การเปลี่ยนสีอัญมณีโดยการฉายรังส

ตอนที่ 2 การเปลี่ยนสีเมื่อได้รับรังสี

จากความต้องการอัญมณีที่เพิ่มสูงขึ้น ขณะที่แหล่งวัตถุดิบและการผลิตกลับลดลง จึงมีการใช้เทคโนโลยีเข้ามาช่วยกระบวนการทางธรรมชาติให้มีความรวดเร็วมากขึ้น โดยการปรับปรุงสีของอัญมณีด้วยการฉายรังสี หรือการใช้ความร้อนกันมากขึ้น

สารเจือปนในอัญมณี (Impurities In Gemstones)

อัญมณีมีสีสันสวยงาม เนื่องมาจากมีแร่ธาตุอื่นเจือปนอยู่ ตัวอย่างเช่น หยก (jadeite) มีโครงสร้างผลึกเป็น NaAl[Si2O6] มีสีเขียวเนื่องจากมีโครเมียม ซึ่งเป็นธาตุที่ดูดกลืนแสงสีแดง น้ำเงิน และสีม่วง ในแถบของคลื่นแสง แต่ไม่ดูดกลืนสีเขียว เหล็กมีการดูดกลืนแสงในลักษณะเดียวกัน แต่ความสามารถในการดูดกลืนอ่อนกว่าโครเมียม ทำให้ nephrite ซึ่งมีโครงสร้างผลึกเป็น Ca2(Mg,Fe+2)5[Si8O22](OH,F)2 และเป็นหยกที่เรียกว่า jade ซึ่งมีเหล็กเจืออยู่ มีสีเขียวอ่อน ต่างจากหยกที่เจือด้วยโครเมียมซึ่งจะมีสีเขียวเข้ม

เบริล (Beryl) มีโครงสร้างผลึกเป็น Be3Al2[Si6O18] ถ้าเป็นแร่ธาตุบริสุทธิ์ จะไม่มีสี แต่จะให้สีเขียวมรกต (emerald) เมื่อเจือด้วยโครเมียม แต่ถ้าเบริลเจือด้วยแมงกานีส จะมีสีชมพู เรียกว่า morganite หรือเจือด้วยเหล็ก จะเรียกว่า aquamarine

การฉายรังสีแกมมา (Gamma Radiation)
การฉายรังสีอัญมณี โดยทั่วไปใช้รังสีแกมมาจากโคบอลต์-60 (cobalt-60) รังสีแกมมาไปทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากตำแหน่งเดิม ในโครงสร้างผลึกของพลอย การเปลี่ยนสีขึ้นกับตำแหน่งที่อิเล็กตรอน กลับคืนลงในโครงสร้างของผลึก และประจุของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งเป็นตัวกำหนดลักษณะการดูดกลืนแสง หรือการให้สีของผลึก

การปรับปรุงสีของอัญมณีโดยการฉายรังสี ไม่มีสิ่งที่รับประกันได้ในความสำเร็จ เนื่องจากไม่สามารถบอกได้ว่า รังสีจะเกิดผลกับเม็ดพลอยอย่างไร จะต้องมีธาตุที่ต้องการเจืออยู่ในปริมาณที่พอเหมาะ รังสีจะต้องไปเปลี่ยนตำแหน่งของอิเล็กตรอนให้ไปอยู่ในตำแหน่งที่พอดี จึงจะเกิดสีที่ต้องการ ตามปกติพลอยหลายชนิด จะนำมาทดลองเล็กน้อยก่อน เมื่อฉายรังสีจนได้สีที่ต้องการแล้ว จึงทำในปริมาณมาก

โทแปซ มีสูตรโครงสร้างเป็น Al2[SiO4](OH,F)2 ซึ่งไม่มีสีถ้าเป็นสารประกอบบริสุทธิ์  เป็นพลอยชนิดหนึ่งที่เหมาะสำหรับการฉายรังสี เมื่อฉายด้วยโคบอลต์-60 จะเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาล (cinnamon brown) แต่จะจางลงและกลับคืนสีเดิม เมื่อได้รับแสงสว่างเป็นเวลาหลายเดือน ปัจจุบัน ได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตโทแปซสีน้ำเงิน (brilliant blue topaz) ที่มีสีคงทนถาวร แบบเดียวกับโทแปซสีน้ำเงินตามธรรมชาติ ซึ่งหาได้ยาก โทแปซสีน้ำเงินจากการฉายรังสี มีคุณสมบัติทางเคมีและคุณสมบัติทางแสงเหมือนกับพลอยธรรมชาติ ซึ่งจะแยกออกได้ด้วยกระบวนการวิเคราะห์ทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น โดยการวัดแสงที่ให้ออกมาจากพลอยที่ได้รับความร้อน
topaz เปลี่ยนสีจากการฉายรังสี
smoky quartz จากการฉายรังสีแกมมา

