Nghiên cứu công nghệ xử lý làm đổi màu nhằm tăng chất lượng của khoáng vật topaz việt nam

1

TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU – KIỂM ĐỊNH
ĐÁ QUÝ VÀVÀNG














BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ
LÀM ĐỔI MÀU NHẰM TĂNG CHẤT LƯỢNG
KHOÁNG VẬT TOPAZ VIỆT NAM

7591
14/01/2010



Hà Nội, 2009

2
TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU – KIỂM ĐỊNH
ĐÁ QUÝ VÀVÀNG

BÁO CÁO ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ
LÀM ĐỔI MÀU NHẰM TĂNG CHẤT LƯỢNG
KHOÁNG VẬT TOPAZ VIỆTNAM


ĐƠN VỊ CHỦ TRÌ THỰC HIỆN NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN
Trung tâm Nghiên cứu – Kiểm định 1. TS. Phạm Văn Long Chủ nhiệm
Đá quý và Vàng 2. KS. Phạm Thị Hải Yến
3. KS. Phạm Đức Anh


TS. Phạm Văn Long










Hà Nội, 2009

3
MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU
5
Chương 1. ĐẶC ĐIỂM CHẤT LƯỢNG CỦA KHOÁNG VẬT TOPAZ
VIỆT NAM

7
1.1. Khái quát
7
1.1.1. Topaz kiểu F 7
1.1.2. Topaz kiểu OH 8
1.2. Đặc điểm chất lượng của topaz Việt Nam
8
1.2.1. Các tính chất vật lý và quang học 8
1.2.2. Đặc điểm thành phần hoá học của topaz Việt Nam 9
1.2.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất tới tính phóng xạ củ
a topaz
sau chiếu xạ

11
1.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng màu sắc của topaz
12
1.3.1. Tương quan giữa màu sắc của topaz với thành phần hoá học 12
1.3.2. Tương quan giữa màu sắc của topaz với kiểu nguồn gốc thành tạo 13
1.4. Nguyên nhân gây màu của topaz
14
1.4.1. Các loại tâm màu 14
1.4.2. Nguyên nhân sinh ra tâm màu trong topaz 16
1.4.3. Tâm màu hình thành do chiếu xạ 18
1.4.4. Tâm màu và độ bền của chúng 19
Chương 2. CÔNG NGHỆ XỬ LÝ LÀM ĐỔI MÀU KHOÁNG VẬT

TOPAZ VIỆT NAM

21
2.1. Các phươ
ng pháp xử lý làm đổi màu topaz
21
2.1.1. Phương pháp xử lý nhiệt 21
2.1.2. Phương pháp xử lý khuyếch tán màu 22
2.1.3. Phương pháp chiếu xạ 23
2.2. Ứng dụng công nghệ chiếu xạ làm đổi màu khoáng vật topaz Việt
Nam

29
2.2.1. Thiết bị thực nghiệm chiếu xạ 29
2.2.2. Quy trình xác định liều chiếu xạ 33
2.2.3. Chuẩn bị nguyên liệu 34
2.2.4. Quy trình chung chiếu xạ topaz Việt Nam 36

4
2.2.5. Tóm tắt các quy trình thực nghiệm của Đề tài 39
2.3. Một số sự cố thường gặp, nguyên nhân và biện pháp khắc phục
42
2.3.1. Các viên nguyên liệu khác nhau có độ chuyển màu khác nhau 42
2.3.2. Hiện tượng nứt vỡ khi chiếu tia EB, làm mát kém 42
2.3.3. Hiện tượng đánh thủng điện và sinh đới màu khi chiếu tia EB năng
lượng thấp

43
2.4. Khả năng sử dụng của topaz sau chiếu xạ
43

2.4.1. Đánh giá độ ổn định màu củ
a topaz sau xử lý 43
2.4.2. Đánh giá hoạt độ phóng xạ tàn lưu 44

KẾT LUẬN

46

PHỤ LỤC

48

TÀI LIỆU THAM KHẢO

53

5
MỞ ĐẦU
Topaz là khoáng vật đá quý khá phổ biến ở nhiều nước trên thế giới trong các
mỏ có nguồn gốc pegmatit. Màu chính của khoáng vật topaz thường là không màu, số
lượng ít hơn có màu vàng nhạt, và hiếm hơn nữa là loại màu xanh lam. Loại topaz
thích hợp để sản xuất hàng trang sức và do đó có giá trị rất cao là các loại có màu
hiếm (lam, hồng, champain, lục, ) và có giá trị cao gấp nhiều lần so với loại không
màu. Hiện nay >99% topaz để sản xu
ất hàng trang sức là topaz đã qua xử lý với các
công nghệ khác nhau (chủ yếu là chiếu xạ) để cho ra các loại màu được ưa chuộng.
Trên thế giới việc áp dụng các công nghệ xử lý hiện đại để chuyển loại topaz từ
không màu sang các màu được ưa chuộng và có giá trị cao đã được thực hiện từ lâu
và mang lại hiệu quả cũng như giá trị kinh tế rất lớn.
Topaz ở Việt Nam được phát hi
ện ở nhiều nơi như Xuân Lẹ (Thường Xuân,
Thanh Hoá), Thạch Khoán (Vĩnh Phúc), Lộc Tân (Lâm Đồng), và với triển vọng
khá lớn, tuy nhiên hầu hết chúng là loại topaz không màu hầu như không có giá trị
trong việc sản xuất hàng trang sức. Trong khi đó nhu cầu sử dụng topa có màu để sản
xuất hàng trang sức ở trong nước lại rất cao và chủ yếu được nhập từ nước ngoài. Do
vậy, đề tài “Nghiên cứu công nghệ xử lý làm
đổi màu nhằm tăng chất lượng của
khoáng vật topa Việt Nam“ được xây dựng để đáp ứng tính cấp thiết trên.
Đề tài được thành lập theo Quyết định số 6363/QĐ-BCT ngày 2 tháng 12 năm
2008 của Bộ trưởng Bộ Công Thương.

Mục tiêu của Đề tài là: Xây dựng được quy trình xử lý chuyển từ topaz không

màu sang topaz màu lam.
Nhiệm vụ của đề tài:
- Tổng quan tiềm năng, phân bố và đặc trưng chất l
ượng của khoáng vật topaz Việt
Nam
- Khảo sát lựa chọn vùng quặng và lấy mẫu nghiên cứu.
- Nghiên cứu các đặc tính ngọc học của topaz.
- Tổng quan công nghệ xử lý làm đổi màu nhằm tăng chất lượng của khoáng vật
topaz.
- Xây dựng quy trình xử lý làm đổi màu từ không màu sang một số màu được ưa
chuộng và có giá trị cao hơn (màu lam và màu hồng).

6
Trong quá trình thực hiện đề tài, các tác giả luôn nhận được sự quan tâm, chỉ
đạo của Vụ Khoa học và Công nghệ (Bộ Công Thương), của Lãnh đạo Công ty Cổ
phần Đá quý và Vàng Hà Nội, của các phòng ban chức năng trong Công ty, của các
đơn vị và cá nhân, các nhà khoa học. Nhân dịp này, tập thể tác giả xin bày tỏ lòng
biết ơn chân thành của mình.
Do thời gian thực hiện đề tài hạn hẹp, các điều kiện trang thiết bị và kinh phí
rất h
ạn chế, do khả năng chuyên môn, đề tài chắc chắn vẫn còn nhiều khiếm khuyết.
Các tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ phía người đọc.

