อัญมณีศาสตร์

อัญมณีที่เป็นแร่มีองค์ประกอบทางเคมีที่แน่นอน เขียนเป็นสูตร และมีการจัดเรียงอะตอมภายในอย่างเป็นระเบียบ คอรันดัมคืออะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) เบริลคือเบริลเลียมอะลูมิเนียมซิลิเกต (Be₃Al₂Si₆O₁₈) ส่วนเพชรคือคาร์บอนล้วน พันธุ์ต่างๆ ของชนิดเดียวกันต่างกันที่ธาตุร่องรอยซึ่งเข้าไปแทนที่อะตอมหลักในโครงผลึกเป็นสำคัญ นั่นคือเหตุผลที่ทับทิมและแซปไฟร์มีสูตรเดียวกัน

นักผลึกศาสตร์จัดโครงสร้างผลึกสามมิติออกเป็นเจ็ด ระบบผลึก ได้แก่ ไตรคลินิก โมโนคลินิก ออร์โทรอมบิก เตตระโกนัล ไทรโกนัล เฮกซะโกนัลและลูกบาศก์ อัญมณีศาสตร์อธิบายระบบเหล่านี้ด้วยความยาวสัมพัทธ์ของแกนอ้างอิงสมมติและมุมระหว่างแกน ระบบผลึกกำหนดรูปทรงภายนอกของผลึก (ทรงแปดหน้าสำหรับเพชรและสปิเนล แท่งปริซึมหกด้านสำหรับเบริล) และที่มีประโยชน์กว่าสำหรับการระบุชนิดคือพฤติกรรมทางแสงของมัน อัญมณีระบบลูกบาศก์เป็น ไอโซทรอปิก แสงเดินทางผ่านด้วยความเร็วเท่ากันทุกทิศทาง อัญมณีในอีกหกระบบเป็น แอนไอโซทรอปิก และแยกแสงออกเป็นสองลำ องค์ประกอบเพียงอย่างเดียวไม่ได้กำหนดโครงสร้าง เพชรและแกรไฟต์ต่างเป็นคาร์บอนบริสุทธิ์ทั้งคู่ แต่เรียงตัวต่างกัน

วัสดุอัญมณีบางอย่างไม่มีระเบียบของอะตอมในระยะไกล จึงไม่มีระบบผลึก แก้ว โอปอลอัญมณีส่วนใหญ่และอำพันซึ่งเป็นสารอินทรีย์เป็นวัสดุ อสัณฐาน และเช่นเดียวกับผลึกระบบลูกบาศก์ มันเป็นไอโซทรอปิกทางแสง

ความแข็ง คือการต้านการขูดขีด นักแร่วิทยา Friedrich Mohs จัดลำดับแร่อ้างอิงสิบชนิดจากทัลก์ (1) ถึงเพชร (10) โดยแต่ละชนิดขูดแร่ที่อยู่ต่ำกว่าได้ มาตราโมส์เป็นการจัดลำดับ ไม่ใช่การวัดที่มีช่วงเท่ากัน การทดสอบด้วยการกดรอยทำให้ความไม่สม่ำเสมอนี้ชัดเจน ความแข็งจุลภาคแบบวิกเกอส์อยู่ที่ราว 0.14 GPa สำหรับทัลก์ 1.5 สำหรับแคลไซต์ 12.2 สำหรับควอตซ์และ 19.6 สำหรับคอรันดัม ขณะที่เพชรอยู่ใกล้ 115 ความแข็งสำคัญต่อเครื่องประดับเพราะฝุ่นในบ้านมีควอตซ์อยู่ด้วย อัญมณีที่อ่อนกว่าโมส์ 7 จึงค่อยๆ สูญเสียความเงา

