การเปลี่ยนสีอัญมณีโดยการฉายรังส

(ตอนที่ 1) สีสันของแร่ธาตุ

เรามองเห็นสีได้อย่างไร

  • การมองเห็นสีสันของสิ่งต่างๆ ขึ้นกับลักษณะของแสงที่ส่องลงมาตกกระทบ
  • การมองเห็นสีของคนเราเกิดจากส่วนประกอบในดวงตา
    • เซลล์รูปแท่ง ทำหน้าที่รับแสงความเข้มต่ำ มีความไวต่อแสง ทำให้มองเห็นเป็นสีเดียว คือ สีเทา
    • เซลล์รูปกรวย สามารถแยกสีได้ในแบบสีแดง-เขียว-น้ำเงิน (Red-Green-Blue) สีที่มองเห็น ขึ้นกับสัดส่วนความเข้มของแต่ละสี (%R + %G +%B)
    • ดวงตาของเรามีความไวมากที่สุดต่อแสงสีเขียว

สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
เราสามารถมองเห็นภาพที่เกิดจาก การตกกระทบของรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในส่วนของแสง (visible spectrum) ได้แก่ แสงสีแดง ส้ม เหลือง เขียว ฟ้า น้ำเงิน ม่วง ซึ่งรวมกันเป็นสีขาว หรือไม่มีสี เรามองเห็นสิ่งต่างๆ มีสี เนื่องจากมีสีบางส่วนของสเปกตรัมสูญเสียไปในกระบวนการดูดกลืนแสง สีที่เรามองเห็น จึงเป็นส่วนของสเปกตรัมที่สะท้อนออกมา หรือไม่ถูกดูดกลืน

สเปกตรัมของแสง ที่ตาเรามองเห็น ประกอบด้วยแถบสี 7 สี
(ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง)

กระบวนการทางฟิสิกส์ในการเิกิดสีของแร่ธาตุภายในก้อนผลึก
ก้อนผลึกสามารถเกิดสี หรือเปลี่ยนสีได้ เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน การทำให้อิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับพลังงาน ซึ่งต้องใช้พลังงานที่มีค่าเฉพาะ หรือแสงที่มีความยาวคลื่นจำเพาะ ในแต่ละธาตุ

  • Luminescence: คือการที่อิเล็กตรอนกลับสู่ ground state โดยคายพลังงานที่ดูดกลืนไว้ออกมา ถ้ามีการคายแสงสีดำออกมา จะไม่พบการเปลี่ยนแปลง แต่ถ้าเปลี่ยนมุม เราอาจจะมองเห็นแสงส่วนที่ไม่ถูกดูดกลืน เช่น ถ้าดูดกลืนแสงสีแดง หรือสีส้ม จะทำให้แสงสีนี้หายไป ทำให้มองเห็นสีที่เหลือ คือ เหลือง-เขียว-น้ำเงิน-ม่วง (Y+G+B+I+V)
  • Fluorescence: คือการที่อิเล็กตรอนกลับสู่ ground state โดยการเปล่งแสงที่มีพลังงานต่ำกว่าแสงที่ดูดกลืน (เปล่งแสงที่มีสีต่างจากแสงที่ดูดกลืน)

สารเจือปนที่ทำให้เกิดสีในอัญมณี
สิ่งที่ทำให้เกิดสีในก้อนแร่ คือสารเจือปน ซึ่งเป็นแร่ธาตุอื่นที่มีปะปนอยู่ในอัญมณีในปริมาณน้อย เช่น Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu ตัวอย่างเช่น

  • ทับทิมที่มี Cr น้อยกว่า 1% จะทำให้เห็นเป็นสีชมพูหรือสีแดง แต่แร่อย่างเดียวกันที่ไม่มีโครเมียมจะเห็นว่าไม่มีสี ซึ่งแตกต่างจากอัญมณีบางชนิด เช่น turqoise ซึ่งมีส่วนที่ทำให้เกิดสีเป็นองค์ประกอบหลักของอัญมณี

ถ้าเราดูที่พลอยชนิดเดียวกัน คือ beryl การที่มีสารเจือปนที่ต่างกัน จะทำให้มีสีที่แตกต่างกัน

