Кристаллы. Связи между атомами и молекулами в твердых телах. История изучения электричества Электрические тела такие как алмаз

Красота драгоценных камней пленяет. Особенно ценятся экземпляры, обладающие наиболее чистым и ярким цветом. В частности, изумруд должен быть зеленым, сапфир - пронзительно-синим, а рубин - насыщенно-красным. Но цвет драгоценностей обусловлен чаще всего не их собственной кристаллической решеткой, а наличием примесей. Они могут придать сапфиру зеленый цвет, а изумруду - синеватый или желтоватый.

Химическая формула сапфира очень проста: Al2O3 (оксид алюминия). Данный минерал используется в электронной промышленности благодаря особым полупроводниковым свойствам. В чистом виде он бесцветный и полупрозрачный и носит название "лейкосапфир", так как с греческого слово "leukos" переводится как "белый". Его выращивают искусственно в промышленных целях, поскольку в природе эти кристаллы почти всегда имеют примеси. Их содержание в драгоценных камнях измеряется в массовых процентах, отражающих соотношение примеси к массе "чистого" камня.

Синий цвет придают железо и титан, а ванадий вносит фиолетовый оттенок. Больше всего ценятся и довольно редко встречаются камни ярко-синего, василькового цвета. Их месторождения расположены в основном на Шри-Ланке. Большое количество железа придает сапфиру зеленоватый цвет. Корунды, содержащие много оксида железа, становятся желтоватыми.

Удивительно, но кристаллическое строение рубинов такое же, как и у сапфиров! То есть это два разных названия для одного и того же камня. Различаются они лишь цветом. Принято считать рубинами только красные камни с пурпурным оттенком (его обеспечивает примесь хрома), но в ювелирных магазинах нередко можно встретить бирку с подписью "рубин", прикрепленный к изделию с розовым камнем. На самом деле правильно было бы писать "розовый сапфир", но не все ювелирные магазины так поступают. Серьезные компании используют цветовые координаты, с помощью которых можно описывать цвет камней. Именно координаты указывают на то, что называется сапфиром, а что рубином. В некоторых системах оценки цвета существуют свои эталоны.

Изумруд - зеленая разновидность берилла, содержащая хром. Сам берилл, так же, как и лейкосапфир, бесцветный. Но примесные элементы могут окрашивать его в различные цвета. Так, железо может окрашивать берилл в голубой или желтый, ванадий - в зеленый, марганец - в розовый. В изумруде содержание двуокиси хрома может доходить до 2-2,5%. Наличие других примесей в изумруде (железо, ванадий) может немного менять оттенок камня, а также указывать на его месторождение. Например, для уральских изумрудов характерно высокое содержание железа, а для колумбийских - примесь ванадия.

Царем драгоценных камней считается алмаз. Это не только ценнейший и красивейший драгоценный камень, но и сверхтвердый технический минерал, химически стойкий к агрессивным средам, это эталонный полупроводник для электроники, модельный объект для физики твердого тела, а также индикатор высоких давлений и температур в науках о Земле.

"Окраска алмаза чаще всего связана с примесями и дефектами структуры, возникающими в результате вхождения примесей. Самой главной примесью в алмазе является азот, придающий алмазу желтый оттенок. Этот элемент может входить в структуру драгоценного камня в виде одиночных атомов или их группировок. Алмазы, содержащие азот в форме группировок, составляют около 98% от всего алмазного сырья. Количество азота в таких камнях может доходить до 0,3% от атомов углерода, а в среднем оно составляет сотые доли атомных процентов. А вот в виде одиночных атомов в алмазах азот встречается редко. Зато такая форма азота придает камню яркий желтый, так называемый "фантазийный" цвет. Объемные дефекты в виде плоскостей вызывают коричневую окраску, а в ряде случаев - редкую розовую. Крайне дорогие и редкие голубые алмазы получаются благодаря примеси бора, " - поясняет Ирина Екименкова, научный сотрудник кафедры минералогии геологического факультета МГУ .

Алмазы, не содержащие примесей, раньше называли камнями "чистой воды". Считалось, что если положить алмаз в воду, то он будет незаметен. На самом деле показатели преломления света у воды и этого прекрасного минерала отличаются колоссально, и алмаз будет прекрасно виден.

История многих драгоценностей с алмазами, изумрудами и корундами насчитывает века. Менялись эпохи, общество, мировоззрение, но эти камни неизменно притягивали людей своей древней и загадочной красотой.

