Экспериментальное исследование спектров комбинационного рассеяния света исследуемых алмазов

Методы установления подлинности бриллианта. Физические основы комбинационного рассеяния света. Элементарное описание комбинационных оптических процессов. Спектроскопия комбинационного рассеивания света. Особенности рассеивания света в природных алмазах.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

ВВЕДЕНИЕ

Алмаз -- минерал, кубическая аллотропная форма углерода. При нормальных условиях метастабилен и может существовать неограниченно долго, превращаясь в стабильный в этих условиях графит только при нагревании. Сингония кубическая, кристаллическая решетка -- кубическая гранецентрированная, а = 0,357 нм, z = 4, пространственная группа Fd3m (по Герману -- Могену). Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp?--гибридизации. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Именно прочная связь атомов углерода объясняет высокую твёрдость алмаза.

Главные отличительные черты алмаза -- высочайшая среди минералов твёрдость, наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел, большие показатель преломления и дисперсия. Алмаз является диэлектриком. У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе -- всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких плёнок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие плёнки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5--0,55. Высокая твёрдость обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия. Энергия кристалла составляет 105 Дж/г-ат, энергия связи 700 Дж/г-ат -- менее 1 % от энергии кристалла. Температура плавления алмаза составляет 3700--4000 °C. На воздухе алмаз сгорает при 850--1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720--800 °C, полностью превращаясь в конечном счёте в углекислый газ. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз переходит в графит за 15-30 минут. Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в жёлтом цвете равен примерно 2,417, а для различных цветов спектра он варьируется от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового). Способность кристаллов разлагать белый свет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063. [http://ru.wikipedia.org/wiki/Алмаз]

Одним из важных свойств алмазов является люминесценция. Под действием солнечного света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать -- светиться различными цветами. Под действием катодного и рентгеновского излучения светятся все разновидности алмазов, а под действием ультрафиолетового -- только некоторые. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из породы.

Большой показатель преломления, наряду с высокой прозрачностью и достаточной дисперсией показателя преломления (игра цвета) делает алмаз одним из самых дорогих драгоценных камней (наряду с изумрудом и рубином, которые соперничают с алмазом по цене). Алмаз в естественном виде не считается красивым. Красоту придаёт алмазу огранка, создающая условия для многократных внутренних отражений. Огранённый алмаз называется бриллиантом.

Алмаз -- редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет назад алмазы в промышленных масштабах добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовые трубки, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях.

О происхождении и возрасте алмазов до сих пор нет точных научных данных. Учёные придерживаются разных гипотез -- магматической, мантийной, метеоритной, флюидной, есть даже несколько экзотических теорий. Большинство склоняются к магматической и мантийной теориям, к тому, что атомы углерода под большим давлением (как правило, 50000 атмосфер) и на большой (примерно 200 км) глубине формируют кубическую кристаллическую решётку -- собственно алмаз. Камни выносятся на поверхность вулканической магмой во время формирования так называемых «трубок взрыва». Возраст алмазов, по данным некоторых исследований, может быть от 100 миллионов до 2,5 миллиардов лет. Известны метеоритные алмазы, внеземного, возможно -- досолнечного, происхождения. Алмазы также образуются при ударном метаморфизме при падении крупных метеоритов, например, в Попигайской астроблеме на севере Сибири.

Кроме этого, алмазы были найдены в кровлевых породах в ассоциациях метаморфизма сверхвысоких давлений, например в Кумдыкульском месторождении алмазов на Кокчетавском массиве в Казахстане. И импактные, и метаморфические алмазы иногда образуют весьма масштабные месторождения, с большими запасами и высокой концентрацией. Но в этих типах месторождений алмазы мелки настолько, что не имеют промышленной ценности. Промышленные месторождения алмазов связаны с кимберлитовыми и лампроитовыми трубками, приуроченными к древним кратонам. Основные месторождения этого типа известны в Африке, России, Австралии и Канаде.

