(1) Principios básicos
Utilizar partículas cargadas (electrones acelerados, protones), neutrones o rayos gamma de la fuente de radiación para irradiar gemas. La interacción entre rayos e iones, átomos o. Los electrones en la gema eventualmente forman centros de agujeros de electrones o centros de defectos iónicos en la gema. La esencia de la irradiación es proporcionar energía que activa el desplazamiento de electrones, iones reticulares o átomos, induciendo así daños por radiación en la piedra preciosa irradiada, produciendo o cambiando de color.
1. La interacción entre partículas cargadas y piedras preciosas
En términos generales, la interacción entre partículas cargadas y piedras preciosas provoca principalmente la excitación e ionización de electrones fuera del núcleo. Cuando las partículas cargadas se acercan a los átomos de la gema, tendrán una interacción electrostática con los electrones fuera del núcleo, lo que hará que los electrones ganen energía. Si la energía obtenida por los electrones es lo suficientemente grande, los electrones pueden escapar de los átomos e ionizarlos. átomos. Los electrones ionizados todavía tienen suficiente energía cinética y pueden provocar además la excitación e ionización de electrones fuera del núcleo de otro átomo, provocando el desplazamiento de los átomos en la gema y los correspondientes cambios químicos. La Figura 4-2-9 muestra el tratamiento de irradiación con acelerador de electrones del berilo amarillo.
Figura 4-2-9 Berilo amarillo tratado con irradiación (a) antes del tratamiento; (b) después del tratamiento
2 Interacción entre neutrones rápidos y piedras preciosas
Dado que los neutrones rápidos no están cargados y no pueden interactuar con los electrones fuera del núcleo de la gema irradiada, no pueden ionizar ni excitar directamente las moléculas de la gema. Sin embargo, los neutrones rápidos pueden sufrir directamente colisiones elásticas, colisiones inelásticas, reacciones nucleares, reacciones de captura, etc. con sus núcleos atómicos, produciendo nuevas partículas cargadas o provocando el desplazamiento de iones que provocarán la ionización o excitación de otros átomos o iones. dando lugar a la ionización de los átomos desplazados. Estos átomos desplazados ionizados son en realidad partículas cargadas pesadas que pueden provocar una mayor ionización y desplazamiento atómico.
(2) Tipos de fuentes de irradiación
1. Radiación alfa
Los núcleos de helio que vuelan a alta velocidad liberados por la desintegración de elementos radiactivos también pueden depender del helio. Los iones se obtienen en un ciclotrón. Tiene dos cargas positivas y una masa de casi 4 unidades de masa atómica. La energía de las partículas alfa emitidas por elementos radiactivos pesados es de aproximadamente 4 a 8 MeV.
2. Radiación beta
Producida por desintegración nuclear o aceleradores de electrones. Generalmente, la energía de los rayos beta producidos por los radionucleidos es de 0,015~2 MeV, y la energía de los rayos beta producidos por el acelerador de electrones está entre 0,2~20 MeV, que lleva una carga negativa.
3. La radiación γ
Proviene de cambios en el estado energético de los núcleos atómicos. Es un tipo de radiación electromagnética de longitud de onda extremadamente corta y energía W=h/c (donde h). en la fórmula λ es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz, λ es la longitud de onda) y el haz de fotones cuya velocidad es igual a la velocidad de la luz.
4. Neutrón
Los neutrones son partículas sin carga con una masa de aproximadamente una unidad de masa atómica. Las principales fuentes incluyen fuentes de irradiación nuclear, fisión nuclear pesada y fusión nuclear ligera. Dividido en neutrones térmicos (0,025 eV), neutrones lentos (0,03 eV ~ 100 eV), neutrones de energía media (100 ~ 10 keV) y neutrones rápidos (10 keV ~ 10 MeV).