ควอรตซ์บริสุทธิ์ มีสูตรโครงสร้างเป็น SiO2 ซึ่งไม่มีสี การฉายรังสีสามารถใช้ได้กับควอรตซ์เช่นกัน ทำให้ได้สีเทา (smokey quartz) ทำให้ได้รับความสนใจและมีราคาสูงขึ้น แต่การเปลี่ยนสีนี้จะเกิดกับควอรตซ์สีขาวใสที่เจือด้วยอลูมิเนียม ความสำเร็จในการปรับปรุงสี ขึ้นกับตำแหน่งของอิเล็กตรอนภายหลังการฉายรังสี และสำหรับ amethysts สามารถทำได้โดยการฉายรังสี quartz ที่มีเหล็กเจืออยู่ แต่ amethysts ธรรมชาติมีอยู่ทั่วไป การผลิตโดยการฉายรังสีจึงไม่มีผลต่อราคามากนัก

เพชร (diamonds) มีสูตรโครงสร้างเป็นคาร์บอน (C) มีสีตามธรรมชาติหลายสี และสามารถนำมาฉายรังสีให้มีความแตกต่างกันได้หลายสีเช่นกัน การฉายรังสีสามารถเปลี่ยนสีเหลืองหรือเขียวอ่อนให้มีสีเข้มขึ้น แต่การฉายรังสีอัญมณีที่มีราคาสูงอย่างเช่น เพชร มีความเสี่ยงค่อนข้างสูง เพราะอาจทำให้เพชรที่มีสีอ่อนแต่ยังคงมีราคา กลายเป็นสีน้ำตาลเทาซึ่งจะหมดราคาลงไป

การเปลี่ยนสีอัญมณีโดยการเหนี่ยวนำนี้ ไม่ได้ให้ผลถาวรเสมอไป คุนไซต์ (kunzite) มีสูตรโครงสร้างเป็น LiAl[Si2O6] มีสีขาวใสหรือสีม่วงอ่อน เมื่อฉายด้วยโคบอลต์-60 ประมาณ 15 นาที จะกลายเป็นสีเขียวใส การฉายรังสีจะไปเปลี่ยนแปลงประจุไฟฟ้าที่ไอออนของแมงกานีสในพลอย จาก +3 ไปเป็น +4 แต่เมื่อได้รับแสงสว่าง ไอออนที่มีประจุ +4 ได้รับอิเล็กตรอนเข้ามาในโครงสร้างผลึก ทำให้กลับกลายเป็นสีขาวใสอย่างเดิม 

การใช้ความร้อน (Heat Treatment)
การเปลี่ยนสีอัญมณีด้วยการฉายรังสี เป็นกระบวนการที่ค่อนข้างใหม่ เมื่อเปรียบเทียบกับการใช้ความร้อน ที่มีการทำมาเป็นเวลานานแล้ว โดยมีการพัฒนามาตั้งแต่การเผาอย่างง่ายๆ ในเหมืองพลอย ไปจนถึงการทดลองที่มีการทำอย่างเป็นกระบวนการ

อัญมณีที่ได้ผลดีจากการเปลี่ยนสีด้วยความร้อน คือ aquamarine ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วมีหลายสี ได้แก่ สีเหลือง เหลืองเขียว เขียวน้ำเงิน และสีน้ำเงิน ขึ้นอยู่กับประจุของอะตอม และตำแหน่งของอะตอมธาตุเหล็กในผลึก การให้ความร้อนจะทำให้ประจุของอะตอมเปลี่ยนจาก +3 ไปเป็น +2 และทำให้เปลี่ยนจาก สีเหลือง (yellow aquamarine) เป็นสีน้ำเงิน (blue aquamarine) ซึ่งมีราคาสูงขึ้น