Электрические свойства

Диэлектрическая постоянная кристаллов алмаза составляет 16-16,5; удельное электрическое сопротивление его очень велико и равно в среднем 10 12 -10 14 Ом⋅см. При облучении отдельных кристаллов алмаза ультрафиолетовыми или другими лучами они начинают заметно проводить электричество - явление, известное под названием фотопроводимости. При трении о сукно алмаз электризуется положительным зарядом.

В зависимости от удельного электрического сопротивления алмазы типа II делятся на две группы - IIa и IIб. Алмазы последней группы имеют сравнительно низкое удельное сопротивление и обладают свойствами полупроводников. По содержанию примесей они наиболее чистые из всех встречающихся в природе, но редки. Такие алмазы, обычно голубого цвета, высоко ценятся.

Ведутся широкие исследования по использованию алмазов-полупроводников в электронной промышленности. Известно, что германий и кремний имеют сходную с углеродом кристаллическую решетку, но германий теряет полупроводниковые свойства при температуре выше 75 °С, кремний при температуре выше 150 °С, алмаз же сохраняет эти свойства до 600 °С.

Из обзора иностранной и отечественной литературы известно, что в лабораториях ряда стран ученые работают в области изменения электропроводимости алмазов . Например, в Иоханнесбургской лаборатории установлен специальный генератор (каскадный электронный ускоритель), на котором ведется бомбардировка алмазов электронами при максимальном напряжении 1400 кВ.

Изучалось также изменение электропроводимости полупроводниковых алмазов в зависимости от интенсивности и энергии облучения. Исследование производилось при облучении β-частицами с энергией 1,5 МэВ на циклотроне и ускорителе. Установлено, что изменение электропроводимости происходит пропорционально изменению температуры только до определенного предела - 600 °С. Выше этой температуры электропроводимость алмаза изменяется уже непропорционально изменению температуры.

Предположим, вы внезапно попали в ювелирный магазин и увидели потрясающее кольцо с бриллиантом. Кольцо-то на первый взгляд вроде бы хорошее, но насколько можно доверять магазину? Можно спросить сертификат на бриллиант. В большинстве российских ювелирных магазинов вам ответят, что по правилам торговли – бирка является единственным и достаточным сертификатом, удостоверяющим подлинность изделия. Где-нибудь в Европе или США такое утверждение звучит смешно и абсурдно, но не в России. При всем уважении к нашим местным ювелирам, как все-таки определить бриллиант перед вами или стекляшка? Определить характеристики бриллианта намного сложнее, поэтому мы даже не будем пытаться этого сделать. На первом этапе важно лишь узнать бриллиант это или что-то другое.

Как известно, чтобы провести любое, самое любительское исследование, необходимо формализовать результат. С другой стороны, можно воспользоваться скупкой золота , по крайней мере дороже Вашу драгоценность там точно не оценят, так что отталкиваться можно оттуда.

То есть нам необходимо знать наперед, какой результат исследования - что именно означает.

Для начала опровергнем всевозможные дурацкие легенды, чтобы не попадаться в ловушку людского невежества. Ниже вы найдете список рецептов, которые НЕ работают или опасны для вашего бриллианта, которые заведомо НЕЛЬЗЯ использовать, чтобы отличить бриллиант от не бриллианта.

Вариант №1. «Бриллиант чистой воды, будучи положен в стакан с водой – становится полностью невидимым. Если бриллиант невидим в воде, это настоящий, подлинный бриллиант». Ложь абсолютная и не имеющая никакой научной основы. Коэффициент преломления воды 1,333, коэффициент преломления алмаза (бриллианта) 2,419. Одно вещество может стать невидимым в другом веществе, только если коэффициенты преломления одинаковы или близки с точностью до одной, двух десятых долей. То есть, будь у бриллианта преломление
1,333, то эффект невидимости можно было бы ожидать. Но бриллиант и вода отличаются по преломлению почти в 2 раза. В воде бриллиант будет отлично виден при любых обстоятельствах.

Вариант №2. «Бриллиант самое твердое вещество на земле и он с легкостью поцарапает оконное стекло. Если провести бриллиантом по стеклу, то останется царапина». С точки зрения теории – все правильно. Должен поцарапать. С точки зрения практики – в бриллианте присутствуют некоторые внутренние напряжения, случайно попав на которые, при попытке поцарапать стекло – вы просто отколете кусочек бриллианта. Приделать его назад не будет никакой возможности. К тому же очень многие материалы тверже стекла, например сапфир и топаз. Это означает, что и топаз и сапфир точно также замечательно поцарапают стекло. Твердость стекла по Моосу 5 – 6,5, сапфира 9, топаза 8. Есть еще один, похожий, совершенно идиотский прием, обыгранный в кинематографе: «Если по бриллианту сильно ударить молотком, то с ним ничего не случится, потому что он твердый». Бриллиант от такого удара вполне может расколоться опять же из-за внутрикристаллических напряжений.

