Thành phần hóa học của Conrindon là Alumin Al2O3, khi nó tinh khiết là Saphia không màu, màu sắc của Ruby là do lượng rất nhỏ của Oxit Crôm, màu xanh của Saphia là do một lượng nhỏ của nguyên tố Sắt và Titan.
Năm 1986, người ta đã phân tích thành phần hóa học của Corindon bằng phương pháp hiện đại và cho được bảng hàm lượng như sau: Al2O3 (trên 99,4%); SiO2 (0,03 – 0,06%); Na2O (từ vết – 0,01%); K2O (từ vết – 0,02%); MgO (từ vết – 0,05%); CaO (từ vết – 0,02%); Fe (0,12 – 0,22%); MnO (từ vết – 0,03%); TiO2 (0,01 – 0,02%).
Hình 5.2:Corindon với nhiều màu khác nhau và viên Ruby tự nhiên của Việt Nam
Thành phần hóa học chính của Ruby là Al2O3 (oxít nhôm) với một lượng rất nhỏ Cr2O3 (oxit Crôm).
Công thức hóa học: Al2O3::Cr
5.1.2. Cấu trúc tinh thể
Ruby nằm trong nhóm Hematit (X2O3), cấu trúc của nhóm khoáng vật này dựa trên hình 6 phương khép kín của nguyên tử Oxi với các cation trong khối
tám mặt giữa chúng. Trên cơ sở hình chiếu của cấu trúc Ruby chỉ ra rằng có 2/3 khoảng trống của tám mặt là được lấp bởi cation Al3+. Liên kết hóa trị tĩnh điện hoặc lực lượng liên kết của mối liên kết Al3+, bởi ion Al3+ được bao quanh bởi 6 ion Oxi, hóa trị tĩnh điện của mỗi sáu liên kết nguyên tử Al-O trong phân tử bằng ½. Mỗi ion Oxi được chia sẻ giữa 4 khối tám mặt, nghĩa là 4 liên kết nguyên tử trong phân tử điện hóa trị bằng ½ lượng tỏa ra từ một vị trí Oxi.
Mỗi khối tám mặt chung 1 mặt giữa 2 lớp cận kề theo chiều thẳng đứng của các chống khối tám mặt (sắp xếp chồng lên nhau).
Công thức hóa học của Ruby là Al2O3, ở dạng α-alumina với một phần nhỏ các ion Cr3+ thay thế vị trí của Al3+ trong mạng tinh thể.
Hình 5.3:Mô hình cấu trúc tinh thể của Ruby
Đặc tính tinh thể học của Ruby: kết tinh trong biến thể ba phương của tinh thể hệ 6 phương, thuộc lớp 32/m với các yếu tố đối xứng:
• Một trục đối xứng bậc ba, tượng trưng cho 1 trục bậc 3 đảo.
• Ba trục đối xứng bậc 2 vuông góc với trục bậc 3.
• Ba mặt đối xứng vuông góc với trục bậc 2 và cắt nhau dọc theo trục có thứ tự cao.
• Một tâm đối xứng.
Ruby là một khoáng vật của Nhôm : Al2O3, kết tinh ở hệ lục phương, có hình dạng thường gặp là lăng trụ, hình tấm 6 mặt, hai tháp 6 phương,…
Hình 5.4:Mô hình một số dạng tinh thể thường gặp của Ruby
5.2. Các tính chất vật lý và quang học
5.2.1. Tính chất vật lý
Cát khai: Ruby không có cát khai, nhưng có thể tách theo một số hướng nhất định.
Vết vỡ: Vỏ sò.
Độ cứng: Ruby có độ cứng tương đối là 9 ( theo thang Mohs) chỉ đứng sau kim cương, độ cứng biến đổi theo các hướng khác nhau.
Màu vết vạch: Trắng.
Tỉ trọng: Ruby : 3,95 – 4,05; thường là 4,00.
5.2.2. Tính chất quang học
Có khuynh hướng hấp thụ ánh sáng trong vùng từ xanh lục đến tím vì vậy cho đá có màu đỏ.
Chiết suất: 1,766 – 1,774 Lưỡng chiết suất: 0,008 Độ tán sắc: 0,018
Phổ hấp thụ (nm): 6942, 6928, 6680, 6100, 5000, 4765, 4750, 4685.
Tính phát quang: mạnh, đỏ phớt tím (huỳnh quang khác nhau theo những vùng mỏ).