  • Beryl ที่เจือด้วยธาตุเหล็ก (Fe)
    • Aquamarine เป็น beryl ที่มี Fe++, ทำให้มีสีฟ้า (blue)
    • Heliodor เป็น beryl ที่มี Fe+++, ทำให้มีสีเหลือง (yellow)
    • Green beryl เป็น beryl เกิดจากส่วนผสมของ  Fe2+ กับ Fe3+
  • Beryl ที่เจือด้วยแมงกานีส (Mn):
    • Morganite เป็น beryl ที่มี Mn++ ทำให้มีสีชมพู (pink)
    • Red beryl เป็น beryl ที่มี Mn+++ ทำให้มีสีแดง (red)
  • Beryl ที่เจือด้วยโครเมียม Chromium(Cr):
    • Emerald มีสี emerald green เป็น beryl ที่มี Cr+++

จะเห็นว่า oxidation state ที่ต่างกัน เช่น Fe2+ กับ Fe3+ มีผลต่อสีเช่นกัน ถ้าไอออนของธาตุที่เจืออยู่ ทำให้เกิดสีได้ การเปลี่ยน oxidation state ก็ทำให้สีเปลี่ยนได้เช่นกัน การให้ความร้อนแก่ beryl สีเขียวหรือสีเหลือง จะทำให้ลดไอออนของเหล็ก ทำให้กลายเป็นสีฟ้า และทำให้มีราคาสูงขึ้น
Mn+++ สามารถดูดกลืนแสงได้ดี ทางปลายของสเปกตรัมด้านสีฟ้า จึงทำให้มีสีเข้ม

Beryl แต่ละสี เกิดจากแร่ธาตุที่เจืออยู่ แตกต่างกัน

สารเจือปนอย่างเดียวกันในอัญมณีต่างชนิดกัน ทำให้เกิดสีที่แตกต่างกัน

  • Chromium (Cr+++) ในทับทิม (ruby) ทำให้เกิดสีแดง (red)
  • Chromium (Cr+++) ในเบริล (beryl) ทำให้เกิดสีเขียว (emerald green)
  • Chromium (Cr+++) ใน alexandrite ทำให้เกิดสีม่วงหรือแดง
    ทั้งนี้ เนื่องจากโครเมียม ดูดกลืนแสงแตกต่างกัน เมื่ออยู่ใน beryl, emerald, และ alexandrite
  • ในกรณีของทับทิม ช่วงแสงที่ผ่านได้มากที่สุด (มีการดูดกลืนต่ำ) คือ ช่วงสีแดงของสเปกตรัม จึงมองเห็นเป็นสีแดง แต่ในบางครั้งอาจมีช่วงแคบๆ ของสีน้ำเงินที่ผ่านไปได้ ทำให้เกิดเป็นสีม่วงในทับทิมสีแดง
  • ในกรณีของมรกต ช่วงแสงที่ผ่านได้มากที่สุด คือ สีเขียว ขณะที่สีอื่นถูกดูดกลืนเกือบหมด จึงทำให้มองเห็นเป็นสีเขียว

การแลกเปลี่ยนประจุ (Charge Transfer) ทำให้พลอยเปลี่ยนสี

การแลกเปลี่ยนประจุ สามารถเกิดขึ้นได้ในสารประกอบที่มีประจุต่างกันอย่างน้อยสองแบบ และมี oxidation states หลายระดับ การแลกเปลี่ยนประจุสามารถทำให้เกิดสีที่มีความเข้มมากขึ้นในอัญมณีและแร่ธาตุหลายชนิด
คำว่า การแลกเปลี่ยนประจุ (charge transfer) หมายถึง กระบวนการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนกัน ระหว่างแต่ละธาตุ ตัวอย่างของธาตุที่สามารถเกิดการแลกเปลี่ยนประจุ ได้แก่

  • Fe2+ และ Fe3+
  • Ti3+ และ Ti4+
  • Mn2+ และ Mn3+ กับ Mn4+

นอกจากนั้น ผลึกอาจประกอบด้วยธาตุเหล่านี้หลายชนิด ซึ่งสามารถแลกเปลี่ยนประจุระหว่างกันได้

พลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับจากแสง สามารถทำให้เคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปอะตอมอื่นได้ ตัวอย่างเช่น

  1. ผลึกที่ประกอบด้วยโลหะ (M) ซึ่งมี 2 oxidation states คือ M2+ และ M4+
  2. M2+ อาจสูญเสียอิเล็กตรอนแล้วกลายเป็น M3+
  3. M4+ อาจได้รับอิเล็กตรอนจากข้อ 2 แล้วกลายเป็น M3+
  4. ดังนั้น ผลึกจึงอาจประกอบด้วย M3+ กับ M3+ หรือ M2+ กับ M4+

จะเห็นว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของคู่เหล่านี้ ซึ่งอธิบายได้ด้วยกระบวนการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนวงนอก (intervalence charge transfer)

การแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน ของอะตอมในผลึก ทำให้มีประจุเพิ่มขึ้น หรือลดลง

Color centers
Color centers คือการเกิดสีเนื่องจากความไม่สมบูรณ์ของผลึก (เกิดรอยในผลึกที่ทำให้เกิดการดูดกลืนแสง)
ส่วนใหญ่เกิดขึ้นเนื่องจากรังสี (radiation damage) เช่น ร่องรอยจากการได้รับรังสีแกมมา รังสีที่ได้รับอาจมาจากธรรมชาติ (จากแร่ธาตุ U, Th, K) หรือรังสีที่ถูกทำขึ้นมา ในบางครั้งแสง UV สามารถทำให้เกิด color centers ได้ ถ้าเกิดร่องรอยจากการได้รับรังสี อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปจากตำแหน่งปกติ กระโดดขึ้นไปอยู่ที่ตำแหน่งว่างในโครงสร้างผลึก (trap) ผลึกชนิดหนึ่งอาจมี electron trap หลายชนิด
อิเล็กตรอนในแต่ละ trap จะดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่นจำเพาะ สีที่เรามองเห็น จึงเป็นสีที่ไม่ถูกดูดกลืนจากอิเล็กตรอนใน trap เหล่านี้ ตัวอย่างเช่น

  • เพชรสีเขียว (green diamond) เกิดจากในผลึกมีบางตำแหน่งที่ขาดอะตอมของคาร์บอน จึงเกิดการดูดกลืนแสงสีแดง
  • ควอรตซ์สีเทา (smoky quartz) เกิดจาการแลกเปลี่ยนประจุของ Al+++ กับ Si4+
  • แร่เซอร์คอน (zircon) บริสุทธิ์ไม่มีสี ถ้ามียูเรเนียมเจืออยู่จะให้สีน้ำเงิน ถ้าได้รับรังสีจากการสลายตัวของยูเรเนียม จะให้สีน้ำตาลแดง
เนื่องจาก color center เป็นรูปแบบหนึ่งของร่องรอยความไม่สมบูรณ์ของผลึก ซึ่งสามารถเคลื่อนที่เมื่อได้รับพลังงาน โดยอาจเกิดจากการได้รับความร้อนหลายร้อยองศาเซลเซียส ตัวอย่างเช่น เซอร์คอนสีน้ำตาล (brown zircon) ได้รับความร้อน จะกลายเป็นสีน้ำเงิน
บางครั้งการได้รับแสงแดด โดยเฉพาะ UV ก็มีพลังงานสูงพอที่จะทำให้ color center เคลื่อนที่ได้ ตัวอย่างเช่นกรณีของ amethyst 

เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ออกจาก trap จะทำให้ color center เคลื่อนที่ไปด้วย และทำให้สีเปลี่ยนแปลงไป

การฉายรังสีอัญมณี อาจทำให้เกิด color center หลายตำแหน่ง แต่ละ trap ที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปอยู่ มีระดับพลังงานต่างกัน และทำให้ใช้พลังงานไม่เท่ากันในการทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่หลุดออกจาก trap หลักการนี้จึงใช้เป็นวิธีการในการกำหนดสีที่ต้อง หรือไล่สีที่ไม่ต้องการ โดยการใช้ความร้อน