اسپکتروسکوپ گوهرشناسی و طیف جذبی گوهرسنگ

طیف سنج یا اسپکتروسکوپ گوهرشناسی

اسپکتروسکوپ گوهرشناسی یا طیف سنج از ابزارهای مهم در شناخت گوهرها و سنگهای قیمتی است. قبلا به اهمیت اسپکتروسکوپ در شناسایی گوهرها توجه نمی شد ولی از هنگامی که الماسهای مصنوعی تولید و وارد بازار شد، اهمیت اسپکتروسکوپ برای شناسایی الماسهای مصنوعی و طبیعی آشکار گشت. این روش برای شناسایی گوهرهای با ضریب شکست خیلی بالا مثل الماس و گارنتها و یا گوهرهای صیقل نخورده و فاقد سطوح صاف برش خورده (دارای تراش کابوشن) که انکسارسنج یا رفرکتومتر قادر به شناسایی آنها نیست، بسیار مفید است.

اسپکتروسکوپ گوهرشناسی وسیله برای تجزیه نور عبوری از گوهر مورد استفاده قرار می گیرد. و برای گوهرهای نصب شده و کدر، مجزا و خام نیز مورد استفاده قرار می گیرد. اسپکتروسکوپ گوهرشناسی برای گوهرهایی استفاده می شود که رفرکتومتر به دلیل تراش ضعیف، ضریب شکست بالا یا گنبدی شکل بودن نمی تواند ضریب شکست آنرا اندازه گیری کند.

انواع اسپکتروسکوپ گوهرشناسی (طیف سنج)

اسپکتروسکوپ ها (طیف سنج) به دو گروه بزرگ اسپکتروسکوپهای طیف نشری و اسپکتروسکوپهای طیف جذبی تقسیم می شوند. در روش طیف نشری، کانی یا گوهر توسط یک قوس الکتریکی به حالت بخارا در می آید. در حالت برانگیخته (بخار) اتمهای عناصر موجود، نوری با طول موج مشخص گسیل می کنند که برای هر عنصر طیف معینی ایجاد می شود. این روش استفاده کمی در گوهرشناسی دارد زیرا در این روش، نمونه مورد آزمایش تخریب می گردد. در هر حال با تجزیه و تحلیل نور گسیل شده از گوهرها می توان به شناسایی آنها اقدام نمود. در روش طیف جذبی بر اساس طیفهای جذب شده از نور سفید توسط نمونه ها اقدام به شناسایی گوهرها می نمایند.

نحوه کار با اسپکتروسکوپ گوهرشناسی

قبل از بکارگیری اسپکتروسکوپ نوری قوی بکاربرده و از طرف چشمی بدرون آن نگاه کنید. در این حالت باید طیف کامل رنگین کمانی را از قرمز در یک انتها تا بنفش در انتهای دیگر مشاهده کنید (در هفت رنگ). وقتی که از چشمی اسپکتروسکوپ به داخل آن نگاه شود، رنگین کمانی از نگهای قرمز تا بنفش در درون اسپکتروسکوپ مشاهده خواهد شد. هنگامی که گوهر بین نور سفید و اسپکتروسکوپ قرار می گیرد نور سفید پس از عبور از گوهر و منشورها به طیفهای تشکیل دهنده خود تجزیه می گردد لذا طیفی از رنگهای قرمز تا بنفش در اسپکتروسکوپ مشاهده می شود.

در نوع پراش شبکه ای، طیف رنگ ها با فاصله یکسانی قرار دارند. اما در نوع منشوری فواصل طیفی یکسان نبوده و در طرف آبی – بنفش فاصله بیشتری دارند. با دید از درون گوهر خطوط یا نوارهای سیاهی ظاهر می شود که مربوط به جذب طول موج در آن گوهر خاص است. نخست گوهری مانند دمانتوئید را بر روی اسپکتروسکوپ آزمایش کنید. دو خط قوی یکی در انتهای بنفش 440nm  و دیگری در انتهای قرمز نزدیک به 700nm مشاهده خواهید کرد. در بقيه طيف رنگ های زیبایی را خواهید دید.