7
Chương 1
ĐẶC ĐIỂM CHẤT LƯỢNG CỦA TOPAZ VIỆT NAM

1.1. KHÁI QUÁT
Topaz là một loại đá quý thuộc học orthosilicat có công thức hoá học Al
2
[F
1-
x
(OH)

x
]
2
SiO
4
, tỷ số x thay đổi theo mỗi mỏ và phục thuộc vào nguồn gốc thành tạo.
Topaz chỉ chứa F và không chứa OH không có trong tự nhiên. Ngoài ra trong thành
phần topaz còn chứa nhiêu các nguyên tố tạp chất khác nhau và chúng cũng phụ
thuộc vào nguồn gốc của đá.
Topaz thường trong suốt, không màu, đôi khi chúng cũng có màu đỏ, hồng,
vàng, xanh nhạt, trắng hoặc nâu. Trong đó phổ biến nhất vẫn là topaz không màu,
topaz các màu khác thường rất hiếm.
Topaz Việt Nam cũng thường trong suố
t và không màu được khai thác chủ
yếu từ hai mỏ lớn là Thường Xuân (Thanh Hoá) và Lộc Tân (Lâm Đồng). Các
nguyên tố tạp chất đã được xác định trong topaz hai mỏ Thanh Hoá và Lâm Đồng
được đưa ra trong các bảng 1.1 và 1.2 chúng bao gồm các nguyên tố Na, Cu, Ga,Ge,

As, Co và Th.
Phụ thuộc vào sự có mặt chủ đạo của F hoặc nhóm OH người ta phân ra hai
kiểu topaz là topaz kiểu F và topaz kiểu OH.

1.1.1. Topaz kiểu F
Topaz loại này có ở rất nhiều nơi, trước nay không được quan tâm coi trọng,
ngày nay có thể dùng phương pháp chiếu xạ làm cho topaz không màu hay màu nâu
ấy biến thành nâu đậm hay nâu-phớt xanh, sau đó ủ nhiệt 200
0
C để thành màu lam
đẹp mắt, độ đậm nhạt khác nhau.

Topaz lam kiểu F, dù là do chiếu xạ hay vì có màu tự nhiên, cơ chế gây màu
đều là giống nhau, đều là do tâm màu hình thành trong điều kiện bức xạ tự nhiên bên
ngoài, khác nhau chỉ ở chỗ hàng chiếu xạ nhân tạo thì liều mạnh hơn, nhanh hơn rồi ủ
nhiệt mà thành, còn loại tự nhiên thì màu là kết quả của quá trình chiếu xạ phông tự
nhiên cường độ yếu hơn, lâu dài hơn. Nên việc phân biệt hai loại topaz này là vô
cùng khó khăn. Việc phân biệt chỉ có th
ể sử dụng phép đo nhiệt phát quang (TL).
Topaz lam tự nhiên sẽ có cường độ TL đột nhiên tăng cao ở 350
0
C, trong khi hàng
topaz lam nhân tạo thì cường độ TL chỉ cao ở dưới 300
0
C. Phương pháp kiểm tra này
một khi áp dụng thường làm mất màu viên đá, nên không có ý nghĩa lớn trong thực
tiễn. Topaz lam không nhất thiết phải kiểm tra xem nó là màu lam tự nhiên hay

8
không, xong việc kiểm tra bức xạ tàn dư xem có an toàn cho người sử dụng hay
không thì là việc vô cùng cần thiết và bắt buộc phải làm.
1.1.2. Topaz kiểu OH
Topaz OH là loại khoáng vật topaz chất lượng cao, nhất là nếu có màu đẹp sẵn
mà không cần qua xử lý màu nhân tạo, thì càng có giá trị. Loại topaz OH có giá trị
nhất là loại topaz sinh ra tại các mạch pegmatit thạch anh hoặc carbonat, có ở Brazil
và Afghanistan. Topaz từ mỏ biến chất rửa trôi ở Brazil có nhiều màu sắc, trong đó
quý nhất là lo
ại topaz vàng mang sắc đỏ, như rượu xá lợi (cùng màu rượu sherry của
Bồ Đào Nha), được gọi là « topaz đế vương ». Ngày nay những viên topaz từ mỏ này,
nhưng có màu khác, cũng được xử lý thành có màu « topaz đế vương ». Ví dụ loại
không màu hay màu vàng nhạt, sau chiếu xạ có thể biến thành topaz vàng cát cánh
vàng hoặc đỏ.

1.2. ĐẶC ĐIỂM CHẤT LƯỢNG CỦA TOPAZ VIỆT NAM
1.2.1. Các tính chất vật lý và quang học
Topaz thuộc hệ tinh thể trực thoi vớ
i tinh thể thường gặp là dạng lăng trụ
ngắn, độ cứng tương đối theo thang Mohs là 8, tính đa sắc mạnh, trong suốt, ánh thuỷ
tinh. Tỷ trọng và chiết suất của các loại topaz cũng có sai khác. Loại F màu lam và
không màu tỷ trọng là 3,56 - 3,57 ; Loại OH phấn hồng thì tỷ trọng là 3,50-3,53, loại
màu vàng thì tỷ trọng 3,51 - 3,54. Chiết suất của topaz OH là cao hơn so với topaz
loại F.
a) Tỷ trọng: 3,55 - 3,56, khác nhau tùy loại có màu khác nhau như sau:
• Đỏ: 3,49 - 3,57 (trung bình 3,53)
•
Hồng: 3,50 - 3,53 (trung bình 3,53)
• Vàng : 3,51 - 3,54 (trung bình 3,53)
• Không màu: 3,56 - 3,57 (trung bình 3,56)
• Lam : 3,56 – 3,57 (trung bình 3,56)
b) Chiết suất (R.I.) thông thường : 1,61 - 1,64, có báo cáo là 1,607 – 1,64, tùy màu:
• Không màu và màu lam: 1,61 – 1,62
• Hồng, vàng, đỏ : 1,62 – 1,63
c) Đa sắc (pleochroism): yếu đến không có, trừ trong topaz hồng . Đôi khi loại màu
vàng có biểu lộ lưỡng sắc yếu từ vàng tới hồng.
d) Lưỡng chiết : thấp (0,005 – 0,009); Tán sắc : thấp ( gần 0,014)

9
e) Huỳnh quang dưới tia cực tím (U.V. fluorescence) khá yếu; Topaz không màu và
màu lam có huỳnh quang yếu hoặc xanh nhạt. Topaz hồng thì dù dưới tử ngoại sóng
dài cũng phát huỳnh quang màu đặc trưng riêng, nhưng dưới tử ngoại sóng ngắn thì
phát màu huỳnh quang pha trộn xanh vàng hay trắng lam.
f) Vai trò vị trí ion trong ô mạng: Nhìn chung cơ chế sinh màu trong topaz khá

phức tạp, đến nay còn nhiều tranh cãi. Màu lam (blue) do những “tâm màu cấu trúc”
còn chưa biết rõ. Màu lục (green) do các tâm màu vàng và lam phối màu lại mà
thành. Màu vàng (yellow) do “tâm màu tạp chất” còn chưa biết. Màu vàng da cam
(orange) do các tâm màu vàng và Cr
3+
ở bát diện. Màu hồng phấn (pink) do Cr
3+
ở bát
diện. Màu vàng xẫm đỏ (red-yellow) do sắc vàng và tâm màu màu đỏ Cr
3+
sinh
ra…Cho đến nay chưa thấy có công trình nghiên cứu chi tiết các cấu trúc ô mạng và
trạng thái lượng tử quỹ đạo phân tử, hoặc mức phổ trong vùng cấm của topaz.