Вариант №3. «Если на бриллиант подышать, то из-за высокой теплопроводности он останется холодным, а если это не бриллиант – он мгновенно нагреется». С точки зрения теории – не лишено смысла. Бриллиант действительно имеет самую высокую теплопроводность. Но вот каким образом вы собираетесь померять изменение температуры на нескольких квадратных миллиметрах на несколько градусов – это загадка. Наша кожа, конечно, чувствует изменения температуры, но не на несколько градусов на площади в несколько квадратных миллиметров. То есть, если к коже прикоснуться гвоздем, нагретым градусов до 80-100, то вы это, скорее всего, почувствуете. Но разницу между комнатной температурой и температурой тела на острие гвоздя – нет.

Вариант №4 «Настоящий бриллиант горит, а имитация бриллианта расплавляется». Абсолютная правда! Алмаз и бриллиант полностью сгорают на воздухе при температуре 850-1000 градусов.

Правда, что вы собираете делать с информацией, что ваш бриллиант БЫЛ настоящим? Вам конечно виднее, но…

Итак, как нам удалось выяснить, мы НЕ будем использовать для экспертизы бриллианта: стакан с водой, оконное стекло и молоток, а также пламя газовой горелки. Что же нам понадобится? Прежде всего, лупа с увеличением 10х. На первое время подойдет любая, даже китайская, купленная в переходе метро. Правда, в этом случае выбирайте ту, у которой написано увеличение 30х. Реальные 30 крат там конечно и близко не стояли, но в 9,5-10 раз будет увеличивать четко и стоить при этом будет рублей 150-300.

Что смотреть? Бриллиант действительно самое твердое вещество в мире, поэтому на ребрах граней у бриллианта не может быть сколов и выщерблин. Линии ребер граней бриллианта всегда ровные. Еще одна особенность ребер – они всегда острые. Округлые, оплывшие ребра – признак того, что это стеклянный страз, а скругленные ребра получаются из-за того, что камень не гранили, а отливали в форме. Литье не позволяет получить «бритвенной» остроты.

Второе, что можно увидеть в лупу – это двоение ребра граней внутри камня. Бриллиант однопреломляющий камень, и если вы через площадку смотрите на какую-либо грань камня, то только ее границы вы и видите.

В синтетическом муассаните, бесконечно похожем на бриллиант, при определенной практике, вы сможете увидеть небольшое раздвоение граней. Возникнет иллюзия, что грани слегка двоятся в глазах. Такую же, только гораздо более выраженную картинку дает природный циркон. У него раздвоение граней очень заметное.

При отсутствии специального образования по гемологии, это пожалуй все, что вы можете рассмотреть с помощью лупы. Процентах в 70 случаев этого достаточно, но что если не получается сделать никаких выводов? Вроде и не двоится и вроде бы и грани острые, но в то же самое время какие-то интуитивные сомнения.

Теперь самое время перейти к приборам. Самый распространенный недорогой прибор для тестирования бриллиантов – тепломер. У бриллианта действительно очень высокая теплопроводность, сравнимая с серебром и превосходящая многие металлы. Простейший тепломер поможет вам сразу сказать: камень скорее всего бриллиант или нет. Почему «скорее всего»? Потому что на обычный тепломер также неплохо реагируют сапфир и муассанит. И если бесцветный сапфир крупного размера сразу бросается в глаза (он вроде бы и чистый, но не блестит совсем, какой-то серый и мутный, но при этом никаких включений внутри камня нет), то муассанит вообще не вызовет никаких подозрений.

Гемтестер не ошибается насчет сапфиров, но стоит существенно дороже.

У него есть свои недостатки. В частности из-за исключительно высокой чувствительности щупа на показания прибора может влиять сквозняк, охлаждающий щуп и соответственно занижающий показания. Гемтестер довольно капризный в этом отношении прибор.

На муассанит существует отдельный тестер. Порядок работы с двумя тестерами такой: сначала проверяете имеет ли камень теплопроводность бриллианта, а вторым тестером смотрите имеет ли камень электрическую проводимость муассанита. Проверять какой-либо другой камень муассанитовым тестером абсолютно бессмысленно, поскольку вы не сможете интерпретировать полученный результат. Допустим, на ярко синем большом камне муассанит-тестер показывает «муассанит». Что это означает? Да кто его знает? Ничего это не означает. Бредовое показание прибора, не предназначенного для проверки неизвестных больших синих камней.