نکاتی که باید حین کار با اسپکتروسکوپ گوهرشناسی (طیف سنج) رعایت کنید:

• 1- از داشتن یک منبع نور پر قدرت برای روشن کردن کامل گوهر اطمینان حاصل شود. از ورود نورهای اضافی به اسپکتروسکوپ جلوگیری کنید. فقط طیفهای عبوری یا انعکاسی از گوهر مورد آزمایش طیف سنجی گردد. بهتر است بکارگیری اسپکتروسکوپ در اتاق تاریک صورت پذیرد.
• ٢- اگر گوهر شفاف تا نیمه شفاف است آنرا بين نور و اسپکتروسکوپ قرار دهید. اگر گوهر کدر است (مانند فیروزه) از نور بازتابی استفاده کنید. برای گوهرهای تیره و سیاه از نور قوی Fiber Optic استفاده کنید.
• ٣- اگر خطوط مشاهده نشد شکاف تنظیم نور را تنظیم کنید آنرا بازتر یا تنگ تر کنید. اسپکتروسکوپ بدون این تنظیم کننده توصیه نمی شود.
• ۴- اسپکتروسکوپ گوهرشناسی باید ثابت باشد. اگر ثابت نباشد خطوط و طيف محو می شوند. بنابراین نوع ثابت آن توصیه می شود.
• ۵- هر گوهری باید از چندین جهت مورد طیف سنجی قرار گیرد چون ممکن است در برخی جهات، باندهای سیاه طیف جذبی واضح و مشخص نباشند. گوهر را از چند جهت آزمایش کنید. اگر باز هم خطوط مشخص ظاهر نشد، زاویه تابش نور را تغییر دهید.
• ۶- از نور دهی زیاد که باعث گرم شدن گوهر می شود احتراز کنید. گرم شدن علاوه بر اینکه به گوهر صدمه می زند باعث محو شدن خطوط طیفی نیز می شود.
• 7- انتظار انطباق کامل طیف با جداول استاندارد را نداشته باشید اگر نزدیک به آن بود کافی است.
• 8- در پاره ای از موارد با توجه به پیشترفت فناوری ساخت گوهرهای مصنوعی، گوهرهایی ساخته می شوند که طیف جذبی کاملا یکسانی با گوهرهای طبیعی دارند لذا روش اسپکتروسکوپی قادر به تشخیص این نوع گوهرها از گوهرهای طبیعی نیست.

برای شناسایی گوهرهای مختلف از همدیگر یا گوهرهای مصنوعی از طبیعی لازم است موقعیت نوارهای تیره ایجاد شده توسط نمونه مورد آزمایش، با طیفهای استاندارد تهیه شده برای گوهرهای مختلف مقایسه شود. در اسپکتروسکوپهای با سیستم پراش، فواصل باندهای رنگی تقریبا یکسان است در حالی که در انواع منشوری، باندهای قرمز و بنفش گسترده تر هستند و باندهای نارنجی و زرد فشرده تر می باشند.

در بالای باندهای طیفی، اعداد ۴۰۰۰ تا ۷۰۰۰ بر حسب نانومتر نوشته شده که طول موج طیفهای مرئی نور سفید را نشان می دهد. محل نوارهای سیاه در گوهرهای مختلف متفاوت است مثلا در دمانتوئید (گارنت سبز) که ضریب شکست بالایی نیز دارد، در حد فاصل ۴۴۰۰ تا ۴۴۵۰ نانومتر باند سیاه مشاهده می شود و نشانگر جذب طیف با این طول موج توسط دمانتوئید است.

چند نمونه از بکارگیری نتایج اسپکتروسکوپی (اسپکتروسکوپ گوهرشناسی) در تشخیص گوهر سنگها

• الکساندریت:

  الكسانریت طبیعی و ساختگی هردو یک زوج خط تیره در ناحيه قرمز در 680 و 678 ارائه می دهند. یک دابلت ضعیف دیگر ممکن است در 650 و 640 داشته باشند. هیچکدام از گروه های کروندوم و اسپینل که تغییر رنگ می دهند و مشابه الکساندریت هستند، این خطوط را ندارند.