1.2.2. Đặc điểm thành phần hoá học của topaz Việt Nam
Topaz Việt Nam có cấu trúc hoá học Al
2
[F
0,956
(OH)
0,044
]
2
SiO
4
, và có thể được
xếp vào loại topaz giàu chất fluor. Tỉ lệ thế x trong cấu trúc Al
2
[F
1-x

(OH)
x
]
2
SiO
4
được
xác định trực tiếp bằng nhiễu xạ neutron bằng một tinh thể đơn. Nhờ vào phân tích
hoạt hoá neutron, một số nghiên cứu [2] đã xác định được thành phần các nguyên tố
tạp chất trong topaz Thanh Hoá và Lâm Đồng bao gồm các nguyên tố natri, đồng,
gali, germani, asen, coban và tuli (bảng 1.1 và 1.2).
Bảng 1.1: Các nguyên tố thường có mặt trong topaz Việt Nam với các
đồng vị phóng xạ có chu kỳ ngắn [2]
Hàm lượng bằng µg/g
Nguyên tố Đồng vị
Chu kỳ phân rã
(giờ)
Topaz
Thanh Hoá
Topaz Lâm
Đồng
Natri
Mangan
Đồng
Gali
Germani
Asen
Lantan
Vàng
Na

24
Mn
56

Cu
64

Ga
72

Ge
77

As
76

La
140

Au
198

14,96
2,58
12,7
14,1
11,3
26,32
40,22
64,56

0,71
0,016
≤ 0,1
2,65
47
0,11
0,02
0,8
<0,01
0,1
2,5
48
0,085
<0,01
<0,001
0,25
0,01
0,11
4,2
145
0,06
<0,01
0,004





10
Bảng 1. 2: Các nguyên tố có trong topaz Việt Nam với các

đồng vị phóg xạ có chu kỳ dài [2]
Hàm lượng bằng µg/g
Nguyên tố Đồng vị Chu kỳ phân rã
Topaz
Thanh Hoá
Topaz Lâm Đồng
Sanđi
Crôm
Sắt
Coban
Selen
Bạc
Antimôn

Cesi
Europi

Tuli
Ytterbi

Luteci
Hafni

Tantali
Sc
46

Cr
51

Fe
59

Co
60

Se
75

Ag
110m
Sb
122
Sb
124

Cs
134

Eu
152

Eu
154

Tm
170

Yb
169

Yb
175

Lu
177

Hf
175

Hf
181

Ta
182
83,82 ngày
27,7 ngày
44,63 ngày
5,27 ngày
119,77 ngày
249,76 ngày
2,7 ngày
60,2 ngày
2,06 ngày
13,5 ngày
8,56 ngày
128,6 ngày
32 ngày
4,2 ngày
6,7 ngày

70 ngày
42,39 ngày
114,4 ngày
0,37

58
0,004




0,007





<0,06


0,11
0,04
<0,03
60
0,0025
<0,03
<0,05
<0,001

<0,01

0,004

0,02
<0,005

<0,0005
<0,003

0,09
1
<0,15
4
0,01
<0,01
<0,1
<0,01

<0,02
<0,003

0,05
<0,01

<0,001
<0,1

0,009
Thành phần các nguyên tố tạp chất trong topaz Thanh Hoá và topaz Lâm Đồng
là khá tương đồng đối với các nguyên tố có chu kỳ bán rã ngắn và cả nguyên tố có
chu kỳ bán rã dài. Sự khác nhau duy nhất có thể quan sát được ở hai nguyên tô là sắt

và tantal và trên thực tế có thể sử dụng hàm lượng của hai nguyên tố này để phân biệt
topaz ở hai mỏ trên (bảng 1.3).
Bảng 1.3. Các nguyên tố đặc trưng cho phép phân biệt topaz
của Thanh Hoá và Lâm Đồng.
Nguyên tố Đồng vị
Topaz Thanh Hoá
(hàm lượng µg/g)
Topaz Lâm Đồng
(hàm lượng µg/g)
Sắt
Tantal
Fe
59

Ta
182

60
0,1
4
0,009



11
1.2.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất tới tính phóng xạ của topaz sau
chiếu xạ
Tỉ lệ tính phóng xạ tương ứng trong một mẫu phụ thuộc vào bản chất của các
nguyên tử có mặt trong đó. Topaz có cấu trúc hoá học Al
2

[F
1-x
(OH)
x
]
2
SiO
4,
với khả
năng thế nguyên tử fluor bằng nhóm ôxy hoá OH bao gồm ôxy, fluor, nhôm và silic.
Các nguyên tố này sớm dẫn đến tính phóng xạ mạnh sau quá trình chiếu xạ (bảng
1.4). Tuy nhiên, các nguyên tố này đều có nguồn gốc từ đồng vị phóng xạ đủ ngắn, để
nó trở thành không thể phát hiện được ít nhất một tháng sau khi kết thúc quá trình
chiếu xạ.
Bảng 1.4. Hoạt tính hạt nhân của topaz
(17 giờ trong ống H2 của lò phản ứng Osiris)
Nguyên
tố
Phản ứng hạt
nhân trong các
neutron nhiệt và
nhanh
Đa dạng
đồng vị
Đoạn hiệu
quả
Thời kỳ
chậm dần
T
1/2

Tính phóng
xạ trên 1 g
nguyên tố
(Bq)
Tính phóng
xạ trên 1g
topaz (Bq)
Oxy O
18
(n,γ)O
19
0,205% 160µb 27,1s 1.4 10
6
4.9 10
5

Fluor F
19
(n, γ)F
20


F
19
(n,α)N
16

100%

100%
9.5 µb

7.9 µb
11s

2.3s
3.3 10
10

2.3 10
9

6.8 10
9


4.8 10
8

Nhôm Al
27
(n, γ)Al
28


Al
27
(n,α)Na
24

100%

100%
232 µb

0,725 µb
2.246m

15.02h
6.1 10
11


1.1 10
8

1.8 10
11

3.2 10
7


Silic Si
30
(n,γ)Si
31

Si
28
(n,p)Al
28


Si
29
(n,p)Al
29

3,1%

92,2%

4,7%
107 µb

6.4 µb

560 µb
2.62h

2.246m

6m
7.3 10
9

1.3 10

9


5.6 10
9

1.1 10
9


2 10
8


8.5 10
8

Các tính phóng xạ của viên đá được sinh ra ngay sau quá trình chiếu xạ để có
được màu xanh đều đáng ngại ngang với các tính phóng xạ sinh ra từ các đồng vị
phóng xạ có thời kỳ phát xạ dài. Trong các mẫu topaz Việt Nam các tạp chất đáng
ngại nhất là scandi, tantal, ceri, coban và một lượng nhỏ sắt. Bảng 1.5 chỉ ra các tính
phóng xạ ứng và còn dư có nguồn ngốc từ các nguyên tố này sau vài tháng hoặc vài
năm, kể từ khi kết thúc quá trình chiếu xạ. Trong ví dụ
đã chọn, scandi và tantali là
những tạp chất đáng lo ngại nhất, các viên đá quý có chứa hai chất này phải cấm xuất
hiện hoàn toàn trên thị trường trước vài tháng (hoạt tính ở mức cao tới 100 Bq/g). Sau
ba năm đầu, tính phóng xạ của viên đá 5 cara này sẽ chỉ là vài Bq/g, và tính phóng xạ
còn dư chủ yếu có nguồn gốc từ ceri và coban, tuy nhiên trong ví dụ này nó chỉ có
hàm lượng vài nanogam.