(3) Tipos de centros de color comunes
Los centros de color generalmente se refieren a defectos de red en gemas que pueden absorber selectivamente la energía de la luz visible y producir color. Es un tipo de coloración estructural típico. Los tipos de centros de color son muy complejos, pero los más comunes son los centros de electrones (centros F), los centros de huecos (centros V) y los centros de iones de impurezas.
1. Centro de electrones (centro F)
El centro de electrones (centro F) se refiere a defectos en la estructura cristalina de las piedras preciosas causados por vacantes de aniones. En lo que respecta a todo el cristal de la gema, cuando los aniones están ausentes, la vacante se convierte en una trampa de electrones cargada positivamente, que puede capturar electrones. Si una vacante captura un electrón y lo une a la vacante, el electrón se excita y absorbe selectivamente energía de una determinada longitud de onda y muestra color. Por tanto, el núcleo electrónico está compuesto por un anión vacante y un electrón unido por el campo eléctrico de esta vacante. Por ejemplo, los iones de fluoruro en el cristal de fluorita abandonan el sitio de la red normal y forman un anión vacante (falta de carga negativa). Este sitio estructural muestra electricidad positiva y forma una trampa de electrones con carga positiva.
Para mantener la neutralidad eléctrica del cristal, una vacante de anión debe capturar un electrón negativo, y el centro de color resultante se llama centro de electrones (centro F).
Si una vacante de anión captura dos electrones, se llama centro F′; dos centros F adyacentes se llaman centros F2; tres centros F adyacentes se llaman centros F3; dos centros F adyacentes se denominan centros F3; el anión vacante vecino captura sólo un electrón y se denomina centro R.
2. Centro del agujero (centro V)
El centro del agujero (centro V) es el centro de color provocado por la ausencia de cationes en la estructura cristalina. Desde la perspectiva de la interacción electrostática, la falta de un catión equivale a la adición de una carga negativa cercana, y un anión cercano debe convertirse en un "agujero" para mantener el equilibrio electrostático. Por lo tanto, el núcleo del agujero consiste en un catión vacante que atrapa un "agujero". Los huecos y las vacantes tienen diferentes significados. El primero se refiere a la falta de carga en los iones de la red; el segundo se refiere a la falta de iones en la red cristalina. Por ejemplo, la impureza Al3 en el cuarzo ahumado reemplaza al Si4 en una forma isomorfa, formando una posición con cargas positivas insuficientes (trampa de carga positiva) en el sitio de la red. Para mantener la neutralidad eléctrica temporal, debe haber cargas positivas correspondientes alrededor del Al3. Hay iones valentes. Cuando se irradia el cristal, el vecino más cercano, O2-, perderá un electrón adicional, dejando un espacio vacío y formando un centro hueco.
(4) Tipos comunes de núcleos dañados por radiación
El proceso de producción de centros de color en piedras preciosas irradiadas es más complejo y, a menudo, es una combinación de varios centros de color. Hay dos tipos principales de centros de color producidos mediante el tratamiento de irradiación de piedras preciosas.
1. Centro de color de defecto de carga
El centro de color de defecto de carga se refiere al centro de color formado por los cambios en las propiedades de carga de los átomos o iones en la red cristalina de la gema y los átomos. o los iones en los sitios de la red no aumentan ni disminuyen. En términos generales, cuando se irradia un cristal de gema, las partículas de radiación interactúan con los electrones externos de los átomos o iones en la red cristalina, pasando la energía de la radiación a los electrones. Después de que los electrones absorban una cierta cantidad de energía, superarán a los átomos. o iones escapan de las restricciones. Así, se forman centros de color con defectos de carga (centros de huecos y centros de electrones).