Есть совсем современные совмещенные тестеры, которые сами сначала проверяют камень на теплопроводность и во второй фазе, если теплопроводность соответствует бриллианту, проверяют камень на проводимость муассанита. Такие приборы удобнее, но сильно дороже.
Предположим, вы посмотрели в лупу, увидели четкие грани, отсутствие двоения граней. Проверили комбинированным тестером – камень четко бриллиант.

Какие еще неприятности вас могут ждать? Если бриллиант заявлен с высокими характеристиками и стоит дорого, вам могут продавать под видом натурального бриллианта синтетический, выращенный по HPHT (High Pressure High Temperature) методу, либо обработанный по этому методу бриллиант с целью улучшения цвета. Выражаясь языком Российского ТУ, бриллианты с характеристиками лучшими, чем 3/3 могут быть облагорожены или выращены, что естественно сказывается на цене. Такие бриллианты должны стоить процентов на 40-60% дешевле природных или тех, у которых цвет нетронут человеком. Самостоятельно обнаружить признаки HPHT вне стен лаборатории до недавнего времени было невозможно. Однако, знаменитая на весь мир Антверпенская лаборатория HRD, представила миру карманный прибор, который позволяет буквально на коленке определить – стоит сомневаться в бриллианте или нет.

Прибор D-SCREEN имеет всего 3 светодиода: зеленый – «с вашим бриллиантом все ОК», оранжевый – «вашему бриллианту требуется экспертиза в лаборатории» и красный – «кажется, садятся батарейки:)». D-Screen тестирует камни весом от 0, 2 до 10 карат, цвета от D до J по шкале GIA. Сразу скажем, прибор стоит дорого. Очень дорого. Если же ваша зарплата порядка миллиона рублей в месяц, то для вас вполне приемлемо. Прибор уникальный, полезный и незаменимый.

У них же, у HRD, есть еще более продвинутый прибор Alpha Diamond Analyzer. Но это уже программно-аппаратный комплекс, который позволяет проводить полноценный инфракрасный спектроскопический анализ.

Самостоятельно пользоваться таким прибором вам будет затруднительно без соответствующей подготовки, да и стоит он сравнимо с квартирой на окраине Москвы. Так что этот вариант для совсем фанатичных.

Какие выводы можно сделать? Бриллианты стоит покупать только при наличии лупы 10Х, теплового тестера и тестера на муассанит. Желательно, что все эти приборы были у продавца. Если у бриллианта заявлены высшие характеристики, лучше, чем 3/3 или VVS1 F, то это повод проверить камень прибором D-Screen. D-Screen страшно дорогой прибор и в Москве он есть у только у единичных продавцов. Прибегать к помощи такого прибора при покупке недорогого украшения с бриллиантом, стоимостью до 300’000 рублей бессмысленно. Все равно, что требовать проверить на автосервисе, что в ваших «Жигулях» все запчасти аутентичные. А вот если стоимость украшения начинается от 500’000 рублей – лучше напрячь продавца и потребовать немедленную проверку при вас на D-Screen. Вообще, покупать украшения с бриллиантами по цене выше 300’000 рублей без сертификата гемологической лаборатории категорически не рекомендуется. Почему именно такой порог цены? Где-то в этом диапазоне цен в России начинают продавать украшения с бриллиантами еще меньше 1 карата, но уже с высокими характеристиками.

Высокие характеристики – это очень широкое поле для введения в заблуждение кого угодно, даже профессионала. Поэтому лучше перестраховаться и попросить сделать сертификат.

Сертификация бриллиантов в России дело добровольное и платное. Деньги за сертификат возьмут с покупателя. Если продавец сделает сертификат за свой счет, то это не его обязанность, это большая любезность с его стороны. Обязательно поблагодарите, если сертификат вам предоставят бесплатно. Сколько стоит сертификат? В зависимости от размера и характеристик бриллианта от 5’000 до 60’000 рублей.

Электрические свойства. Алмаз относится к изоляторам: его удельное электрическое сопротивление очень велико. Некоторые кристаллы, однако, имеют низкое удельное сопротивление и обладают свойствами полупроводников. Удельное электрическое сопротивление алмазов (полупроводниковые) составляет 1 - 10 Ом/см, других алмазы - до 1010 Ом/см.