12
Sự chiếu xạ neutron của topaz dẫn đến màu lam hoàn toàn có thể kiểm soát
được bằng liều lượng neutron nhanh. Màu sắc này rất ổn định theo thời gian và các
kết quả thu được độc lập với nguồn gốc của viên đá. Tuy nhiên, màu sắc này lại vô
cùng quan trọng với khả năng kinh doanh của viên đá chiếu xạ. Hàm lượng các
nguyên tố cho đồng vị có chu kỳ bán rã ở mức cao hơn hàng chục ngày sẽ phải thấ
p
hơn µg/g và thậm chí ở mức ng/g đối với coban. Các sự chiếu xạ cần phải được tiến
hành dưới bình lọc cađimi để khử các neutron nhiệt, không có ích cho quá trình
nhuộm màu và rất có hại vì các tính phóng xạ sinh ra. Các viên đá này không được
phép xuất hiện trên thị trường trước nhiều năm sau khi chế tá và chỉ được phép sau
khi tiến hành quá trình kiểm tra nghiêm ngặt về tính phóng xạ còn dư của chúng.
Bảng 1.5. Các hoạt tính ứng sau khi phát xạ 17 giờ trong ống H
2
trong lò phản ứng
Osiris của mẫu topaz Thanh Hoá 1g (5carat).
Hoạt tính (Bq)
Kết thúc phát xạ Sau khi phát xạ dưới Cađimi (Cd)
Tạp
chất
Đồng vị Thời kỳ
Ngoài Cd Dưới Cd 1 tháng 3 tháng 1 năm 2 năm 3 năm 5 năm
Cesi
1.10
3
µg
Cs
134m
*

Cs
134
*
2,9 h

2,1 năm
1.99.10
3


15.2

527

4.26
-

4.15
-

3,92
-

3,05
-

2,2

-

1,56
-

0,8
Coban
5.10
4
µg
Co
60
* 5,27
năm
6.1 0.33 0.325 0,318 0,29 0,25 0,221 0,17
Sắt 40
µg
Fe
40
*

44,6
ngày
2.15.10
3
57.7 36.2 14 0,2 - - -
Scanđi
m 1 µg
Se
46
* 83,8
ngày

2.5.10
5
3.34.10
3
2,6.10
3
1,58.10
3
163 8,66 0,4 -
Tantali
5.10
3
µg
Ta
182
* 115
ngày
3.52.10
3
1.77.10
3
1,48.10
3
1,02.10
3
194 23,08 2,33 0,028
Tổng 2.58.10
5
5.7.10
3

4,1.10
3
2,6.10
3
360,54 34,19 4,511 0,998

1.3. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN MÀU SẮC CỦA TOPAZ
1.3.1. Tương quan giữa màu sắc topaz và thành phần hoá học
Thành phần hoá học của topaz là Al
2
SiO
4
(F,OH). Trong ngoặc là nhóm ion,
phổ biến là F
2 ,
gọi là topaz kiểu F, thường hình thành trong các quá trình pegmatit.
Trong đó ion F
-
có thể bị thay thế ít hay nhiều bằng ion hydroxyl OH
-
gọi là topaz
kiểu OH, thường được hình thành liên quan đến các quá trình nhiệt dịch.
Màu của topaz có liên quan với hàm lượng F và OH. Nếu hàm lượng OH quá
ít, F là chủ yếu, thì topaz hầu như là không màu, lam nhạt hoặc nâu. Nếu hàm lượng
OH cao, topaz sẽ có màu vàng, vàng kim, phấn hồng, đỏ ,. Topaz trong nhiệt dịch
hàm lượng OH là 5 – 7%, còn trong các đai dạng mạch thì hàm lượng OH và F ở
topaz gần giống nhau. Trong đó loại topaz OH màu đỏ chứa Cr là rất hiếm quý.

13
Trong quá trình hình thành, tinh thể đá topaz tự nhiên không thể tránh khỏi có

sự xâm nhập của nhiều loại tạp chất, nằm vào vị trí nút mạng hay vị trí giữa ô mạng
tinh thể hoặc cũng có thể ở dạng bao thể. Các nguyên tố tạp chất vi lượng có thể khác
nhau ở những viên topaz lấy từ vùng mỏ khác nhau, và chúng khác nhau cả về chủng
loại và hàm lượng, song chủ yếu gồm có : Fe, Li, Be, Ga, Ge, Ti, Mg, Mn, Nb, Ta,
Cs, Zn, và Pa,…
1.3.2. Tương quan giữa màu sắc topaz vớ
i kiểu nguồn gốc thành tạo
Vì trong quá trình địa chất thành tạo topaz cần phải có fluor, khi kết tinh giai
đoạn muộn một số loại đá núi lửa thường có hơi fluor và có thể bị bẫy lại trong đá
pegmatit hay các lỗ hổng trong đá núi lửa. Trong pegmatit, topaz thường kết hợp với
apatit, tourmalin, fluorit và beryl.
Trải qua lịch sử hình thành địa chất, trong điều kiện nhiệt dịch thích hợp, F bị
OH thay thế để chiế
m chỗ trong mạng tinh thể topaz. Vì thế khoáng vật topaz sinh ra
ở các điều kiện địa chất khác nhau thường là không giống nhau, cho nên ngày nay ta
có các loại topaz chất lượng khác nhau tuỳ theo kiểu nguồn gốc của nó. Có tài liệu
cho biết đá topaz đẹp và kích thước to từng được tìm thấy trong các đá phun trào axit,
đôi khi thấy được viên tinh thể nặng nhiều kilogam (Brasil, LB Nga…).
Brasil : Hầu hết đều khai thác từ đá pegmatit, có các màu sau:
• Topaz màu đế vương, có màu rượu Sherry, vàng và lam
• Hầu h
ết (nếu không muốn nói là tất cả) topaz lam Brasil đều đã được xử lý
để tăng màu hay đổi màu gốc.
Mexico: Nguồn gốc: trong các hốc của đá phún trào núi lửa.
• Hầu hết là hồng nhạt tới không màu, hoặc nâu rượu sherry.
• Một số có màu đậm hơn nhưng màu thường bị phai nhạt dưới ánh mặt trời.
Sri Lanka: Khai thác ở cùng một khoáng sàng cuội sỏi chứa corindon và beryl
• Hầu hết là vàng t
ối đến nhạt, không màu hay xanh nhạt
Hoa Kỳ:

• Topaz màu lam đẹp ở Pikes Peak, CO (pegmatit).
• Nâu nhạt tới không màu, Thomas Range, Utah (đá núi lửa)
• Lam nhạt tới không màu, Mason Co (gần Streater), TX (pegmatit)
• Cũng cả ở các pegmatit phân tán ở NH, ME, SC, CA.
Các nước khác:

14
Pakistan (hồng), Nigeria (không màu), LB Nga (lam, xanh nhạt, hoa hồng),
Zimbabwe (lam), Đức (vàng), Úc (không màu), Miến Điện (vàng, lam, không màu)