ความเหนียว คือการต้านการแตกและการบิ่น และเป็นอิสระจากความแข็ง เจไดต์อยู่ที่ 6.5 ถึง 7 และเนไฟรต์ 6 ถึง 6.5 แต่ทั้งคู่เหนียวอย่างยิ่ง จึงเป็นเหตุให้มีดและหัวขวานยุคหินใหม่มักทำจากเนไฟรต์ เพชรซึ่งเป็นอัญมณีธรรมชาติที่แข็งที่สุด ยังแยกออกได้เมื่อถูกกระแทกแรง มันมีแนวแตกเรียบสมบูรณ์สี่ทิศทาง ขนานกับหน้าทรงแปดหน้ารูปสามเหลี่ยม โทแพซมีแนวแตกเรียบสมบูรณ์หนึ่งทิศทาง และคุนไซต์มีสองทิศทาง เมื่อไม่มีแนวแตกเรียบ พลอยจะแตกแบบ รอยแตก ควอตซ์และแก้วแสดงรอยแตกโค้งคล้ายเปลือกหอย

ความเสถียร คือการต้านความร้อน แสงและสารเคมี โอปอลมีน้ำอยู่ถึง 20% คุนไซต์บางเม็ดซีดจางในแสงจัด และไข่มุกถูกกรดกัดกร่อน

ความถ่วงจำเพาะ (SG) เปรียบเทียบน้ำหนักของอัญมณีกับน้ำหนักของน้ำที่มีปริมาตรเท่ากัน GIA ให้ค่าเพชรไว้ที่ 3.52 (บวกลบ 0.01) คิวบิกเซอร์โคเนียหนาแน่นกว่ามาก คิวบิกเซอร์โคเนียหนึ่งกะรัตจึงเล็กกว่าเพชรหนึ่งกะรัตอย่างเห็นได้ชัด นักอัญมณีศาสตร์วัดความถ่วงจำเพาะด้วยการชั่งพลอยในอากาศแล้วชั่งในน้ำ หรือประมาณค่าโดยดูว่าพลอยจมหรือลอยในของเหลวที่ทราบความหนาแน่น

ดรรชนีหักเห (RI) บอกว่าแสงหน่วงและหักเหมากเพียงใดเมื่อเข้าสู่อัญมณี ควอตซ์อ่านได้ราว 1.54 คอรันดัม 1.762 ถึง 1.770 และเพชร 2.42 พลอยนอกระบบลูกบาศก์ หักเหสองแนว คือแยกแสงออกเป็นสองลำที่มีดรรชนีต่างกัน ผลต่างระหว่างทั้งสองคือ ค่าการหักเหสองแนว ค่าการหักเหสองแนวของเพริดอตที่ 0.035 ถึง 0.038 มากพอที่จะมองเห็นเหลี่ยมก้นพลอยซ้อนกันสองชั้นเมื่อมองผ่านด้านบน

การกระจายแสง คือการผันแปรของดรรชนีหักเหตามความยาวคลื่น ซึ่งแยกแสงขาวออกเป็นสีสเปกตรัมที่เห็นเป็นไฟ แผนภูมินี้ใช้ธรรมเนียม B ถึง G ทางอัญมณีศาสตร์ คือผลต่างของดรรชนีหักเหระหว่างเส้นฟรอนโฮเฟอร์สองเส้น เส้นหนึ่งในช่วงสีแดงและอีกเส้นในช่วงสีม่วง โดยทั่วไปอ้างค่าเพชรไว้ที่ 0.044 ส่วนมอยส์ซาไนต์สังเคราะห์ที่ GIA วัดได้ 0.104 นั้นสูงกว่ามาก

ความวาว อธิบายคุณภาพของแสงที่สะท้อนจากผิวอัญมณี ขึ้นอยู่กับดรรชนีหักเหและความสามารถในการรับการขัดเงาของผิว เพชรมีความวาว แบบเพชร (adamantine) ซึ่งเป็นแบบที่สว่างที่สุดในบรรดาแบบสามัญ อัญมณีส่วนใหญ่ตั้งแต่ควอตซ์ถึงคอรันดัมมีความวาว แบบแก้ว คำมาตรฐานอื่นได้แก่ แบบยางไม้ สำหรับอำพัน แบบขี้ผึ้ง สำหรับเทอร์คอยส์ แบบมุก สำหรับไข่มุกและผิวแนวแตกเรียบบางแบบ และ แบบไหม สำหรับวัสดุเนื้อเส้นใย

