Minerały i Kamienie szlachetne

Najpewniejszym i najdokładniejszym sposobem rozpoznawa­nia i określania minerałów, szczególnie ich wewnętrznej budowy, jest stosowanie metod rentgenograficznych, tj. polegających na przepuszczaniu przez badany kryształ promieni rentgenowskich. Promienie te odkrył w 1895 r. W. Roentgen, który nadał im nazwę promieni X. W niektórych krajach, zwłaszcza anglosaskich, nazwę tę stosuje się do dzisiaj, w innych używa się nazwy promienie Roentgena lub rentgenowskie. Niewidzialne promieniowanie rent­genowskie, podobnie jak promieniowanie optyczne, czyli światło. jest promieniowaniem elektromagnetycznym. Od światła widzial­nego różni się mniejszą o 1000 razy długością fal, a więc i większą przenikliwością, gdyż może przechodzić przez grube warstwy Ciał nieprzezroczystych dla światła. Przy przechodzeniu przez mate­rię promienie rentgenowskie ulegają pochłanianiu i rozpraszania oraz wywołują różnego rodzaju zjawiska, np. zaciemnienie błony fotograficznej, co wykorzystywane jest do rejestracji wyników badań za pomocą tych promieni.

Do wytwarzania promieni Roentgena służą stale ulepszane i coraz doskonalsze pod względem technicznym aparaty. Ich za­sadniczymi składowymi częściami są lampa rentgenowska i gene­rator wysokiego napięcia. Promienie Roentgena powstają pod wpływem bombardowania anody lampy rentgenowskiej elektro­nami wysyłanymi przez katodę. Katodą jest rozżarzona spirala stanowiąca źródło elektronów. Anoda zbudowana jest z takich me­tali, jak wolfram, miedź, kobalt, żelazo lub chrom. Pod wpływem bombardowania pociskami elektronowymi o dużej prędkości na­danej im wskutek wysokiego napięcia, anoda staje się sama źró­dłem nowego promieniowania — promieniowania rentgenow­skiego.

W 1912 r. fizyk niemiecki M. Laue stwierdził, że skoro kry­ształy mają budowę sieciową, a promienie rentgenowskie są fala­mi elektromagnetycznymi o długości podobnej do odległości mię­dzy atomami w sieci przestrzennej kryształu, to przenikając przez kryształ fale te powinny ulec ugięciu na atomach jego sieci. Słusz­ność tego poglądu została udowodniona doświadczalnie przez Lau­ego i jego uczniów. Przepuścili oni wiązkę promieni Roentgena przez kryształ i na umieszczonej poza nim kliszy fotograficznej otrzymali obraz, zwany rentgenogramem, świadczący o ugięciu wiązki promieni. Doświadczenie to potwierdziło sieciową budowę kryształu oraz elektromagnetyczną naturę promieni Roentgena. Prześwietlanie minerałów promieniami rentgenowskimi umożli­wiło bezpośrednie badanie ich budowy wewnętrznej.

Środek rentgenogramu zajmuje plama pochodząca od promie­ni nieugiętych. Naokoło niej grupują się mniejsze punkty, będące śladami promieni ugiętych na atomach tworzących sieć prze­strzenną. Układ tych punktów ma ścisły związek z symetrią prze­świetlanego kryształu. Zjawisko to występuje najwyraźniej, gdy promienie Roentgena przepuszcza się w kierunku osi symetrii krystalograficznej — na podstawie układu punktów można wte­dy rozpoznać jej krotność.

Badania minerałów za pomocą promieni Roentgena mogą być wykonywane różnymi metodami. W zależności od stosowanej me­tody uzyskuje się różne rentgenogramy. Do najważniejszych na­leżą metody: Lauego, obracanego kryształu oraz proszkowa. W metodzie Lauego nieruchomo umieszczony pojedynczy kryształ (monokryształ) prześwietla się wiązką promieni Roentge­na. W sieci przestrzennej kryształu promienie pierwotnej wiązki ulegają ugięciom w pewnych kierunkach. Wiązki promieni ugię­tych rejestruje się na filmie rentgenowskim, ustawionym prosto­padle do kierunku wiązki pierwotnej. Otrzymany rentgenogram informuje o symetrii kryształu w kierunku, w którym kryształ był prześwietlony wiązką pierwotną.

W metodzie obracanego kryształu badany kryształ jest obra­cany wokół osi prostopadłej do wiązki promieni rentgenowskich. Na otrzymanym rentgenogramie zaczernienia emulsji wywołane przez wiązki promieni ugiętych ułożone są wzdłuż warstwie. Wy­konując trzy rentgenogramy w trzech kierunkach krystalograficz­nych można na podstawie odstępu między warstwicami określić stałe sieciowe a, b, c.

Metoda proszkowa polega na prześwietlaniu bardzo drobnych, bezładnie ułożonych ziarn sproszkowanego minerału. Rentgeno­gram proszkowy daje przegląd wiązek ugiętych przez krystalicz­ną sieć przestrzenną kolejno pod coraz większymi kątami. Metoda proszkowa umożliwia wiele różnych badań minerałów, min. ich identyfikację i wyznaczanie stałych sieciowych. Od czasu odkrycia możliwości zastosowania promieni rentge­nowskich do badania budowy wewnętrznej nastąpił ogromny ro­zwój krystalografii. Badania rentgenograficzne pozwoliły powią­zać wewnętrzną budowę kryształów z ich własnościami fizyczny­mi i składem chemicznym. Potwierdziły one również dawniejsze teorie o sieci przestrzennej i rodzajach symetrii przestrzennej rozmieszczenia atomów. Umożliwiło to ustalenie w wielu grupach minerałów ścisłego, prawidłowego rozmieszczenia jonów (kationów i anionów) utrzymywanych siłami elektrostatycznymi mającymi związek z wartościowością chemiczną. Dzięki tym badaniom moż­na było ustalić ściślejsze wzory chemiczne wielu skomplikowa­nych związków, co z kolei umożliwiło przeprowadzenie racjonal­nej klasyfikacji minerałów. Odnosi się to szczególnie do krzemia­nów, stanowiących najliczniejszą grupę minerałów.

Potwierdzenie metodami rentgenograficznymi teorii sieciowej budowy kryształów stało się podstawą współczesnej rentgenograficznej analizy ich struktury. Osiągnięcia w tej dziedzinie stały się podstawą nowej gałęzi nauki — krystalochemii — zajmującej się zależnością między strukturą minerałów i ich składem che­micznym.

Zastosowanie metod rentgenograficznych pozwala na identy­fikację kamieni szlachetnych, gdy zawodzą inne metody, a ana­lizą chemiczną nie można się posłużyć ze zrozumiałych względów. Metody te stosuje się szczególnie przy odróżnianiu kamieni natu­ralnych od syntetycznych, które są coraz doskonalsze i stają się poważnym konkurentem kamieni naturalnych. Metodami rentge­nograficznymi można łatwo odróżnić diament od różnych naśladownictw, których liczba ostatnio wzrasta (kamienie syntetyczne).