Люминесценция

Одним из весьма важных в практическом отношении свойств алмазов является люминесценция. Под действием видимого света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а также при облучении ядерными частицами, образующимися при распаде радиоактивных изотопов, алмазы начинают люминесцировать, т. е. светиться различными цветами.

Установлено, что под действием катодных и рентгеновских лучей светятся все разновидности алмазов, а ультрафиолетовых - только некоторые.

Цвет люминесценции алмазов различен и зависит от способа возбуждения. Так, при возбуждении ультрафиолетовыми лучами одни кристаллы светятся голубым, другие желтым или зеленым цветом. Встречается также свечение красных, оранжевых и белесых тонов. Алмазы, люминесцирующие по-разному в ультрафиолетовых лучах (например, голубым и зеленым светом), могут светиться одинаково (голубым) под действием рентгеновских лучей. Цвет рентгенолюминесценции природных алмазов поразительно однообразен - это как правило, белесо-голубое свечение. Отмечены лишь отдельные, редкие случаи зеленой и сине-фиолетовой рентгенолюминесценции. В 1939 г. М. Г. Богомольским было предложено использовать рентгенолюминесценцию алмазов для их обнаружения и извлечения, поскольку рентгеновские лучи дают стопроцентное свечение алмазов и обеспечивают их высокую селективность. С тех пор этот метод используется как при разведке алмазных месторождений, так и в промышленности для извлечения алмазов из раздробленной горной породы.

На практике извлечение алмазов при помощи рентгенолюминесценции происходит следующим образом: расклассифицированный по определенной крупности материал из небольшого бункера подается на транспортерную ленту, передвигающуюся в закрытом аппарате. На эту ленту направляют рентгеновские лучи, которые вызывают люминесцирование алмазов и некоторых других минералов. Однако люминесценция алмазов в рентгеновских лучах настолько своеобразна, что обычно отличается от свечения других минералов. Оператор, наблюдая за ходом процесса через защитное стекло, останавливает транспортер и вставленным в закрытый аппарат пинцетом снимает зерно алмаза в специальный ящик, откуда алмазы достают уже после остановки всего процесса и отключения рентгеновского аппарата. Так поступают с малыми пробами, при больших объемах материала этот процесс обычно автоматизирован.

Изучению люминесцентных свойств алмазов и их рентгенолюминесценции, в частности алмазов якутских месторождений, посвящено много работ. Большой интерес в этом отношении представляют работы Г. О. Гомона. Он впервые показал, что оптические свойства природных алмазов и их люминесценция гораздо разнообразнее, чем это было принято считать ранее [3]. Изучением рентгенолюминесценции занимались также и другие исследователи.

В результате исследований был установлен, как уже указывалось выше, весьма важный в практическом отношении факт, что при достаточном возбуждении под действием рентгеновских лучей способностью к свечению обладают все алмазы, интенсивность их свечения изменяется от 1 до 100 усл. ед. Было показано, что спектр рентгенолюминесценции значительно шире, чем спектр голубой фотолюминесценции, и лежит в области 360-700 нм. Отмечено также, что между отдельными участками в спектре рентгенолюминесценции для разных кристаллов имеются различия. Наиболее интенсивна для большинства кристаллов сине-голубая полоса. Во всех спектрах присутствует также желто-оранжевая полоса.

Большой интерес представляет намечающаяся связь фотолюминесценции алмаза с одним из его важнейших в практическом отношении свойств - абразивной способностью. По данным А. А. Гумилевского, абразивная способность алмазов с голубой и желтой люминесценцией (в ультрафиолетовых лучах), а также алмазов, не проявляющих в тех же условиях видимой люминесценции, резко различна. Наиболее твердыми оказываются несветящиеся алмазы, а наименее твердыми - алмазы с голубым свечением. Алмазы с желтым свечением занимают промежуточное положение.

Предполагают, что существует зависимость между некоторыми особенностями люминесценции алмаза и таким его свойством, как способность к счету ядерных частиц, которая основана на возможности некоторых видов алмазов изменять свою проводимость при возбуждении частицами с высокой энергией. Таким образом, знание особенностей люминесценции алмаза представляет большой интерес как с теоретической, так и с практической точки зрения.

Природа центров свечения алмазов до 1934 г. считалась достаточно ясной. Полагали, что они обусловлены наличием чужеродных атомов в решетке алмаза. В 1934 г. Робертсон, Мартин и Фокс на основании комплекса физических свойств установили наличие алмазов двух типов (I и II), различающихся по поглощению ультрафиолетовых и инфракрасных лучей, люминесценции (I - люминесцирует, II - нет), электропроводности (I - неэлектропроводен, II - слабо электропроводен), двойному лучепреломлению (I - наблюдается, II - нет) и др.

В 1944 г. индийский ученый Раман выдвинул новую теорию кристаллического строения алмазов, объясняющую люминесценцию как следствие неоднородностей и натяжений в кристалле, возникающих в результате взаимного проникания двух или более кристаллических структур при кристаллизации. Несмотря на большое число работ, посвященных этой проблеме, до настоящего времени природа свечения алмазов остается спорной.

Для решения некоторых практических вопросов Г. О. Гомоном проведено комплексное изучение оптических свойств алмазов на большой коллекции образцов, включающей многие разновидности этого минерала. Полученные им данные по оптическим свойствам алмазов не удалось объяснить существующими гипотезами и теориями. Поэтому была предложена новая классификация алмазов в основу которой положены различия в спектрах их люминесценции, при этом учитываются окраска, морфологические особенности образцов, состав примесей и степень совершенства кристаллической решетки [3].

Нелюминесцирующие алмазы, прозрачные до 225 нм, являются химически наиболее чистыми, и их кристаллическая решетка имеет минимальное количество дефектов. Такие алмазы объединены в первую группу предложенной классификации. Во вторую включены кристаллы с границей прозрачности 285-290 нм. Алмазы остальных групп (всего 10 групп) отличаются содержанием примесей, степенью совершенства кристаллической решетки и др.

Интенсивность свечения алмазов из разных групп при переходе от фотовозбуждения к рентгеновскому возбуждению изменяется по-разному, и зависимость интенсивности рентгенолюминесценции от интенсивности возбуждающего излучения у алмазов разных групп также различна.