5.3. Đặc điểm bao thể
Trong Ruby sự có mặt phổ biến các bao thể ở các dạng khác nhau, điều đó giúp phân biệt giữa Ruby tự nhiên và Ruby nhân tạo.
Nếu viên đá chứa bao thể rutin hình kim que với số lượng khá lớn thì viên đá có ánh bên trong mềm mại, nếu cắt theo kiểu cabochon thì có thể được viên Ruby có hiện tượng mắt mèo hoặc hình sao.
Ruby cũng có nhiều loại bao thể như: lỏng, khí, bao thể ”rắn” và “hỗn hợp”: rutin, granat, fenspat, canxit…
Hình 5.5:Các bao thể rutin, canxit,…trong Ruby Việt Nam và các dạng bao thể lụa của rutin gây nên hiệu ứng “sao” trong Ruby
CHƯƠNG VI: XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ BẪY CỦA RUBY TỰ NHIÊN BẰNG NHIỆT PHÁT QUANG 6.1. Đường cong nhiệt phát quang
Vật liệu là Ruby tự nhiên được chiếu xạ bằng chùm tia electron trong hai ngày. Sau đó được bọc kỹ bởi một lớp nhôm bảo vệ cho đến khi thực hiện phép đo đường nhiệt phát quang.
Hình 6.1 là đường nhiệt phát quang thu được của ruby tự nhiên tại Bộ môn Vật lý Chất rắn.
Hình 6.1:Đường cong phát quang của Ruby tự nhiên
Ta thấy đường nhiệt phát quang của ruby có một đỉnh chính ở 2430C. Ngoài ra còn có thể có một số đỉnh ở ngoài khoảng 3500C mà hệ thiết bị đo không thu nhận được do nhiệt độ lớn nhất mà hệ nâng nhiệt xây dựng là gần 4000C.
6.3. Giải chập đường cong nhiệt phát quang, xác định thông số bẫy của Ruby tự nhiên của Ruby tự nhiên
6.2.1. Dùng phương pháp sườn lên ban đầu
Sườn lên của đường cong phát quang là một hàm mũ có dạng I(T) = Const.exp(- ) (6.1) Lấy Ln hai vế của, ta được
LnI(T) = Ln(Const) – (6.2)
Vẽ đồ thị của LnI(T) theo 1/kT, ta được đường thẳng có hệ số góc là E và giao điểm ngoại suy của nó với trục tung là Ln(Const), từ đó xác định được độ sâu E (eV) của bẫy.
Trong hình 6.2, các điểm thực nghiệm là các ô vuông, được vẽ với 12 cặp giá trị của LnI(T) và 1/T. Đường liền nét là đường fitting tốt nhất đi qua các điểm thực nghiệm này. Phương pháp này cho kết quả các thông số như sau: E = 1.9700 (eV), s’’ = 2.7300x1020 (s-1). Độ tin cậy của việc fitting các giá trị thực nghiệm theo đường lý thuyết là R2 = 0.9988.
Hình 6.2:Áp dụng phương pháp sườn lên ban đầu cho 12 cặp giá trị thực nghiệm.
6.2.2. Phương pháp fitting tự do
Từ các thông số ban đầu tìm được bằng phương pháp sườn lên của mẫu Ruby tự nhiên, lần lượt thay đổi các thông số phù hợp sao cho đường lý thuyết trùng với đường phát quang thực nghiệm bằng phương pháp fitting. Khi đó ta đã giải chập thành công đường phát quang của ruby. Việc giải chập cho thấy đường phát quang tổng hợp gồm 6 đỉnh đơn và thu được các thông số động học của Ruby tự nhiên.
Bảng 1 dưới đây giới thiệu các thông số động học của Ruby tự nhiên sau khi giải chập bằng phương pháp fitting.
[Type a quote from the
Bảng1: Bảng số liệu các thông số bẫy của Ruby tự nhiên tìm được bằng phương pháp fitting
Hình 6.3 là đường cong phát quang gồm 6 đỉnh của Ruby tự nhiên sau khi giải chập bằng phương pháp fitting. Đường chấm tròn đen là đường thực nghiệm. Đường đỏ đậm nét là đường fitting. Các đường đứt nét là các đường đỉnh đơn được giải chập từ đường phát quang tổng hợp
41 Đỉnh E (eV) b s’’.1020 (s-1) 1 1.9700 1.10 2.7300 2 2.1300 1.10 4.0000 3 2.2500 1.10 11.5000 4 2.3220 1.10 35.0000 5 2.3480 1.70 6.3000 6 2.4200 1.80 6.0000
Hình 6.3: Giải chập đường cong phát quang của Ruby tự nhiên bằng phương pháp fitting tự do.