• الماس با رنگ های فانتزی:

• دیدن خطوط در الماس ها بسیار مشکل است مگر اینکه سرد شوند. با یخ خشک آنرا سرد و معمولا الماس های بهسازی شده خطوط بیشتری را به نمایش می گذارند و اگر بخش قرمز خاکستری یا سیاه به نظر برسد، مشکوک به بهسازی است. توجه: اگر خط 592 مشاهده شد، دلیل مثبتی بر بهسازی الماس است. اگر نبود خط 498 و 504 را نگاه کنید هر دو در الماس های طبیعی ظاهر می شوند. اما در نوع بهسازی شده 498 قوی تر است.

• سفایر آبی:

• تمام سفایرهای آبی طبیعی خطی در منطقه بنفش طیف در 450 نشان می دهند که با عمیق تر شدن رنگ سفایر بارزتر می شود. سفایرهای آبی ساختگی به همراه اسپینل آبی ، تانزانیت و شیشه این خط را نمایش نمی دهند. اخيرا سفایر ساختگی Chatham وارد بازار شده که این خط را نشان نمی دهد.

• گارنت دمانتوئید:

• اندیس شکست دمانتوئید بالا است بطوریکه شکست سنج چیزی را نشان نمی دهد. بنابراین اسپکتروسکوپ برای تشخیص آن بسیار مؤثر است. گوهر سبز عمیق یک زوج خط در انتهای قرمز در حدود 700 همراه با احتمالا یک زوج ضعيف در قرمز نارنجی در حدود 625 و 645 به نمایش می گذارد. گوهر سبز زرد یک باند قوی در منطقه بنفش در 440 به نمایش می گذارد.

• جیدیت سبز طبیعی:

  یک مجموعه سه خطی در 685، 660، 630 به ترتیب شدت از بیشتر به کمتر ارائه می دهد. این طرح در جیدیت سبز رنگ شده با مواد دیگر رنگ شده مشابه دیده نمی شود.

  

در سال‌های اخیر خرید و فروش سنگ‌های قیمتی افزایش یافته است. تعیین منشا و اصالت سنگ‌ها، وجود ناخالصی‌ها، اصلی و تقلبی بودن این گوهرها، از عواملی است که در قیمت آن تاثیرگذار است. به همین علت تقلب در این صنعت بسیار زیاد است. گاهی موارد حتی تجزیه و تحلیل کامل یک سنگ قیمتی توسط یک گوهرشناس کار بسیار دشواری است و می‌توان گفت که بدون ابزارهای گوهرشناسی تقریبا تمییز یک سنگ قیمتی اصل از تقلبی ناممکن است. این حساسیت‌ها در مورد الماس بیشتر هم می‌شود.

زیرا تشخیص الماس بهسازی و طبیعی به مراتب پیچیده‌تر است. طیف‌سنجی یک روش ایده‌آل برای بررسی گوهر‌ها است. در روش‌های طیف‌ سنج مانند طیف‌سنجی رامان، طیف‌ سنج جذبی و فلورسانس، نمونه نیازی به آماده‌سازی ندارد. یکی دیگر از مهم‌ترین ویژگی‌‌های طیف‌ سنج این است که آنالیزها غیر مخرب هستند و آسیبی به نمونه وارد نمی‌کنند. همچنین این اندازه‌گیری‌ها با سرعت بالایی انجام می‌گیرد. همین ویژگی‌ها سبب شد تا طیف‌ سنج به یک عضو جدانشدنی در گوهرشناسی تبدیل شود.

کاربرد طیف‌ سنج رامان در گوهرشناسی

همان طور که پیش‌تر نیز گفتیم در طی شناسایی و آنالیز، سنگ‌ها نباید آسیب ببیند. این درواقع محدودیتی‌ است که گوهرشناسان با آن روبرو هستند و نمی‌توانند از بسیاری از تکنیک‌‌های در دسترس برای تجزیه و تحلیل نمونه‌ها استفاده کنند. رامان اسپکتروسکوپ یا طیف‌ سنج رامان روشی است که در این زمینه بسیار کارآمد است. برخی از کاربردهای این روش را در زیر بررسی می‌کنیم.