1.4. NGUYÊN NHÂN GÂY MÀU Ở KHOÁNG VẬT TOPAZ
1.4.1. Các loại tâm màu
Lí thuyết trường tinh thể và lí thuyết vùng cấm giải thích cơ chế hình thành
màu sắc không chỉ hạn chế ở sự kích thích các điện tử không tạo cặp trong ion kim
loại chuyển (mà với topaz thì nhân tố quan trọng là tạp chất Cr và Ti). Trong một số
tình huống nhất định, điện tử không tạo c
ặp sinh ra màu, cũng xuất hiện ở ion nguyên
tố không chuyển tiếp hoặc tại chỗ hỏng tinh thể thiếu/thừa điện tử mà tạo nên, gọi là
tâm màu. Tâm màu thường gặp trong đá quý là « tâm điện tử » và « tâm màu lỗ
trống ». Thuật ngữ tâm màu xuất phát từ mô hình lí thuyết vùng cấm (Schulman,
1962), nói đến các mức năng lượng ở gần „tâm” của vùng cấm, mà điện tử có thể
nh
ảy lên đó từ vùng hoá trị, hoặc lỗ trống có thể chuyển xuống từ vùng dẫn. Việc
nghiên cứu tâm màu tương đối khó khăn, phải sử dụng đến các kĩ thuật quang phổ
học, tinh thể học, và cả phổ kế cộng hưởng thuận từ (EPR). Nhưng qua nhiều năm
nghiên cứu, các đặc trưng chủ yếu của tâm màu cũng đã trở nên rõ ràng.
Tâm màu điện tử
, đó là khi điện tử tồn tại ở vị trí chỗ hỏng vacancy tinh thể,
mà sinh ra tâm màu.
Ví dụ tâm màu trong fluorit màu tím chính là thuộc loại này. Tinh thể fluorit

(CaF
2
) thuộc hệ lập phương, trong kết cấu của nó iôn Ca
2+
phân bố tại đỉnh và tâm
mặt của ô lập phương, mỗi iôn Ca
2+
liên kết với 8 iôn F
-
.


Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự hình thành Hình 1.2 : Sơ đồ minh họa sự hình thành
tâm màu trong fluorit CaF
2
tâm màu chỗ hụt mạng ở thạch anh
A. 2 kiểu kết cấu của CaF
2
; A. Hai dạng kết cấu thạch anh;
B. Sự hình thành tâm màu điện tử B. Biểu diễn quá trình hình thành tâm
màu.


15
Hình 1.1. A mô tả sơ đồ hai chiều của kết cấu CaF
2
. Trong một số tình huống, iôn F
-

có thể rời bỏ vị trí bình thường của nó đến vị trí khác. Trong quá trình sinh trưởng

tinh thể fluorit, cũng như sau khi đã hình thành, nếu tinh thể hấp thụ bức xạ mạnh,
ion F
-
đều có thể bị di chuyển đến một vị trí khác trong tinh thể ; Số lượng iôn Ca
2+

quá cao trong quá trình mọc lớn tinh thể fluorit, hay do hiện diện một điện trường
nào đó, cũng có khả năng đẩy iôn F
-
ra khỏi vị trí của nó, để lại một “ vacancy ”(chỗ
khuyết mạng). Để bảo toàn sự trung hòa điện, nhất thiết phải có điện tích bổ sung
nào đó lấp đầy chỗ hỏng ấy, thường là điện tử từ bên ngoài, như vẽ ở Hình 1.2.B .
Từ đó sinh ra tâm màu, gọi là “tâm màu điện tử”. Nó không định vị cố định như ở
các iôn hay nguyên tử, mà vị trí c
ủa nó phụ thuộc vào trường tinh thể xung quanh ion
có mặt. Trong trường tinh thể, nó cũng giống như điện tử không tạo cặp của ion kim
loại nhóm chuyển, đều có các mức trạng thái cơ bản và kích thích. Khi hấp thụ
photon vùng nhìn thấy, sẽ xảy ra chuyển dời giữa các trạng thái năng lượng và sinh
ra màu sắc và huỳnh quang. Trong fluorit nó hấp thụ ánh sáng khả kiến, nên có màu
tím.
Ví dụ điển hình về tâm màu lỗ hổng vacancy là màu củ
a thạch anh khói.
Thạch anh (SiO
2
) Si với 4 phối vị, sơ đồ hai chiều được vẽ trên Hình 1.2. A. Khi có
tạp chất Al
3+
trong thạch anh, iôn Al
3+
sẽ thay thế cho iôn Si

4+
, và vì đảm bảo trung
hòa điện, xung quanh iôn nhôm nhất thiết phải xuất hiện một iôn hóa trị 1 (ví dụ Na
+

hoặc H
+
). Lúc này thạch anh không có màu, vì không xuất hiện điện tử không tạo cặp
nào khả dĩ hấp thụ ánh sáng khả kiến. Khi thạch anh này được chiếu xạ tia X, tia
γ

hay bức xạ khác, nguyên tử oxy kề cận với ion Al
3+
sẽ có năng lượng cao hơn, một
điện tử trong cặp ấy có thể bắn ra khỏi vị trí ban đầu và để lại một điện tử không tạo
cặp. Chính điện tử này sẽ có thể hấp thụ photon khả kiến mà tạo nên màu sắc –
thường là màu ám khói đặc trưng. Nếu chiếu xạ cường độ khá lớn, mà trong thạch
anh lại có đủ các ion Al
3+
thì thạch anh có thể biến thành màu đen. Do ở nơi mà điện
tử bị bắn khỏi thường là vacancy, cho nên người ta gọi tâm mày kiểu này là „tâm
màu vacancy”. Thủy tinh khói tự nhiên hầu hết đều là do tích lũy những liều phóng
xạ bé trong suốt lịch sử địa chất lâu dài mà thành. Quá trình kể trên có thể mô tả
bằng các phương trình phản ứng sau:
[AlO
4
]
5 -

→

[AlO
4
]
4 -
+ e
-
(1)
e
-
+ H
+
→ H (2)
Điện tử bắn ra từ nguyên tử oxy bị ion H
+
hay Na
+
bắt lấy (Hình 1.2. B). Việc
nung nóng có thể giúp tiêu trừ các màu sắc đã hình thành theo cách ấy. Ví dụ với
thạch anh khói thì khoảng 400
0
C, điện tử bị bắn ra lại trở về vị trí ban đầu của nó,

16
điện tử lại tạo thành cặp, thạch anh lại trở về không màu. Nếu chiếu xạ lần nữa, nó
lại hiện ra màu khói hay đen.
Thạch anh tím có tâm màu vacancy giống như thế, chỉ khác ở chỗ tạp chất giờ
đây là sắt chứ không phải là nhôm, và được biểu diễn theo quá trình phản ứng như
sau:
[FeO
4

]
5 -
→
[FeO
4
]
4 -
+ e
-
(3)
e
-
+ H
+

→
H (4)
Khi nung nóng thạch anh này biến thành màu vàng hay xanh. Màu ấy không
phải là do tâm màu gây ra, mà do vị trí và hóa trị iôn kim loại chuyển (Fe) quyết
định. Thạch anh tím sau xử lý nhiệt, nếu được chiếu xạ thì tâm màu lại được sinh ra,
và màu tím lại được khôi phục như trước.
Trong một số đá quí, số tạp chất ít ỏi cũng có thể hình thành các tâm màu và
có màu sắc. Ví dụ (CO
3
)
2-
có thể xâm nhập vào cấu trúc tinh thể beryl trong quá trình
nó hình thành, nếu hấp thụ bức xạ iôn hóa, nó có thể bị mất đi một điện tử, trở thành
(CO
3

)
-
, tạo ra dải hấp thụ xanh- đỏ, khiến ngọc beryl có màu lam.