6.3. Một số kết quả tham khảo
Đường phát quang thu được từ thực nghiệm có hình dạng khá giống với các kết quả nghiên cứu của các tác giả trong các tài liệu tham khảo.
Đường phát quang của ruby tự nhiên theo nghiên cứu của G. E. Arkhangelskii và các cộng sự [6] được chiếu xạ với các điều kiện khác nhau đã cho các dạng đường cong phát quang như sau:
• Đường 1: Mẫu được chiếu xạ bằng tia γ, nhiệt độ đỉnh chính Tmax
= 2990C, E = 1.49 eV.
• Đường 2: Mẫu được chiếu sáng bằng quang học, có nhiệt độ đỉnh chính
Hình 6.4:Đường nhiệt phát quang của Ruby tự nhiên Đường 1 được chiếu xạ bằng tia γ: Tmax = 2990C, E = 1.49 eV Đường 2 được chiếu sáng bằng quang học: Tmax = 3190C, E = 1.47 eV
Với kết quả tiến hành đo đường cong phát quang của S. Govinda trong đề tài nghiên cứu của mình [7], tác giả đưa ra dạng đường cong phát quang của Ruby tự nhiên với một đỉnh chính (đường 2).
Mẫu Ruby tự nhiên này được chiếu xạ bằng chùm tia X trong 4 giờ, có nhiệt độ đỉnh chính vào khoảng Tmax = 340OC.
Hình 6.5: Đường cong nhiệt phát quang của Ruby tự nhiên chiếu xạ bằng chùm tia X trong thời gian 4 giờ, Tmax = 3400C.
Từ các kết quả tham khảo của các tác giả với công trình nghiên cứu liên quan, ta quan sát thấy dạng đường cong nhiệt phát quang đo được của mẫu Ruby tự nhiên thu được của ta cũng phù hợp với các công trình trên. Tuy nhiên, về kết quả giải chập đường cong nhiệt phát quang để xác định các thông số bẫy của ta vẫn chưa mang tính khách quan vì các tài liệu so sánh và đối chiếu không nhiều và rộng.
Nếu có thời gian để khảo sát tiếp theo, chúng tôi sẽ dùng thêm các phương pháp phụ trợ khác để kết quả thu được có độ chính xác cao. Chúng tôi cũng muốn khảo sát thêm ảnh hưởng của các loại tia chiếu xạ khác lên hình dạng đường phát quang cũng như các thông số động học của ruby tự nhiên.
KẾT LUẬN
Bằng cách ứng dụng kiến thức về lý thuyết nhiệt phát quang và lý thuyết các phương pháp giải chập đường cong phát quang, chúng tôi đã xác định được các thông số bẫy đặc trưng của Ruby tự nhiên, bước đầu trong việc tìm hiểu mô hình khuyết tật của Ruby tự nhiên, yếu tố quan trọng quyết định màu sắc cũng như cơ sở của việc thẩm định chất lượng, giá trị hoàn hảo của loại đá quý này.
Vì thời gian không cho phép, chỉ sử dụng phương pháp sườn lên ban đầu và fitting tự do để giải chập đường cong nhiệt phát quang của Ruby tự nhiên, hơn nữa kết quả thu được còn mang tính chủ quan do chưa có sự so sánh nhiều với các công trình cùng hướng thực nghiệm khác.
Để đề tài được hoàn thiện hơn, em rất mong có điều kiện để kiểm tra lại kết quả thực hiện của mình.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trương Quang Nghĩa, Giáo trình môn học nhiệt phát quang và ứng dụng
[2] Phạm Văn Long, 1999.Đặc điểm bao thể rubi, saphir Lục Yên. TC Địa chất, A/252 : 21-28, Hà Nội
[3] http://www.rgg.vn
[4] http://tungpathfinder.wordpress.com
[5] M. Martini & F. Meinardi (1997), Thermally stimulated luminescence: new perspectives in the study of defects in solids.
[6] G. E. Arkhangelskii, Z. L. Morgenshtern & V. B. Neustruev, Colour Centres in Ruby Crystals.