ความโปร่งใส ไล่จากโปร่งใส ผ่านโปร่งแสง ไปจนถึงทึบแสง ขึ้นอยู่กับตัววัสดุเอง กับมลทินที่กระเจิงแสง และกับความหนา และในอัญมณีบางชนิดมันเป็นตัวขับเคลื่อนมูลค่า เจไดต์คุณภาพดีเป็นที่นิยมเพราะความโปร่งแสงที่ดูเรืองรอง

พลีโอโครอิซึม คือการเปลี่ยนสีพื้นตามทิศทางที่มอง เกิดเฉพาะในผลึกที่หักเหสองแนว ซึ่งดูดกลืนแสงต่างกันไปตามทิศทางทางแสง ผลึกระบบเตตระโกนัล เฮกซะโกนัลและไทรโกนัลแสดงได้สองสี (ไดโครอิซึม) ส่วนผลึกออร์โทรอมบิก โมโนคลินิกและไตรคลินิกแสดงได้สามสี (ไทรโครอิซึม) วัสดุระบบลูกบาศก์และอสัณฐานไม่แสดงเลย แทนซาไนต์มีพลีโอโครอิซึมสูงและแสดงสามสีต่างกันเมื่อหมุนผลึก ช่างเจียระไนจึงวางแนวพลอยก้อนให้สีที่ดีที่สุดหันขึ้นผ่านหน้าโต๊ะ

นักอัญมณีศาสตร์อธิบายสีด้วยสามคุณลักษณะ เฉดสี คือสีพื้นฐาน เช่น แดง น้ำเงินหรือเขียว รวมถึงสีที่มาปรับแต่ง โทน คือความอ่อนหรือเข้มของสีที่ปรากฏ ความอิ่มตัว คือความเข้มข้นของสี ตั้งแต่อมเทาหรืออมน้ำตาลไปจนถึงสดใส

สีเกิดขึ้นเมื่ออัญมณีดูดกลืนความยาวคลื่นที่มองเห็นได้บางส่วนและส่งผ่านหรือสะท้อนส่วนที่เหลือ ในอัญมณี อิดิโอโครมาติก ธาตุที่ให้สีเป็นองค์ประกอบหลัก เช่นทองแดงในเทอร์คอยส์และมาลาไคต์ อัญมณีส่วนใหญ่เป็น อัลโลโครมาติก คือไร้สีเมื่อบริสุทธิ์ และได้สีจาก โครโมฟอร์ ปริมาณร่องรอย การสำรวจคอรันดัมของ GIA ระบุโครโมฟอร์ไว้หกชนิด รวมถึง Cr³⁺, Fe³⁺, V³⁺ คู่ Fe²⁺ กับ Ti⁴⁺ และคู่หลุมประจุที่ถูกกักสองคู่ซึ่งให้สีส้มและเหลือง สีแดงในทับทิมต้องใช้ Cr³⁺ หลายร้อยถึงไม่กี่พันส่วนในล้านส่วน ส่วนไพลินมาจาก การถ่ายโอนประจุระหว่างเวเลนซ์ คืออิเล็กตรอนเคลื่อนจาก Fe²⁺ ไปยัง Ti⁴⁺ ภายใต้แสงแล้วย้อนกลับ

ศูนย์สี คือความบกพร่องของโครงผลึกที่กักอิเล็กตรอนไว้หรือทิ้งช่องว่างอิเล็กตรอนไว้ โดยทั่วไปหลังได้รับรังสี ควอตซ์สีควันต้องมีอะลูมิเนียมเข้าแทนที่ซิลิคอน ซึ่งมีอยู่ในควอตซ์ส่วนใหญ่ที่ระดับหลายร้อย ppm ก่อนที่รังสีจะสร้างศูนย์หลุมประจุสีน้ำตาลดำได้ อเมทิสต์เป็นศูนย์สีลักษณะเดียวกันที่สร้างขึ้นบนเหล็ก การเผาควอตซ์สีควันที่ราว 400°C จะปล่อยประจุที่ถูกกักและทำให้กลับไร้สี

