Теплопроводность и термическая инерция драгоценных камней

Различные металлы, как правило являются хорошими проводниками и тепла, и электричества, в то время как большинство драгоценных камней — плохие проводники тепла и электричества. Наиболее ярким исключением из этого правила является алмаз, который проводит тепло во много раз лучше, чем медь и даже серебро, и, за исключением природных голубых алмазов, не проводит электричество.

Эта способность алмаза проводить тепло широко применяется в электронной промышленности как эффективное средство для отвода тепла от мощных полупроводниковых устройств в медные теплоотводы. И только в 1979 г. появились первые приборы для тестирования драгоценных камней, в которых это свойство использовалось для идентификации алмаза.

Чтобы сравнить относительные тепловые свойства драгоценных камней, нужно вначале дать определения этим свойствам. Теплопроводность является мерой способности материала проводить тепло, тогда как термическая инерция указывает на реакцию материала на периодический (циклически меняющийся) нагрев. Чтобы объяснить аномалии, которые встречаются при определении относительной теплопроводности драгоценных камней с помощью некоторых приборов, Б. Гувер предположил, что эти приборы фактически измеряют не удельную теплопроводность, а термическую инерцию. Поэтому было решено, что более точным названием для таких приборов будет «измеритель теплопроводности». Однако нужно помнить, что в более простых приборах используется постоянный, а не переменный источник тепла и исследуемые камни проводят тепло от наконечника в металл оправы, а в случае незакрепленных камней — в металлический теплоотвод инструмента.

Тестеры для определения теплопроводности

Метод нагрева наконечника и определения его температуры может осуществляться с помощью одного или двух термисторов (компонент электрической цепи, сопротивление которого меняется пропорционально изменению температуры) или с помощью резистивного нагревателя и термопары (спай двух различных металлов, на контакте которых возникает электрическое напряжение, пропорциональное его температуре). Металлическая пластина при исследовании обычно действует как теплоотвод для незакрепленных камней массой менее половины карата. В случае закрепленных камней тепло переходит через камень (если это алмаз) в оправу.

Металлы, используемые для оправ драгоценных камней, имеют удельную теплопроводность, близкую к ее значениям для алмаза, и если наконечник случайно коснется оправы, может появиться ложный сигнал, как бы указывающий на то, что это алмаз. Чтобы избежать подобной ошибки, в некоторых тестерах специальная встроенная система подает звуковой сигнал в том случае, если наконечник коснется металла. При этом возникает небольшое электрическое напряжение между наконечником тестера и его металлическим кожухом. Если оправу камня держать в одной руке, а наконечник — в другой, незначительный электрический ток пройдет через тело исследующего камень человека, когда наконечник коснется металлической оправы. Этот ток и активирует зуммер.

Поскольку свойственные измерителям теплопроводности преимущества и недостатки хорошо дополняют особенности рефлектометров, некоторые производители объединяют оба метода в одном приборе.

Хотя большинство тестеров по теплопроводности разработано для различения алмаза и его имитаций, выпускается и несколько других приборов, которые идентифицируют и те, и другие драгоценные камни по их теплопроводности. За исключением алмаза и синтетического муассанита, драгоценные камни характеризуются очень ограниченным диапазоном значений теплопроводности от стекла (1,0) до корунда (40). Поэтому такие приборы должны обладать большой чувствительностью, для того чтобы уловить очень малые различия, и их использование требует соблюдения определенных условий. В помещении, где проводятся измерения, не должно быть сквозняков и должна поддерживаться определенная температура. Сам драгоценный камень перед исследованием должен иметь устойчивую температуру (обычно температуру тела), а наконечник должен касаться поверхности камня под прямым углом.

Метод, используемый для определения теплопроводности драгоценных камней в таком узком диапазоне значений, достаточно прост. Когда наконечник приходит в контакт с драгоценным камнем и его температура начинает падать, вначале она достигает определенного уровня, при котором включается электрическая цепь таймера. На следующем, более низком уровне температуры цепь выключается, и относительная теплопроводность драгоценного камня выводится на цифровой дисплей как временной интервал между двумя температурными уровнями. Чем выше теплопроводность камня, тем короче временной интервал и меньше числовое значение. Однако, так же как многие камни имеют близкие или перекрывающиеся значения удельного веса и показателя преломления, существует много камней с близкими или перекрывающимися значениями теплопроводности. Поэтому использование такого типа приборов ограничивается идентификацией весьма небольшого количества камней, а в случае очень мелких закрепленных камней дает только общую ориентацию, если их нет возможности проверить с помощью более обычного оборудования.

Хотя в общем разница между теплопроводностью природных драгоценных камней и их синтетических аналогов невелика, этот более чувствительный тип прибора можно использовать для того, чтобы различить природный изумруд и синтетические продукты фирм Chatham, Crescent Vert, Gilson, Lennix, полученные методом кристаллизации из раствора в расплаве, так как последние имеют вдвое большую теплопроводность, чем природный камень. Синтетические изумруды, выращенные гидротермальным методом (такие, как Biron, Lechleitner/Linde), также обладают лучшей теплопроводностью, чем природный, но разница не столь значительна, как в первом случае.

Прибор «Альфа-тест» мог бы помочь отличить алмаз от недавно появившейся его имитации — синтетического муассанита. Поскольку теплопроводность синтетического муассанита ближе к теплопроводности алмаза, чем других имитаций, даже с помощью этого прибора он может быть ошибочно диагностирован как алмаз.

«Альфа-тест» можно также использовать для разделения зеленовато-коричневого перидота от сингалита, удельный вес, показатель преломления и двупреломление которых настолько близки, что различить эти камни очень трудно (теплопроводность сингалита вдвое выше, чем перидота, и дает более низкое значение на дисплее прибора «Альфа-тест»).