1.4.2. Nguyên nhân sinh ra tâm màu trong topaz
Tâm màu là thuật ngữ chung cho các sai hỏng làm tăng hiện tượng hấp thụ ánh sáng.
Trong thực tế tinh thể khoáng vật không bao giờ hoàn chỉnh mà luôn chứa các dạng
sai hỏng khác nhau. Sai hỏng đơn giản nhất là sai hỏng điểm: hoặc các nút khuyết
(vacancy, V), hoặc/và là nguyên tử xen kẽ (interstiation, I ) - các khuyết tật mạng
được tạo ra trong quá trình kết tinh do sự nhiễu loạn địa phương trong khi phát tri
ển
tinh thể hoặc có thể được sinh ra bởi sự sắp xếp lại nguyên tử trong tinh thể, do tính
linh động trong nguyên tử hoặc do bắn phá bằng các hạt năng lượng cao. Nút trống
có thể di chuyển, trao đổi vị trí với các nguyên tử lân cận. Đây là quá trình quan trọng
đối với sự khuếch tán nguyên tử trong khoáng vật, đặc biệt ở nhiệt độ cao vì khi đó
độ linh động nguyên tử lớn hơn nhiều. Khuyết t
ật gây ra tâm màu có khi chỉ là các sai
hỏng cấu trúc điện tử của tinh thể, tồn tại cả trong tinh thể hoàn hảo, là « tâm điện
tử » và « tâm màu lỗ trống », không nhất thiết có mặt nút khuyết V hay xen kẽ I.
Nhiều tâm màu trong khoáng vật là sản phẩm của việc chiếu bức xạ năng lượng
cao. Bức xạ tương tác với nguyên tử trong tinh thể, tạo ra các khuyết tật trong tinh
thể. Hoặc là dịch chuyển nguyên t
ử (nếu chiếu các “hạt nặng- hạt alpha, nơtron) phá
vỡ tuần hoàn của tinh thể trong phạm vi một vài ô cơ sở của mạng; Hoặc có thể làm

17
thay đổi trạng thái điện tử (bứt đi hay cho thêm điện tử vào vị trí nào đó của mạng,
nếu chiếu xạ bằng bức xạ ion hoá: tia gamma, tia X, tia điện tử nhanh…) .

Hình 1.3: Khuyết tật vacancy và khuyết tật xen kẽ.

Trong tinh thể ion, bao gồm nhiều loại khoáng vật, trong đó có topaz, khuyết tật
điểm có cấu hình điện tử là rất phức tạp, và phải luôn duy trì tính trung hòa điện. Khi
hai ion trái dấu mất đi từ tinh thể ion thì một vacancy đôi “cation – anion” được tạo
thành (khuyết tật Schottky, Hình 1.4 a). Nếu cation dương di chuyển tới vị trí xen kẽ
trong tinh thể ion thì vacancy cation sẽ xuất hiện t
ại vị trí nút mạng, hình thành một
cặp “vacancy – xen kẽ” (khuyết tật Frenkel, Hình 1.4.a). Nếu như trong tinh thể ion
có lẫn tạp chất, các nguyên tử tạp chất này chiếm vị trí tại các nút mạng thì sẽ hình
thành các khuyết tật điểm gọi là khuyết tật thay thế (Hình 1.4.b). Những dạng khuyết
tật này phụ thuộc rất nhiều vào kích thước ion của các nguyên tử, và nó cũng làm ảnh
hưởng rất nhiều đến các tính chất c
ơ lý và quang học của tinh thể.

(a) (b)
Hình 1.4: Các khuyết tật mạng tinh thể.

18
1.4.3. Tâm màu hình thành do chiếu xạ
Phần lớn những thay đổi màu do chiếu xạ có liên quan tới tâm màu. Đặc điểm
của tâm màu là được tạo ra bởi chiếu xạ (trừ khi áp dụng những kỹ thuật đặc biệt
khác). Bất kỳ vật liệu nào mà có thể tạo thành tâm màu đều có chứa hai loại tiền thân
“tâm màu lỗ trống” và tiền thân “tâm màu điện tử”. Vai trò của chiếu xạ đơn thuần
là để chuyển dịch trạng thái điện tử, tạo thành đồng thời một tâm lỗ trống và tâm điện
tử. Hầu hết các vật liệu đều có tiền thân tâm lỗ trống, nhưng nếu nó không có tiền
thân tâm điện tử, các điện tử bị di chuyển do chiếu xạ ngay lập tức trở về vị trí ban
đầu và vật liệu vẫn không thay đổi. Nếu tiền thân tâm l
ỗ trống ban đầu là một tâm

trung hòa như A, Hình 1.5 a, sau đó tâm lỗ trống được tạo ra bằng chiếu xạ, do mất đi
một điện tử nên trở thành A
+
tích điện dương Hình 1.5 b, tương tự như tiền thân tâm
điện tử trung hòa B trở thành tâm điện tử B
-
do thu được (bắt) một điện tử.





Hình 1.5 : Thay đổi trong quá trình chiếu xạ
tạo tâm màu.
a) trước khi chiếu, b) sau khi chiếu


Trong một số vật liệu tâm màu có thể
tồn tại cả ở hai dạng phai màu và không
phai màu. Đó là một vấn đề khó khăn đối
với các nhà ngọc học. Mặc dầu cả hai loại
trên đều mất màu khi nung nhưng chiếu xạ
phục hồ
i lại màu ở trạng thái của một trong hai loại hoặc cả hai. Trong một số trường
hợp, khi sửa chữa đồ trang sức, tình cờ đốt quá yêu cầu, làm mất màu khỏi trạng thái
bền như với turmalin đỏ và citrin, người ta có thể phục hồi bằng cách chiếu xạ nếu
nhiệt độ đốt chưa quá giá trị tới hạn, tại đó xảy ra sự phá hỏng tâm không thuận
nghị
ch. Chiếu xạ tạo cả tâm màu phai cũng như tâm màu bền, chỉ các tâm màu phai
là bị mất màu khi phơi sáng. Nếu tâm màu là tâm điện tử, thì điều đó có nghĩa là có

hai loại tâm điện tử, một là sâu và bền, trong khi loại kia thì nông và không bền. Nếu
màu được bắt nguồn từ tâm màu lỗ trống thì cũng có hai loại bền và không bền. Một
A B
Chiếu
Tiền thân tâm lỗ trống Tiền thân tâm điện tử
a)
B
_
A
+
Tâm lỗ trống Tâm điện tử
b)

19
số trường hợp hiện tượng biến đổi màu xảy ra do chiếu xạ mà không liên quan đến
tâm màu. Ví dụ thạch anh màu hồng tạo bởi Ti
3+
, nung nóng đến 200
o
C – 300
o
C thì
xảy ra biến đổi: Ti
3+
→ Ti
4+
+ e
-
, dẫn tới sự mất màu, màu này có thể khôi phục bằng
cách chiếu xạ.