การเรืองแสง คือแสงที่มองเห็นได้ซึ่งอัญมณีเปล่งออกมาขณะได้รับรังสีพลังงานสูงกว่า โดยทั่วไปคือแสงอัลตราไวโอเลต (UV) การเรืองแสงค้าง คือแสงเรืองที่ยังคงอยู่หลังปิดแหล่งรังสีแล้ว นักอัญมณีศาสตร์ทดสอบทั้งสองอย่างด้วยหลอด UV คลื่นยาว (365 nm) และคลื่นสั้น (254 nm) แล้วบันทึกสีและความแรงของการตอบสนอง

GIA รายงานว่าเพชรธรรมชาติไร้สีถึงเหลืองจางราว 35% เรืองแสงใต้ UV คลื่นยาว และ 97% ของการตอบสนองเหล่านั้นเป็นสีน้ำเงิน ซึ่งเปล่งออกมาจากความบกพร่อง N3 โครเมียมทำให้ทับทิมเรืองแสงสีแดง เหล็กเป็นตัวระงับที่พบบ่อยในพลอยสี ทับทิมที่มีเหล็กต่ำจากแหล่งหินอ่อนอย่างในเมียนมาจึงเรืองแสงแรง

การเรืองแสงค้างพบน้อยกว่าและมักให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์ เพชร type IIb ที่มีโบรอนแทบจะเรืองแสงค้างเสมอ ทั้งสีน้ำเงินหรือแดง ใต้ UV คลื่นลึก และแสงเรืองสีแดงของเพชร Hope อยู่ได้นานหลายนาที เพชรสังเคราะห์ที่ปลูกด้วยวิธี HPHT ราว 90% เรืองแสงสีเหลืองหรือเหลืองอมเขียวต่อ UV คลื่นสั้น แล้วให้การเรืองแสงค้างที่แรงและยาวนานซึ่งเชื่อมโยงกับโบรอน ทำให้การทดสอบนี้เป็นเบาะแสคัดกรองที่มีประโยชน์ การตอบสนองของวัสดุต่างชนิดทับซ้อนกันได้ การเรืองแสงจึงสนับสนุนการระบุชนิดมากกว่าจะพิสูจน์

อัญมณี ที่มีปรากฏการณ์ แสดงผลทางแสงที่เกิดจากโครงสร้างภายในหรือมลทิน มากกว่าจากสีพื้นเพียงอย่างเดียว ส่วนใหญ่เจียระไน แบบหลังเบี้ย คือเป็นโดมเรียบไม่มีเหลี่ยม ซึ่งช่วยรวมปรากฏการณ์ให้เด่นขึ้น

ปรากฏการณ์ตาแมว คือแถบแสงสว่างแถบเดียวที่สะท้อนจากเข็ม เส้นใยหรือท่อกลวงขนานกันจำนวนมาก แถบนี้เลื่อนไปบนผิวโดมเมื่อขยับพลอย คริโซเบริลตาแมวเป็นตัวอย่างคลาสสิก ปรากฏการณ์สตาร์ คือการสะท้อนแบบเดียวกันจากชุดเข็มสองหรือสามชุดที่ตัดกัน ซึ่งทำให้เกิดดาว ในคอรันดัมเข็มเหล่านี้มักเป็นรูไทล์ และ GIA ระบุว่ามีสี่ หกหรือบางครั้งสิบสองแฉก โดยหกแฉกเป็นกรณีที่พบทั่วไป

