивает их в синий или серый цвет и делает электропроводными. Тип важен на практике: тип IIa обычен для алмазов, выращенных методом CVD, и именно его обработка HPHT способна обесцветить, поэтому камни IIa регулярно направляют на лабораторную проверку.