В 1961 году появились первые публикации фирмы «DuPont» о реализации идей получения алмаза путём прямого фазового перехода из графита. Синтез производился с использованием энергии взрыва, или непосредственно из продуктов взрыва некоторых ВВ, с отрицательным кислородным балансом (работы Шабалина), особенно удобен для получения алмазов тротимл. Это наиболее дешёвый способ получения алмазов, однако, «взрывные алмазы» очень маленькие и пригодны лишь для абразивов и напылений.

В настоящее время существует крупное промышленное производство синтетических алмазов, которое обеспечивает потребности в абразивных материалах. Для синтеза используется несколько способов. Один из них состоит в подготовке высокоуглеродистого сплава никель-марганец и его охлаждении под давлением в формах из твёрдого сплава (типа ВК). Выкристаллизовавшиеся мелкие алмазы отделяют после растворения металлической матрицы в смеси кислот.

Современные способы получения алмазов используют газовую среду, состоящую из 95 % водорода и 5 % углесодержащего газа (пропана, ацетилена), а также высокочастотную плазму, сконцентрированную на подложке, где образуется сам алмаз. Температура газа от 700--850 °C при давлении в тридцать раз меньше атмосферного. В зависимости от технологии синтеза, скорость роста алмазов от 7 мкм/час до 3 мкм/мин на подложке.

Алмаз уже многие столетия является популярнейшим и дорогим драгоценным камнем. В то время как цена других драгоценных камней определяется модой и постоянно меняется, алмаз остаётся островком стабильности на бурном рынке драгоценностей. В значительной степени такое устойчивое положение алмаза обусловлено высокой монополизацией этого рынка. Фирма «Де Бирс», на долю которой приходится около 50 % мировой добычи, разрабатывает месторождения Ботсваны, ЮАР, Намибии и Танзании.

Исключительная твёрдость алмаза находит своё применение в промышленности: его используют для изготовления ножей, свёрл, резцов и тому подобных изделий. Потребность в алмазе для промышленного применения вынуждает расширять производство искусственных алмазов. В последнее время проблема решается за счёт кластерного и ионно-плазменного напыления алмазных плёнок на режущие поверхности. Алмазный порошок (как отход при обработке природного алмаза, так и полученный искусственно) используется как абразив для изготовления режущих и точильных дисков, кругов.

Крайне перспективно развитие микроэлектроники на алмазных подложках. Уже есть готовые изделия, обладающие высокой термо- и радиационной стойкостью. Также перспективно использование алмаза, как активного элемента микроэлектроники, особенно в сильноточной и высоковольтной электронике из-за большой величины пробивного напряжения и высокой теплопроводности. При изготовлении полупроводниковых приборов на основе алмаза используются, как правило, допированные плёнки алмаза. Так, допированный бором алмаз имеет p-тип проводимости, фосфором -- n-тип. Из-за большой ширины зоны алмазные светодиоды работают в ультрафиолетовой области спектра. В 2004 году в институте физики высоких давлений российской академии наук (ИФВД РАН) впервые синтезировали алмаз, имеющий сверхпроводящий переход при температуре 2-5К (зависит от степени легирования). Полученный алмаз представлял собой сильнолегированный бором поликристаллический образец, позже в Японии получили алмазные плёнки, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах 4-12К. Пока сверхпроводимость алмаза представляют интерес лишь с научной точки зрения. Однако подавляющая часть (по стоимости) природных алмазов используется для производства бриллиантов.

В настоящей работе согласно требованиям технического задания рассматриваются вопросы совершенства способов идентификации природных алмазов.

Целью выпускной работы являются:

1). Анализ и систематизация сведений о способах идентификации алмазов;

2). Рассмотрение комбинационного рассеяния света как способа идентификации природных алмазов;

3). Экспериментальное исследование спектров комбинационного рассеяния света исследуемых алмазов.

1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИДЕНТИФИКАЦИИ БРИЛЛИАНТОВ

1.1 Обзор методов идентификации

Самым удобным и простым методом установления подлинности бриллианта является идентификация с помощью прибора для измерения теплопроводности (PRESIDIUM DUOTESTER). Далее, осуществляется проверка с помощью микроскопа, не является ли камень искусственным муассанитом.

Тестер драгоценных камней Presidium Duotester позволяет определять свойства драгоценных камней двумя способами. Duotester измеряет не только теплопроводность камня, но и отражательную способность, таким о...