§ 21. Драгоценные камни и их свойства

В производстве художественных изделий из металла, особенно ювелирных украшений, постоянно используются кроме металлов, также и неметаллические материалы и в первую очередь драгоценные камни и их заменители.

Драгоценными камнями называются природные минералы или искусственно выращенные кристаллы, отличающиеся яркой и разноцветной окраской, прозрачностью, блеском, высокой твердостью, химической стойкостью и некоторыми другими свойствами.

Драгоценные камни характеризуются высокой стоимостью, так как они в большинстве случаев очень редко встречаются в природе, а их получение и обработка очень трудоемки.

В настоящее время ценность камня определяется:

1. Красотой, которая обусловливается цветом, блеском, прозрачностью и другими оптическими свойствами.
2. Стойкостью, т. е. твердостью, устойчивостью против химических реагентов, постоянством окраски и т. п.
3. Редкостью - малой распространенностью и, конечно, модой.

Химические свойства. По химическому составу драгоценные камки представляют собой самые обыкновенные и весьма распространенные в природе вещества; большая часть их относится к силикатам и окислам. Только один алмаз представляет собой простое вещество - кристаллический углерод.

Однако, несмотря на распространенность веществ, из которых состоят драгоценные камни, они отличаются весьма характерными признаками, выделяющими их среди других минералов. Прежде всего - это высокая химическая стойкость, нерастворимость (или малая растворимость) в кислотах и щелочах, а также высокая тугоплавкость. Например, кварц плавится при температуре 1625°С; корунд - 2050°С, циркон - 3000°С, алмаз - при 3600°С.

Химическая стойкость обусловливает долговечность и сохранность драгоценных камней. Исключение составляют камни органического происхождения: янтарь, жемчуг, перламутр, коралл, гагат. Они легко подвергаются действию кислот, а также плавятся (янтарь) или обугливаются при накаливании и т. п.

Плотность. Это физическое свойство имеет существенное значение при определении драгоценных камней, а также для распознавания подделок. Наиболее легким из драгоценных камней является янтарь - его плотность 1,0-1,1; наиболее тяжелый - гематит (кровавик)- 4,9-5,3. Плотности остальных камней находятся в интервале от 1 до 5. В табл. 17 приведена плотность драгоценных камней.

Таблица 17

Единицей измерения алмазов и некоторых других особенно ценных камней (изумруда, рубина, сапфира) служит карат, равный 200 мг. Остальные камни - поделочные и синтетические - измеряются в граммах.

Твердость. Это одно из самых существенных механических свойств камня. Твердость обеспечивает стойкость и долговечность огранки камня, сохранность и четкость его граней и полировки (не-стираемость). Твердость определяет также степень трудности обработки (гранения) камня. Широко распространенным способом определения твердости камней служит применение шкалы Мооса.

В последнее время для более точного определения твердости применяется метод, основанный на принципе вдавливания в испытуемый минерал алмазной призмы (по типу метода Бринелля, см. § 2). Ниже в табл. 18 приведена твердость драгоценных камней по Моосу.

Таблица 18

Цвет (окраска камня). Это свойство драгоценных камней является одним из наиболее существенных, особенно в ювелирном деле. Имеются следующие окраски камней:

1. Идиохроматическая, т. е. постоянная окраска камня (от гр. "идиос" - собственный и "хромос" - цвет), свойственная данному химическому составу минерала, например зеленая окраска, присущая малахиту (водной углекислой соли меди). Идиохроматическая окраска характерна для группы поделочных или цветных камней (цветников).
2. Аллохроматическая, т. е. чужая, изменчивая (от гр. "аллос" - иной, чужой). Она не связана непосредственно с химическим составом камня и зависит от примесей в нем какого-либо элемента, присутствующего иногда в ничтожных количествах. Например, корунд (белый сапфир), представляющий собой чистую окись алюминия,- бесцветен и прозрачен, однако примесь окиси хрома придает ему красную окраску и такой камень называется рубином. Точно так же соединение железа и титана окрашивает корунд в синий цвет, и тогда камень называют сапфиром.