Tác dụng ủ nhiệt đối với tâm màu là rất mạnh. Topaz sau chiếu xạ liều bão hoà
thường hình thành rất nhiều loại tâm màu, khiến viên đá có màu hỗn hợp của nhiều
màu và thường không đạt yêu cầu thương mại. Người ta thường phải đem topaz ấy đi
nung (xử lý nhiệt) nhằm khử bỏ đi những tâm màu không bề
n vững, những tâm màu
« xấu » (gây màu nâu-đen, xám tro…), nhưng phải lưu giữ lại càng nhiều càng tốt các
tâm màu « đẹp » và « bền », như màu lam thuần khiết (« Swiss blue »)
Sự phá hủy tâm màu bởi nhiệt có thể dẫn đến kết quả là sự phai màu hoặc nhạt
màu như ở topaz nâu, topaz màu xanh lam, saphir chiếu xạ có màu vàng, tuamalin đỏ
hay thạch anh khói… Một ví dụ khác cho thấy sự thay đổi màu, khi đổi màu topaz
nâu người ta phát hiện thấy sự có mặt của Cr, là nguồn g
ốc tạo màu hồng của topaz
mà trước đó bị che lấp. Những thay đổi màu này thường có tác dụng ngược chiều so
với xử lý chiếu xạ.
1.4.4. Tâm màu và độ bền của chúng
Trong topaz (tinh thể ion) có vùng cấm năng lượng khá rộng, cỡ khoảng
≈ 5eV. Khi photon tới, điện tử nhận được năng lượng (hấp thụ ánh sáng) có khả năng
hấp thụ chuyển dời lên vùng dẫn, năng lượng h
ấp thụ tương đương năng lượng vùng
cấm. Điện tử hấp thụ năng lượng photon nhảy lên trạng thái kích thích (tâm bắt điện
tử) và chuyển dời (kiểu huỳnh quang) về trạng thái cũ phát ra ánh sáng có màu tương
ứng. Trong vùng ánh sáng khả kiến từ đỏ đến tím năng lượng chuyển mức điện tử
tương ứng từ 1,77-3,10eV; Vùng cấm trong topaz (5eV) vượt ra ngoài vùng cực tím
(nếu chuyể
n dời có năng lượng lớn hơn 3,1eV là đã ra khỏi vùng tím, sang tử ngoại;
nhỏ hơn 1,77eV là ra khỏi vùng đỏ, sang hồng ngoại). Do đó để topaz có màu khả
kiến thì trong vùng cấm của nó phải có các mức bẫy, là các mức trạng thái mà điện tử
có thể nhảy lên đó, kí hiệu là mức E: 1,7eV<E<3,1eV thì mới có thể hấp thụ màu khả
kiến. Để ta thấy được màu topaz là màu lam (λ= 500-450 nm E= 2,48 – 2,75 eV, thì
nó phải hấp thụ dả

i phổ màu vàng (nằm trong khoảng λ= 580-550 nm. E= 2,14-
2,25eV) , màu bù của màu lam .
Người ta xác định được thời gian sống T* (phản ánh “độ bền” của xác suất
chiếm đầy) của các mức năng lượng này phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian và khoảng
cách năng lượng như sau:

20

*
2*
kT
E
e
kT
E
−
=
α
β

Mức có năng lượng E lớn nhất nằm ở giữa “tâm” vùng cấm thì có xác suất
ngang nhau cho điện tử ở trên vùng dẫn chuyển xuống và lỗ trống ở gần vùng hóa trị
chuyển lên. Khi có sự chuyển mức năng lượng thì sẽ hấp thụ hoặc phát ra các photon
mang màu tương ứng. Do đó đặc trưng các trạng thái giữa vùng cấm là các bẫy bền
gọi là các “tâm màu”. Tâm có nhiều loại là tâm bắt điệ
n tử hoặc lỗ trống, có loại tâm
có màu và tâm không màu…
Trong quá trình chiếu xạ sẽ tạo ra các chỗ hỏng và các quá trình dịch chuyển.
Thành phần rất linh hoạt chuyển động khắp tinh thể chính là điện tử và lỗ trống. Khi
dừng tác dụng nguồn chiếu thì sự phân bố lại trở về trạng thái cân bằng như cũ.

Trước hết khi chiếu ion hóa sinh ra điện tử linh động, trong tinh thể không kim loại
thì l
ỗ trống có thời gian sống ngắn hơn bị bẫy ở các chỗ hỏng mạng và gọi là các bẫy
lỗ trống. Các điện tử thường có thời gian sống dài hơn và một phần của chúng được
sinh ra trong mỗi sự cố ion hóa có thể bị bẫy đi bẫy lại nhiều lần bởi các chỗ hỏng
hoạt động như các bẫy điện tử bền nhi
ệt, phần còn lại bị tái hợp với lỗ trống, điều này
diễn ra ở những cái gọi là tâm tái hợp: nó bẫy lỗ trống và sau đó lỗ trống này lại bẫy
các điện tử tự do, và tái hợp. Điện tử và lỗ trống trung hòa với nhau, không còn điện
tích tự do trong tinh thể nữa và các chỗ hỏng hoạt động như một tâm tái hợp này lại
sẵn sàng bắ
t đầu quá trình tái hợp tiếp theo, chúng hoạt động thường xuyên và đóng
vai trò quan trọng trong các quá trình điện tử, cũng là quá trình chi phối màu sắc của
khoáng vật.













21
Chương 2
CÔNG NGHỆ XỬ LÝ LÀM ĐỔI MÀU KHOÁNG VẬT TOPAZ

2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ LÀM ĐỔI MÀU TOPAZ
2.1.1. Phương pháp xử lý nhiệt
2.1.1.1. Khái quát
Đối với khoáng vật topaz thì xử lý nhiệt là có tác dụng ngược với chiếu xạ.
Các tâm màu do chiếu xạ sinh ra, chính là nguyên nhân gây màu trong topaz, có loại
ổn định (bền) có loại không bền. Mục tiêu xử lý nhiệt chung quy là loại trừ những
tâm màu không tốt và kém ổn định, bảo tồn những tâm gây ra màu tốt và tương đối
ổn định. Qua xử
lý nhiệt người ta loại trừ các tâm sinh màu nâu và tối trong topaz
kiểu F, khiến cho các tâm màu lam hiện rõ ra. Thiết bị xử lý nhiệt thường dùng là các
lò buồng hoặc lò ống, có độ sạch cao, nhiệt độ không cần cao, song phải được khống
chế chính xác. Màu lam của viên đá topaz hiện ra chỉ trong một khoảng hẹp nhiệt độ,
dưới nhiệt độ đó thì màu xấu ban đầu không thay đổi gì hết; Trên đó thì màu lam bị
biến mất, viên đá trở
thành không màu.
Nhiệt độ nung tuỳ thuộc chủng loại nguồn gốc topaz mà có khác biệt nhau,
thường là trong khoảng 180 – 300
o
C. Topaz chiếu xạ có màu sắc khác nhau, hiệu quả
xử lý nhiệt cũng khác nhau: Loại chiếu xạ thành các màu lam xám, xanh-lam, nâu
nhạt… trải qua xử lý nhiệt màu thường sáng đẹp; Loại chiếu ra màu nâu hoặc tối, thì
sau nung cũng thường tối màu.
2.1.1.2. Thiết bị và thực nghiệm xử lý nhiệt
Trong thực nghiệm xử lý nhiệt topaz của chúng tôi thiết bị là lò nung điện trở
thông dụng (giới hạn nhiệt độ là 900-1100
o
C). Các hộp nung sử dụng nhiều chất liệu
và hình dạng, thích hợp cho việc nung nhiều mẻ nhỏ, to khác nhau, thông số xử lý
nhiệt (tốc độ tăng, giảm nhiệt độ, nhiệt độ cực đại và thời gian duy trì ở đó), có hay

không có sử dụng chất bột nung (bột cách nhiệt samos, oxyt nhôm, cát…)
Quy trình nung khử tâm màu của topaz sau chiếu xạ cơ bản chỉ có một đoạn
thẳng ở các mức nhiệ
t độ cực đại là 200 – 500
o
C, duy trì từ 30 phút đến 20 giờ. Tốc
độ tăng và giảm nhiệt độ nói chung là càng chậm càng tốt, nằm trong khoảng
0,1
o
C/phút đến 7
o
C/phút.


22

Hình 2.1.Lò nung KSW – 8D – 13.