2. Centro de color de defectos iónicos
Los defectos iónicos en las piedras preciosas se refieren a cambios en la posición de los iones en las posiciones normales de la red cristalina, formando vacantes de iones positivos y negativos, agregación de vacantes e intersticiales. Llenado de iones y otros defectos. Los centros de color formados por tales defectos se denominan centros de color con defectos iónicos. La irradiación puede crear centros de color con defectos iónicos. Por ejemplo, durante el proceso de irradiación del diamante marrón-amarillo tipo Ia, las partículas de radiación ingresan al diamante y chocan elásticamente con los átomos de carbono en el cristal. Durante el proceso de colisión, se produce una transferencia de energía entre sí, lo que resulta en cambios significativos en el diamante. Estado de movimiento de las partículas en colisión. Los átomos de carbono en el diamante se excitan desde sus posiciones originales, lo que da como resultado el centro de color GR1, formando un diamante azul verdoso. La ionización o excitación de átomos o iones en el sitio de la red de diamante y la interacción entre los neutrones y los núcleos atómicos en el cristal de diamante pueden provocar la migración de iones en el sitio de la red de diamante y la aparición de vacantes o vacantes de iones positivos y negativos. Agregación y deslizamiento en el sitio de la red de diamante. Sistema de desplazamiento de línea. De hecho, los diamantes suelen producir centros de color complejos después de la irradiación.
Después del tratamiento de irradiación, los diamantes de tipo Ia de color rosa claro (deformación plástica, fluorescencia de color rojo anaranjado) pueden mejorar la saturación del color y convertirlo en rojo o violeta. Algunos diamantes de tipo Ia con baja transparencia pueden ser diamantes grises; (tipo rico en H) puede volverse de un hermoso color azul intenso después del tratamiento con irradiación de neutrones (consulte la Figura 4-2-10).
Figura 4-2-10 Diamantes de colores tratados con irradiación
(5) Transformación del centro de color de piedras preciosas irradiadas
El tratamiento térmico es el comportamiento inverso a la irradiación. puede liberar el centro de color producido por la irradiación, destruyendo así el centro de color producido por la irradiación. El centro de color tiene diferentes niveles de energía de trampa. El calentamiento puede hacer que los electrones en el nivel de energía de la trampa crucen la barrera de energía de la trampa y hagan que el centro de color desaparezca. Si los electrones capturados no pueden regresar a su posición original después de ser liberados y son capturados por otro centro defectuoso, se puede formar un nuevo centro de color y se puede lograr la transformación del centro de color. Por ejemplo, los diamantes azul verdosos tratados con irradiación se someten a recocido a alta temperatura. A medida que aumenta la temperatura, el color del diamante cambia de azul verdoso → verde amarillo → amarillo dorado → amarillo claro → color original (blanqueo del centro de color). ). Esta secuencia de cambio de color se puede detener en cualquier punto para obtener cualquier color.
Después de ser irradiado por rayos gamma, el topacio incoloro puede inducir fácilmente centros de color amarillo inestable y centros de color azul estable (combinados en marrón/tostado). Después de un tratamiento de recocido y calentamiento a temperatura media, es útil. elimina el centro de color amarillo inestable, estabiliza el centro de color azul y se transforma en topacio azul (ver Figura 4-2-2). El topacio azul irradiado se calienta aún más (560 ~ 580 ℃) y el centro de color se blanquea hasta obtener un topacio incoloro. Si se utilizan neutrones rápidos para tratar el topacio incoloro, se puede inducir directamente un centro de color azul estable y se puede formar topacio azul.
El propósito del tratamiento térmico es estabilizar el color de las piedras preciosas, lo que principalmente cambia el color de las piedras preciosas eliminando ciertos centros de color inestables y realzando otros centros de color. El proceso inverso de recocido a alta temperatura/fijación del centro de color/blanqueo del centro de color hace que algunos centros de color con barreras de baja energía y centros de color inestables en las gemas desaparezcan primero, mientras que otros centros de color estables se fortalecen y el color de la piedra preciosa también aumenta. con calentamiento cambia con la temperatura. Pero cuando la temperatura aumenta hasta cierto nivel, el centro de color de la piedra preciosa acabará desapareciendo.