شناسایی سنگ‌ های قیمتی

با توجه به این که طیف رامان هر ماده منحصر به فرد است؛ ازطیف‌ سنج رامان می‌توان برای شناسایی انواع سنگ‌های قیمتی مانند الماس، زمرد، یاقوت، آکوامارین و حتی مروارید استفاده کرد.

تعیین ترکیبات سنگ‌ ها

یکی از مهم‌ترین کاربردهای طیف‌ سنج رامان در گوهرشناسی تعیین ترکیبات سنگ‌ها به ویژه گارنت است.

تعیین مبدا و منشا سنگ‌ های قیمتی

همان طور که می‌دانید منشا (origin) گوهر‌ها حائز اهمیت است. رامان اسپکتروسکوپی امکان تعیین منشا سنگ‌های قیمتی را فراهم می‌کند.

تمییز سنگ‌ های تقلبی و اصلی

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های گوهرشناسی، شناسایی سنگ‌های تقلبی است. فیروزه یکی از گوهر سنگ‌هایی است که شرایط بسیار خاصی برای شکل‌گیری آن لازم است. بنابراین کمیاب و گران است. فیروزه با کیفیت می‌تواند از الماس نیز گران‌تر باشد. بنابراین برخی از افراد سودجو فیروزه تقلبی می‌سازند و آن را به قیمت گزاف به فروش می‌رسانند. خوشبختانه طیف رامان فیروزه طبیعی و مصنوعی کاملا متفاوت است. بنابراین به راحتی و در کوتاه‌ترین زمان ممکن می‌توان سنگ‌های تقلبی و اصلی را تفکیک کرد.

تشخیص بهسازی حرارتی در سنگ‌ های رنگی

بهسازی حرارتی یکی از روش‌هایی است که برای بهبود رنگ سنگ‌های قیمتی، حذف ناخالصی‌ها و در کل بهبود به کیفیت گو‌هرها مورد استفاده قرار می‌گیرد. طیف‌ سنج رامان می‌تواند این فرآیند را تشخیص دهد. شکل ۶ تاثیر حرارت بر طیف رامان یک اسپینل را نشان می‌دهد. به این روش می‌توان بهسازی حرارتی بسیاری از سنگ‌ها از جمله الماس، توپاز، یاقوت و … را شناسایی کرد.

تشخیص مروارید تقلبی و اصلی

رامان روش مناسبی برای شناسایی مرواریدهای اصلی و تقلبی است.

از طرف دیگر مرواریدهای سیاه رنگ طبیعی، بسیار کمیاب‌تر از مرواریدهای سفید رنگ هستند. این امر منجر به ارزش بالای این گوهرها می شود. با توجه به این موضوع بهسازی مروارید چندین دهه است که انجام می‌شود. به این صورت که مرواریدها را در نیترات نقره غوطه‌ور می‌کنند تا رنگ آن به سیاه تغییر کند. سال‌هاست که گوهرشناسان با این موضوع روبرو هستند. با این حال طیف‌سنج رامان می‌تواند به راحتی این بهسازی را تشخیص دهد.

بررسی گوهرهای موجود در جواهرات و مجسمه‌ها در محل با رامان پرتابل

همان طور که می‌دانید برخی از اشیا و جواهرات ارزشمند دارای سنگ‌های قیمتی هستند که در موزه‌ها نگهداری می‌شوند. به همین دلیل نمی‌توان این اشیا را از محل خود خارج کرد. در این موارد طیف‌سنجی رامان می‌تواند این مشکلات را حل کند. شما می‌توانید به وسیله رامان پرتابل از راه دور سنگ‌های موجود در جواهرات را شناسایی و آنالیز کنید.