การเล่นสี ในโอปอลมีค่าคือการเลี้ยวเบนของแสง ทรงกลมซิลิกาขนาดสม่ำเสมอที่เรียงซ้อนกันเป็นระเบียบและทำตัวเป็นผลึกโฟโตนิกสามมิติ แยกแสงขาวออกเป็นหย่อมสีสเปกตรัมบริสุทธิ์ที่เปลี่ยนไปตามมุมมอง ทรงกลมเล็กกว่าให้สีน้ำเงินและม่วง ทรงกลมใหญ่กว่าให้สีแดง ส้มและเขียว อะดูลาเรสเซนซ์ คือเหลือบขาวอมน้ำเงินนุ่มลอยของมูนสโตน ซึ่งสร้างขึ้นจากชั้นเฟลด์สปาร์ออร์โทเคลสและแอลไบต์สลับกัน แสงกระเจิงระหว่างชั้นระดับจุลทรรศน์เหล่านี้แล้วแทรกสอดกัน ยิ่งชั้นบางและสม่ำเสมอ ปรากฏการณ์ยิ่งแรง

ลาบราโดเรสเซนซ์ คือประกายกว้างสีน้ำเงิน เขียว ทองหรือส้มที่กวาดผ่านลาบราโดไรต์เมื่อเอียงพลอย เมื่อเย็นตัวช้า เฟลด์สปาร์จะแยกออกเป็นแผ่นบางสลับกัน และแสงที่สะท้อนจากชั้นต่อเนื่องกันเกิดการแทรกสอด สีที่ได้เป็นไปตามการเลี้ยวเบนแบบแบรกก์บนชั้นซ้อนนั้น ในลาบราโดไรต์เม็ดหนึ่งที่แสดงลาบราโดเรสเซนซ์สีเหลือง แผ่นที่หนากว่ามีความหนาเฉลี่ย 129 nm และแผ่นที่บางกว่าราว 64 nm เป็นคาบซ้ำ 193 nm ซึ่งให้การสะท้อนใกล้ 597 nm

อะเวนเจอเรสเซนซ์ คือประกายระยิบที่เกิดจากแผ่นเกล็ดสะท้อนแสงขนาดเล็ก ในเฟลด์สปาร์ซันสโตน แผ่นเกล็ดเหล่านี้คือทองแดงโลหะหรือเหล็กออกไซด์อย่างฮีมาไทต์ ส่วนอะเวนจูรีนควอตซ์ได้ประกายจากแผ่นเกล็ดไมกา

การเปลี่ยนสี คือการเปลี่ยนเฉดสีที่ปรากฏระหว่างแสงกลางวันกับแสงหลอดไส้ อเล็กซานไดรต์มีแถบการดูดกลืนใกล้ 580 nm และส่งผ่านทั้งสีเขียวและสีแดง จึงอ่านได้เป็นเขียวถึงเขียวอมน้ำเงินในแสงกลางวัน และแดงถึงแดงอมม่วงใต้แสงหลอด แซปไฟร์ การ์เนตและสปิเนลบางเม็ดแสดงปรากฏการณ์นี้ในระดับที่อ่อนกว่า และวาเนเดียมทำให้เกิดขึ้นในคอรันดัมได้

การเหลือบสี คือสีเชิงโครงสร้างที่เกิดจากการแทรกสอดของแสงที่สะท้อนหรือเลี้ยวเบนจากโครงสร้างระดับต่ำกว่าไมครอน พบในไฟร์อาเกต ในผิว โอเรียนต์ ของไข่มุกคุณภาพดี และตามรอยแตกบางที่มีอากาศแทรกในควอตซ์

มลทิน คือผลึก ของเหลว รอยแตกและร่องรอยการเติบโตที่ถูกกักอยู่ในอัญมณี มีพลอยน้อยเม็ดที่ไม่มีมลทิน และการเรียงตัวของมลทินในพลอยแต่ละเม็ดถือว่าไม่ซ้ำกัน มลทินยังบันทึกว่าพลอยเจ้าบ้านเติบโตอย่างไรและที่ใด นักอัญมณีศาสตร์จึงอ่านมันเพื่อแยกวัสดุธรรมชาติออกจากสังเคราะห์ ตรวจหาการปรับปรุงคุณภาพ และบ่งชี้แหล่งกำเนิดทางภูมิศาสตร์