Hình 2.2. Thao tác xử lý nhiệt topaz trên lò nung KSW – 8D – 13

2.1.2. Phương pháp xử lý khuyếch tán màu
Với công nghệ này, viên topaz được nung ở nhiệt độ rất cao, gần tới điểm
nóng chảy. Khi đó từ một chất bôi sẵn trên bề mặt, các nguyên tử tạo màu như titan,
crom, hay cobalt có thể khuếch tán nhiệt vào bên trong viên đá. Một lớp mỏng bề mặt
giàu chất sinh màu được tạo ra sau khuếch tán sẽ hấp thụ chọn lọc ánh sáng và làm
viên đá có màu đậm hơn hay có thêm màu mới.
Gần đây xuất hiện loại topaz khuếch tán mặt có màu sáng, xanh và đỏ, có thể
cả hai màu.



23

Hình 2.3. Minh hoạ màu sản phẩm topaz xử lý khuyếch tán màu

2.1.3. Phương pháp chiếu xạ
Topaz không màu thường rất nhiều và rẻ, song không phải tất cả chúng đều có
thể chiếu xạ thành công. Trong quy tình chiếu xạ topaz, nhà xử lý thường đem topaz
không màu quét đại lược bằng tia gamma hoặc tia X, để chọn ra đá nào đáng chiếu xạ
tiếp tục, trước khi đem chúng xử lý thêm bằng các kĩ thuật khác để cho ra màu sắc
ưng ý.
Những viên đá được chọn sẽ được đưa vào b
ắn tia điện tử trên máy gia tốc
thẳng, hoặc bắn tia nơtron của lò hạt nhân. Tùy vào thời gian và kiểu tia chiếu, người
ta dùng tiếp phép nung, cho ra các đá topaz màu lam da trời (sky) hay lam Thụy Sĩ
(Swiss blue), lam London (London blue). Lam London là loại có màu được ưa
chuộng nhất và đắt nhất vì phải chiếu bằng tia nơtron, rồi phải lưu giữ thời gian dài
trước khi đến tay người sử dụng.


24





Hình 2.4: Các loại màu topaz được chiếu xạ kết hợp xử lý nhiệt

2.1.3.1. Các loại bức xạ ion hoá và đổi màu topaz
a) Sơ lược về các loại tia bức xạ thường dùng
Mọi nguồn tia ion hoá đều có thể dùng để chiếu xạ topaz. Ngày nay người ta
thường dùng nguồn Co
-60
, máy gia tốc điện tử và lò phản ứng hạt nhân, mỗi loại đều
có ưu, nhược điểm của mình.
Theo nghĩa rộng, bức xạ gồm hai kiểu: một là chiếu tia X từ nguồn điện và tia
gamma từ đồng vị phóng xạ, đều là sóng điện từ; và hai là các hạt. Thường các tia
bức xạ được chia ra 3 loại chính:
* Tia do các hạt tích điện
Ví dụ tia beta - các điệ
n tử và tia anpha – hạt nhân helium. Việc tạo ra các
điện tử năng lượng cao có hai phương pháp chủ yếu, một là từ máy gia tốc (có rất
nhiều loại, có thể đạt 300 MeV). Cách thứ hai là dùng nguồn đồng vị phóng xạ, phần
nhiều là năng lượng dưới 2 MeV, có tác dụng hạn chế tới lớp mỏng vật liệu, ít phù
hợp cho chiếu xạ topaz. Hạt α là hạt có điện tích, sinh ra từ phản ứ
ng phân rã phóng
xạ - α, quãng đường xuyên rất ngắn, nguồn chủ yếu sử dụng là từ máy gia tốc
* Các tia sóng điện từ - bức xạ tia X và tia γ
Tia γ là sóng điện từ mà hạt nhân nguyên tử phóng xạ ra để thoát biến từ
trạng thái năng lượng cao xuống năng lượng thấp hơn. Bước sóng là ≈ (1 –0,005).10
-
10
m. Nguyên tố đồng vị
60
Co chế tạo trong lò phản ứng hạt nhân có thể dùng làm
nguồn tia γ, phát ra hai tia có năng lượng 1,17 và 1,33 MeV, thời gian bán rã là 5,3

25

năm. Ngoài ra đồng vị Ce
-137
cũng dùng làm nguồn tia γ. Còn tia X (năng lượng
nhiều MeV) thì phát ra khi điện tử gia tốc (tới nhiều MeV) bị ”hãm” đột ngột khi đập
vào một bia kim loại nặng (Talium).
* Tia nơtron (trung hòa)
Không kể các nơtron sinh ra trong lò phản ứng hạt nhân, thì nguồn nơtron
thường dùng là lấy từ nguồn nơtron hoặc máy phát nơtron. Ví dụ chất radium (Ra)
phóng xạ tia α được trộn với bột berylium (Be), gọi là nguồn Ra/Be, là loại nguồn
nơ
tron dựa trên phản ứng (Be
9
+ He
4
→ C
12
+ n ) tương tác giữa tia α (hạt nhân
He
4
) và hạt nhân Be. Nơtron sinh ra có năng lượng phân bố từ 0 – 13 MeV, với số
lượng tập trung lớn nhất ở lân cận 4 MeV. Phổ biến nhất là nguồn nơtron sinh ra
trong quá trình phân hạch ở lò phản ứng hạt nhân. Gần đây người ta phát triển công
nghệ chiếu xạ bằng nơtron nhanh, sinh ra trong lò phản ứng hạt nhân đặc biệt (lò
nơtron nhanh) hoặc sinh ra từ máy phát nơtron, cho phép loại bỏ các nơtron chậm và
các cộng hưở
ng, vốn là nguyên nhân gây phản ứng hạt nhân, dẫn đến hoạt độ phóng
xạ tàn lưu của đối tượng chiếu xạ.
b) Tác dụng bức xạ ion hoá đối với topaz
Phương pháp chiếu bức xạ ion hóa, bao gồm cả chiếu xạ và phối hợp với xử lý
nhiệt, là thích hợp với những khoáng vật nào mà có màu sắc do tâm màu. Tựu chung

là thông qua chiếu xạ hoặc xử lý nhiệt làm sinh ra hay tiêu trừ đ
i các sai hỏng cấu
trúc, điện tử, lỗ trống của tinh thể, nghĩa là tác động đến các tâm màu nhất định trong
nó, khiến nó hiện ra các màu sắc mong muốn. Ví dụ thông qua chiếu xạ có thể làm
cho topaz không màu biến thành có màu nâu đậm. Mầu nâu ấy là do nhiều loại tâm
màu, bền và không bền. Nhưng sau khi xử lý nhiệt thì có thể khử đi những tâm không
bền và ”xấu”, giữ lại những tâm màu bền và ”đẹp”, khiến topaz không màu biến
thành màu lam rấ
t đẹp và bền vững.

2.1.3.2. Loại tia, năng lượng và liều bức xạ dùng trong chiếu xạ đổi màu topaz
a) Chiếu xạ đổi màu topaz bằng tia gamma, tia X .
Chiếu tia gamma (Co
-60
) hoặc tia X (5 MeV) từ máy LINAC-5 MeV đều sẽ
sinh ra cả hai tâm màu vàng và tâm màu xanh lam trong topaz, khiến nó thành màu
nâu hay xanh nâu. Nung tiếp sau đó sẽ hủy các tâm màu vàng kém bền mà không ảnh
hưởng gì tới tâm màu lam. Màu lam nhạt tạo ra bằng chiếu tia gamma vốn có tên
thương mại là “lam cobalt”. Các viên đá màu lam đậm hơn do xử lý tia gamma thì
thường kéo theo ánh thép (lam thép). Ngày nay chiếu tia gamma chỉ là công đọan