کاربرد طیف‌ سنجی Uv-Vis (اسپکتروسکوپ گوهرشناسی) در گوهرشناسی

در طیف‌ سنج مرئی-فرابنفش یا اسپکتروفتومتری بخش‌هایی از نور تابشی جذب ماده می‌شود. اگر این نوارهای جذبی به صورت نمودار رسم شوند، می‌توانند برای شناسایی مواد مورد استفاده قرار گیرند. جذب و عبور نور از گوهرها با ترکیبات شیمیایی و ساختار کریستالی آن‌ها مرتبط است. کاربرد طیف‌سنجی UV-Vis در گوهرشناسی سابقه طولانی دارد. این اسپکتروفتومتر در مقایسه با سایز تجهیزات بسیار کارامدتر است. زیرا به آماده‌سازی نمونه نیازی ندارد، غیر مخرب است و در کوتاه‌ترین زمان ممکن نتایج را ارائه می‌دهد.

تفکیک الماس های طبیعی و مصنوعی

همان طور که می‌دانید یکی از مشخصه‌های شناخت الماس طبیعی وجود اتم نیتروژن در ساختار شبکه‌ آن است. بنابراین شناسایی آن برای گوهر شناسان حائز اهمیت است. یکی از تکنیک‌هایی که می‌تواند این کار را انجام دهد، طیف‌سنجی جذبی یا طیف‌سنجی UV-Vis است. اتم‌های نیتروژن طیف جذبی خاصی دارند که از طیف جذبی کربن متفاوت است. بنابراین از روی طیف جذب می توانیم به نقص شبکه پی برد و الماس طبیعی را از نوع مصنوعی و بهسازی تفکیک کرد.

تشخیص مبدا سنگ‌ های قیمتی

سنگ‌های هر منطقه ویژگی‌ و ترکیبات خاص خود را دارند. به همین دلیل می‌توان از روی طیف جذبی ‌آن‌ها مبدا و منشا سنگ‌ها را به دست آورد. به عنوان مثال طیف جذبی یاقوت کبود دگرگونی از سریلانکا با طیف جذبی یاقوتی که از کشور استرالیا استخراج می شود، متفاوت است.

کاربرد طیف‌ سنجی فلورسانس در گوهرشناسی

گوهرشناسان به دنبال روش‌های دقیق، سریع و ساده برای شناسایی سنگ‌های قیمتی هستند. متأسفانه، پیشرفت‌های فنی در سنتز و بهسازی سنگ‌های قیمتی، پیچیدگی شناسایی آن‌ها را بالا می برد. طیف‌سنجی فلورسانس یکی از روش‌هایی که گوهرشناسان به وفور از آن استفاده می‌کنند. در ادامه کاربردهای این طیف‌سنجی را با هم بررسی می‌کنیم.

جداسازی الماس‌های مصنوعی، طبیعی و بهسازی

یکی از چالش‌های مهمی که گوهرشناسان با آن مواجه هستند، تفکیک الماس طبیعی از الماس‌های مصنوعی است. اخیرا فرآیند بهسازی برای تولید طیف وسیعی از الماس‌های رنگی بسیار رواج پیدا کرده است. بنابراین جامعه گوهر‌شناسی به یک روش مطمئن، سریع و غیر مخرب نیاز دارند تا بتوانند در مدت زمان کمتری نتایج قابل استنادی ارائه دهند. طیف سنجی PL (Photoluminescence) و طیف‌سنجی فلورسانس یکی از روش‌هایی است که به کمک آن می‌توان این سه دسته الماس (طبیعی، CVD و بهسازی) را از هم جدا کرد

تفکیک انواع الماس‌های بهسازی

احتمالا می‌دانید که بر روی یک الماس می‌توان فرآیند‌های مختلف بهسازی را اعمال کرد. از بهسازی‌ ترکیبی معمولا برای تولید الماسی با رنگ خاص مانند صورتی استفاده می‌کنند. اما ترکیبی از این بهسازی‌ها را میشود برای بهسازی‌های قبلی و طبیعی‌تر جلوه دادن الماس به کار برد. اینجاست که کار گوهرشناسان دشوارتر نیز می‌شود. خوشبختانه به کمک طیف‌سنجی PL می‌توان این روش‌های ترکیبی بهسازی را شناسایی کرد.

منبع : سایت تکسان و سنگ شناس