เพชร (Diamonds)
ในธรรมชาติมีเพชรสีเขียว ซึ่งมีการเปลี่ยนสีจากการได้รับรังสีตามธรรมชาติ เนื่องจากอะตอมของคาร์บอน หลุดออกจากโครงสร้างผลึกของเพชร แล้วอิเล็กตรอนเข้าไปแทนที่ ทำให้เกิด color center ที่เรียกว่า GR1 center การฉายรังสีในห้องปฏิบัติการ สามารถให้เพชรได้หลายสี เช่น เพชรสีเขียวและเพชรสีน้ำเงิน หรือ เพชรสีเหลือง และเพชรสีส้ม จากการฉายรังสีกับให้ความร้อน

เพชรสีน้ำเงิน สีเขียว สีส้ม และเพชรสีเหลือง จากการฉายรังสี

แคลไซต์ ( Calcite)
การฉายรังสีสามารถทำให้แคลไซต์ เปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินและสีเหลืองอำพัน 
รังสีธรรมชาติทำให้เกิดแคลไซต์สีน้ำเงิน (blue calcite) ซึ่งสามารถทำการทดลองได้ โดยตัดผลึกแคลไซต์ไม่มีสี ให้มีขนาด 3 mm ถ้านำไปฉายรังสีแกมมา จะให้เป็นสีเหลืองอำพัน แต่ถ้านำไปอัดกับเม็ดของสารประกอบ โปแตสเซียมโบรไมด์ แล้วนำไปฉายรังสี จะกลายเป็นสีน้ำเงิน

ฟลูออไรต์ (Fluorite)
ฟลูออไรต์มีสีได้หลากหลายสี ส่วนใหญ่เกิดจากการได้รับรังสีในธรรมชาติ โดยมีธาตุในกลุ่ม Rare-earth เจือปน ซึ่งจะเกิดปฏิกิริยากับรังสีในธรรมชาติ ทำให้เกิดสีได้มากมาย เช่น การฉายรังสีแกมมาจาก Cs-137 ทำให้  Mexican fluorite ที่ไม่มีสี กลายเป็นฟลูออไรต์สีม่วง (Purple fluorite)

แฮไลต์ (Halite)
Blue halite จากการฉายรังสี
ถ้าแฮไลต์ (เกลือธรรมชาติ) ฉายด้วยรังสีแกมมา จะกลายเป็นสีอำพัน เนื่องจากเกิด f-centers ซึ่งส่วนใหญ่เป็น electrons trap ในตำแหน่งที่ขาดไอออนของคลอรีน (Cl- ions) เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปที่ไอออนของโซเดียม (Na+ ion) จะเกิดการรีดิวซ์ ทำให้อะตอมของโซเดียมไปรวมกันเป็นรูป colloid และกลายเป็นสีน้ำเงิน

แคลไซต์
ฟลูออไรต์
แฮไลต์

โทแปซ (Topaz)

  1. โทแปซสีน้ำตาลเกิดจากการได้รับรังสีตามธรรมชาติ เหนี่ยวนำให้เกิด color centers สีนี้ไม่เสถียร จะจางลงเมื่อได้รับแสงสว่าง เป็นเวลาหลายชั่วโมงหรือเป็นวัน เนื่องจากแสงไปไล่ color centers ออกจากผลึก 
  2. โทแปซธรรมชาติที่ไม่มีสี เมื่อฉายด้วยรังสีแกมมา จะกลายเป็นสีน้ำตาล ถ้านำไปเผาจะกลายเป็นสีน้ำเงิน โทแปซสีน้ำเงินในท้องตลาดในปัจจุบัน ส่วนใหญ่เป็นโทแปซที่ผ่านการฉายรังสีแกมมา อิเล็กตรอนพลังงานสูง หรือใช้เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูฯ

ทัวมาลีน (Tourmaline)
ทัวมาลีนสีชมพูตามธรรมชาติ เป็นทัวมาลีนที่เจือด้วยแมงกานีสและได้รับรังสีธรรมชาติ ห้องปฏิบัติการสามารถทำได้เช่นกันโดยการฉายรังสีแกมมาจากโคบอลต์-60

โทแปซก่อนการฉายรังสี
โทแปซฉายรังสีนิวตรอน
ทัวมาลีนฉายรังสีแกมมา