Это явление связано с особыми свойствами атомов некоторых элементов обусловливать окраску камней (и других веществ и материалов). Такие элементы называются хромофорами, т. е. носителями окраски. К ним относятся железо, хром, марганец, титан, ванадий, кобальт, никель, медь, а также вольфрам и некоторые другие. Кроме того, эти свойства обнаружены и у лантаноидов (редкоземельных элементов).

Аллохроматическая окраска характерна для прозрачных камней, объединяемых в группу самоцветов (собственно драгоценных).

Цвет камня является одним из главнейших признаков при его определении. Камни обладают бесконечным разнообразием цветовых оттенков по тону, интенсивности окраски и т. п. Некоторые камни изменяют свой цвет в зависимости от дневного или искусственного освещения. Например, александрит при дневном свете имеет темно-зеленый цвет, а при искусственном становится малиново-красным.

Очень красивый при дневном свете розовый турмалин (рубелит) при искусственном освещении теряет свою красоту, становясь тусклым и темным. Наоборот, уральский густо-фиолетовый аметист при электрическом освещении приобретает кроваво-красный отблеск и становится еще красивее. У некоторых камней окраска непостоянна и со временем изменяется, выцветает. Например, очень красивый винно-желтый фенакит на солнце выгорает и становится бесцветным. Теряют интенсивность окраски и некоторые изумруды, иногда выцветают топазы и т. п.

По данным академика А. Е. Ферсмана, наиболее часто в природе встречаются драгоценные камни зеленого цвета, затем желтого и зелено-желтого; реже - бесцветные, красные и красно-бурые; еще реже черные и металлически-серые и, наконец, совсем редко синие и фиолетовые.

Таблица 19

В табл. 19 основные драгоценные камни распределены по цвету.

Оптические свойства. К оптическим свойствам относятся прозрачность, показатель преломления, критический угол, коэффициент дисперсии (светорассеяния). Совокупность этих свойств обусловливает блеск и игру ("огонь") камня.

По прозрачности камни условно делятся на три группы: прозрачные, просвечивающие и непрозрачные.

В прозрачных камнях блеск усиливается благодаря полному внутреннему отражению (отражению света от внутренних поверхностей).

Преломлением называется отклонение светового луча от своего первоначального направления при переходе его из воздушной среды в камень (и обратно). Оно характеризуется отношением скорости света в пустоте к скорости света в данной среде - показателем преломления. Чем больше показатели преломления, тем сильнее блеск камня. Ниже в табл. 20 приведены показатели преломления некоторых самоцветов.

Таблица 20

Критическим углом называется угол, при котором происходит переход от преломления к полному внутреннему отражению. Он образуется между направлением луча света и нормалью и зависит от показателя преломления. Чем больше показатель преломления, тем меньше критический угол, при котором происходит полное внутреннее отражение, и тем сильнее кажется блеск камня. Например, сверкание бриллианта обусловлено тем, что при правильной огранке и высоком показателе преломления (2,46) критический угол равен всего 24°. Почти весь свет, который падает на бриллиант со всех сторон, благодаря полному внутреннему отражению направляется через верхнюю грань, что и обусловливает сверкание камня.

Коэффициент дисперсии (светорассеяния) - это разность коэффициентов преломления фиолетовых и красных лучей. Чем больше эта разность, тем ярче и разнообразнее игра ("огонь") камня, т. е. разные грани камня блестят всеми цветами радуги. Например, у алмаза коэффициент преломления фиолетовых лучей равен 2,465, а красных - 2,402. Разность этих коэффициентов и составляет показатель дисперсии алмаза, равный 0,063. Показатель дисперсии циркона - 0,059, корунда (рубин и сапфир) - 0,019; топаза - 0,014; кварца - 0,013; шпинели (синтетической) - 0,012.

Огранка - способ, при помощи которого камень получает определенную форму. Она играет существенную роль в ювелирном деле, так как от типа, точности и тщательности огранки во многом зависит выявление всех свойств камня: оптических и колористических (цвет, блеск и т. п.).

При огранке выполняются следующие операции:

1. Обкалывание (или подбивка) камня легкими ударами или опиливание (для менее твердых пород); при этом удаляется излишек (углы, выступы) для придания камню основной, исходной формы в соответствии с выбранным типом огранки.