ไหม คือร่างแหของเข็มรูไทล์ละเอียดในคอรันดัม มันทำให้สีนุ่มลง ทำให้เกิดดาวได้ และเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อพลอยถูกเผา จึงเป็นเบาะแสสำคัญในการตรวจหาการเผา เข็ม คือผลึกเดี่ยวยาวเรียวหรือท่อ ขนนก คือรอยแตกที่ตั้งชื่อตามลักษณะคล้ายขนนก ขนนกที่เปิดถึงผิวในเพชรคือช่องที่สารอุดเข้าไปใช้ประโยชน์ รอยร้าวและมลทินอันเป็นเอกลักษณ์ของมรกตเรียกว่า ฌาร์แด็ง (jardin) ซึ่งภาษาฝรั่งเศสแปลว่าสวน และผู้ค้าคาดหวังว่าจะพบมัน

มลทินบางอย่างชี้ไปยังแหล่งกำเนิด มรกตโคลอมเบียมักมี มลทินสามสถานะ ได้แก่ โพรงขอบหยักที่บรรจุของเหลวเค็ม ฟองแก๊ส และลูกบาศก์เฮไลต์ (เกลือหิน) ขนาดจิ๋ว ซึ่งถูกกักมาจากน้ำเกลือร้อนที่ตกตะกอนเป็นมรกต การ์เนตเดมันทอยด์ โดยเฉพาะจากเทือกเขาอูราลของรัสเซีย อาจมี หางม้า คือช่อเส้นใยโค้งที่แผ่ออกจากผลึกขนาดจิ๋ว GIA นับว่ามันเป็นหนึ่งในลักษณะภายในไม่กี่อย่างที่เพิ่มมูลค่าให้อัญมณี

เพชรเป็นคาร์บอนเกือบบริสุทธิ์ แต่ไนโตรเจนและโบรอนปริมาณร่องรอยเปลี่ยนสี การเรืองแสงและพฤติกรรมทางไฟฟ้าของมัน นักวิทยาศาสตร์แบ่งเพชรออกเป็น ไทป์ ตามสารเจือปนเหล่านี้ โดยวัดด้วยฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์มอินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (FTIR) การดูดกลืนของไนโตรเจนอยู่ในช่วงหนึ่งโฟนอน ราว 1332 ถึง 400 cm⁻¹

เพชร type I มีไนโตรเจนที่ FTIR วัดได้ ใน type Ia ซึ่งครอบคลุมเพชรธรรมชาติมากกว่า 95% ไนโตรเจนเคลื่อนตัวในช่วงเวลาทางธรณีวิทยาไปอยู่เป็นคู่ติดกัน (กลุ่ม A หรือ IaA) หรือรวมเป็นกลุ่มสี่อะตอมรอบช่องว่าง (กลุ่ม B หรือ IaB) ใน type Ib ไนโตรเจนอยู่เป็นอะตอมเดี่ยวแยกกัน เพชร Ib ธรรมชาติแทบทุกเม็ดเป็นสีน้ำตาล เหลืองหรือส้ม และพบน้อยมาก ในทางกลับกัน เพชรสังเคราะห์ที่ปลูกด้วยวิธี HPHT ส่วนใหญ่เป็น type Ib

เพชร type II ไม่มีไนโตรเจนที่ FTIR ตรวจพบได้ และพบน้อยมากในธรรมชาติเช่นกัน เพชร type IIa มักไร้สีเป็นพิเศษ และเพชรอัญมณีเม็ดใหญ่ที่สุด คือพลอยแบบ Cullinan ที่ก่อตัวลึกลงไป 360 ถึง 750 km มักจัดเป็น IIa เสมอ เพชร type IIb มีโบรอน ซึ่งให้สีน้ำเงินหรือเทาและทำให้นำไฟฟ้าได้ ไทป์มีความสำคัญในทางปฏิบัติ IIa เป็นไทป์ปกติของเพชรที่ปลูกด้วยวิธี CVD และเป็นไทป์ที่การปรับปรุงคุณภาพด้วย HPHT ลดสีได้ พลอย IIa จึงถูกส่งไปตรวจที่ห้องปฏิบัติการเป็นประจำ