Прочие свойства

Прочие свойства. Алмаз - минерал весьма устойчивый. Он не поддается воздействию самых сильных кислот и их смесей (соляной, серной, азотной, плавиковой, «царской водки»), даже доведённых до температуры кипения. Не реагирует он и со щелочами.

Однако алмаз легко окисляется и сгорает в смеси соды с расплавленной натриевой или калиевой селитрой. В порошке он сгорает на платиновой проволочке с образованием двуокиси углерода (СО 2).

Расплавленные карбонаты щелочей при 1000-1200?С также окисляют алмаз. При нагревании до 800?С в присутствии железа или сплавов на его основе алмаз растворяется, поэтому алмазные резцы не применяются при обработке стали и чугуна.

Диагностика алмаза

Диагностика алмаза. Для того, чтобы отличить настоящий алмаз от его имитации, используется специальный «алмазный щуп», измеряющий теплопроводность исследуемого камня. Алмаз имеет намного более высокое значение теплопроводности, чем его заменители. Кроме того, используется хорошая смачиваемость алмаза жиром: фломастер, заправленный специальными чернилами, оставляет на поверхности алмаза сплошную черту, тогда как на поверхности имитации она рассыпается на отдельные капельки. алмаз кимберлит лампроит порода

Экспериментальным изучением электричества никто не занимался вплоть до 1600 г., когда англичанин Уильям Гильберт (1544–1603) сконструировал прибор, состоящий из стерженька, подвешенного наподобие магнитной стрелки, назвал его версором и стал проводить исследования. С помощью этого первого электроскопа Гильберт показал, что притягивать может не только натёртый янтарь, но и алмаз, сапфир, опал, сера, сургуч и стекло (рис. 69). Все эти тела он назвал электрическими телами. Он также установил, что «электрические тела» могут притягивать «металлы, дерево, листья, камни, комки земли и даже воду и масло». В середине того же XVII в. появилось абстрактное понятие самого явления – электричество. Наиболее наглядно электрические явления были продемонстрированы немецким исследователем Отто фон Герике (1602–1686), который изготовил вращающийся шар из плавленой серы. После того как этот шар натирали сухой ладонью, он приобретал замечательные свойства. Особенно интересным был опыт с пушинкой, которая, оттолкнувшись от шара, продолжала ещё некоторое время находиться «в сфере его действия», перемещаясь вместе с ним по комнате.

Рис. 69. Янтарь и алмаз, сапфир и опал, серу, сургуч и стекло Уильям Гильберт назвал электрическими телами

Герике также заметил, что если наэлектризовать шар в темноте, то он сверкает «подобно сахару, раздробляемому пестиком», при этом слышно характерное потрескивание. Через некоторое время опыт Герике был воспроизведён англичанином Робертом Бойлем (1627–1691), который получил аналогичные результаты и, кроме того, показал, что воздействие электрической силы проявляется и в пустоте. Таким образом, были опровергнуты старые представления о действии электричества через воздух.

Многочисленные опыты, проведённые в конце XVII – начале XVIII в., показали, что в наэлектризованных предметах иногда возникают силы притяжения, а иногда – отталкивания. Это привело в 1733 г. к открытию, сделанному французским исследователем Шарлем Франсуа Дюфе (1698–1739). Проведя множество остроумных и изящных опытов, он пришёл к выводу о существовании двух видов электричества, которые он назвал «стеклянным» и «смоляным» в честь тех предметов, которые позволили ему сделать это открытие. Многие исследователи попытались объяснить этот удивительный феномен. Известный американский учёный и политический деятель Бенджамин Франклин (1706–1790), открывший электрическую природу молнии и увековеченный на стодолларовой купюре, полагал, что электричество представляет собой некую субстанцию (флюид), которая может присутствовать в заряженных телах либо в избытке, либо в недостатке. В первом случае Франклин называл тело положительно электризованным, а во втором – отрицательно электризованным. Однако вскоре появилась теория, утверждающая, что в каждом теле имеются оба флюида, а в нейтральном, т. е. неэлектризованном, состоянии они присутствуют в равных количествах. В принципе эта теория оказалась справедливой, и впоследствии эти два вида «флюида» были названы положительным и отрицательным электрическими зарядами. Названия эти чисто условные, они не отражают какие-то «положительные» или «отрицательные» качества электричества, это просто оставшееся от Франклина наследие. Как мы теперь знаем, разноимённые заряды притягивают друг друга, а одноимённые отталкивают (рис. 70). Когда положительно заряженное тело соприкасается с отрицательно заряженным, их заряды компенсируют друг друга. В результате тела становятся электрически нейтральными.