2. Грубая шлифовка на чугунном вращающемся круге, покрытом алмазным порошком (для менее твердых пород камня - корундом или другим абразивом). При этой операции камню сообщается определенное число граней, расположенных в соответствии с формой огранки в определенном порядке и последовательности.

3. Полировка, или отделка, производимая на кругу, покрытом алмазной пылью, растертой на масле (для менее твердых пород применяются окись хрома и другие полировочные пасты). Камень при этой операции укрепляется на специальное приспособление, позволяющее очень точно выдерживать строго определенные углы и производить полировку с определенной нагрузкой.

Формы огранки очень разнообразны. Наиболее древней из них является кабошон, который в настоящее время имеет следующие разновидности:

1. Простой кабошон представляет собой отрезок шара (сегмент) или овоида. Применяется для огранки непрозрачных камней с красивой цветной поверхностью (бирюзы, яшмы) и других цветников.
2. Двойной кабошон - чечевицеобразное тело, иногда грушевидной формы для подвесок. Целесообразно применять для камней с переливчатой цветной окраской (опала, звездчатого сапфира и др.).
3. Высокий кабошон - форма с сильно развитой верхней частью; применяется для полупрозрачных камней (хризопраса, сердолика, халцедона).
4. Полый или выпукло-вогнутый кабошон - форма с углублением на нижней поверхности; применяется для прозрачных, но слишком густо окрашенных камней (граната, альмандина).

Рис. 18. Огранка 'роза'

Если простой кабошон (шаровой сегмент) покрыть в несколько рядов треугольными площадками, то получится весьма распространенная старинная форма огранки - роза (рис. 18). Она применяется для мелких алмазов, граната, рубина и других прозрачных камней.

Для полупрозрачных камней (агата, сердолика, халцедона), а также для тех из прозрачных, которые ценятся главным образом за красоту окраски (рубина, изумруда, сапфира), применяется таблитчатая огранка. Она сверху и снизу ограничена широкими плоскостями и, кроме того, на верхней стороне имеет 8, 12, 16 произвольно, но симметрично расположенных граней. На нижней части таблицы оставляют слабо выпуклый кабошон или гранят 4-6 площадок. Если же камень имеет значительную толщину, то на нижней части делают ступенчатое расположение граней.

Рис. 19. Бриллиантовая огранка

Самым сложным типом, применяемым для алмазов и других прозрачных камней (циркона, кварца, топаза), является бриллиантовая огранка (рис. 19). Она была изобретена Л. Брекеном во второй половине XV в. При этой огранке камень как бы состоит из двух частей - верхней, называемой коронкой, и нижней, называемой шипом. При этом коронка ровно в два раза ниже шипа. На камень наносится 56 граней (фасеток), которые располагаются в строго предусмотренном чередовании и порядке. Ребро, отделяющее коронку от шипа, называется рундистом.

Существуют варианты бриллиантовой огранки. Они заключаются в том, что число фасеток изменяется, но остается всегда кратным восьми. Например, "лестничная" форма имеет 40 граней (не считая площадки и классы - верхней и нижней граней, ограничивающих коронку и шип).

Двойной, или "лиссабонский бриллиант", имеет 72 грани, "двадцатый век" - 80 или 88 граней. Особым типом огранки является так называемая "португальская грань", при которой на верхней и нижней частях камня наносится два ряда ромбических и три ряда треугольных фасеток.

"Звездчатая" грань отличается тем, что верхняя площадка делается шестиугольной и окружается треугольными фасетками, образующими вместе с ней шестиугольную звезду. Существуют и другие виды огранок, например подвески, слезки, бриолеты и т. п.

Рис. 20. Современная форма огранки бриллианта 'принцесса'

Недавно в Англии распространился новый, очень простой, эффектный и экономичный способ огранки алмазов - так называемая "принцесса" (рис. 20). Бриллианты, ограненные по этому типу, представляют собой квадратные, многоугольные, ромбические или сердцевидные в плане плоские таблички толщиной в пределах 1 - 1,5 мм. Верхняя часть камня имеет небольшое число граней, а нижняя нарезана в форме зубцов. Грани, образующие зубцы, наклонены под определенным углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение. Резка алмазов и огранка зубцов (шлифовка и полировка) механизированы и производятся на специальных профилированных дисках, что дает большой экономический эффект.