Magnetyzm to jedna ze starszych dziedzin fizyki, którą interesowano się już pięć tysięcy lat temu. Powodem było szczególne zachowanie magnetytu, minerału przyciągającego tajemniczą siłą opiłki żelaza (fig. 1).
Jego nazwa wiąże się z Magnesią – miastem w starożytnej Grecji. Do XIX wieku wykorzystanie magnetyzmu ograniczało się do kompasu magnetycznego. Odkrycia Oersteda, Faradaya, Ampera, Maxwella i innych pokazały, że magnetyzm to coś więcej niż tylko minerały magnetyczne i pole magnetyczne Ziemi. W konsekwencji nastąpił szybki rozwój wielu dziedzin nauki i techniki, bez których trudno wyobrazić sobie funkcjonowanie współczesnej cywilizacji (telefonia, radio, telewizja).
Przyciąga nie kamieni
Choć o magnetyzmie kamieni jubilerskich wspomina już Pliniusz Starszy w sławnej Naturalis historia, to jego systematyczne badania zaczęto całkiem niedawno. Gdy mówi się o magnetyzmie kamienia jubilerskiego, to zwykle myśli się o przyciąganiu go przez magnes. Siła ta jest mierzalna (fig. 2). Na jej podstawie da się grupować, a nawet identyfikować niektóre kamienie jubilerskie. Wiadomo, że wszystkie substancje reagują z polem magnetycznym. Niektóre są przyciągane, inne odpychane.
Fig. 1.
Kryształ magnetytu
Jednak większość reakcji jest tak słaba, że niezauważalna. W takich wypadkach zwykło się nazywać ciała niemagnetycznymi. Właściwości magnetyczne posiada sporo minerałów, szczególnie tych zawierających żelazo (Fe), mangan (Mn) czy nikiel (Ni). Niektóre mogą być nawet naturalnymi magnesami, jak magnetyt, choć bardzo słabymi w porównaniu z magnesami syntetycznymi. Pozostałe są tylko lepiej lub gorzej przyciągane przez magnes. W związku z tym minerały dzieli się z uwagi na magnetyzm na: ferromagnetyczne (magnetyt, pirotyn, żelazo rodzime), czyli silnie przyciągane przez magnes; paramagnetyczne (syderyt, ilmenit, metale rodzime), czyli słabo przyciągane przez magnes. Siła przyciągania paramagnetycznego może być nawet milion razy słabsza od ferromagnetycznego. Pole paramagnetyków jest tymczasowe i indukowane przez oddziaływanie zewnętrznego pola magnetycznego. Musi być silne, by skutek był zauważalny. W przyrodzie istnieje wiele ciał paramagnetycznych. W pewnych okolicznościach mogą zachować się też ferromagnetycznie. Na przykład żelazo w postaci metalu lub stopu jest ferromagnetyczne. Gdy jest jonem powoduje już tylko paramagnetyzm zawierającego je kamienia. Jony powodujące paramagnetyzm są dość powszechne w kamieniach jubilerskich. Przeważnie pełnią rolę chromoforu (składnika barwotwórczego), diamagnetyczne, czyli odpychane przez magnes, np. baryt, a z bardziej pospolitych lód. W ciałach diamagnetycznych indukowane pole magnetyczne przeciwstawia się polu magnetycznemu magnesu trwałego. Wszystkie reakcje diamagnetyczne są bardzo słabe i dość stałe. Blisko 1/3 kamieni jubilerskich jest diamagnetyczna.
Rozeznanie magnetyczności kamieni jubilerskich
Wiele osób jest dość mocno zaskoczonych, gdy dowiaduje się, że kamienie jubilerskie mogą być magnetyczne. Jest tak, gdyż większość kamieni jubilerskich nie wykazuje żadnej widocznej reakcji w zetknięciu z pospolitym magnesem trwałym. Powszechnie dostępne magnesy z alnico (stop Al-Ni-Co), choćby magnes podkowiasty, są zbyt słabe by wywołać zauważalną reakcję magnetyczną w kamieniach jubilerskich. Magnesy ferrytowe – równie częsty typ w zastosowaniach domowych – są jeszcze słabsze, a tym samym jeszcze mniej zdolne do powodowania widocznej reakcji magnetycznej kamieni jubilerskich. Dopiero użycie bardzo mocnych magnesów daje szansę ujawnienia reaktywności magnetycznej całkiem sporej gromadki kamieni jubilerskich. Dostatecznie silne są w tym względzie magnesy wytwarzane na bazie pierwiastków ziem rzadkich. Najtańsze z nich, a jednocześnie wystarczająco sprawne to magnesy neodymowe (Nd-Fe-B). Wytwarza się je już blisko pół wieku (fig. 3). Badania magnetyczności kamieni jubilerskich stały się możliwe dzięki rozpowszechnieniu się bardzo silnych magnesów neodymowych oraz przez zastosowanie metod umożliwiających znaczącą redukcję, a nawet eliminację tarcia. Połączenie magnesu neodymowego o dużej gęstości energii magnetycznej, np. Nd52 z eliminacją tarcia daje szansę ujawnienia nawet bardzo słabych oddziaływań magnetycznych. Siła magnesu neodymowego jest tak wielka, że zdolny jest unieść ciężar 1300 razy większy od własnego. Ponieważ neodym jest pierwiastkiem o wysokiej aktywności chemicznej, to zabezpiecza się go przed tym warstwą ochronną, najczęściej niklową. Pewną wadą magnesów neodymowych jest mała wytrzymałość mechaniczna (kruchość) i temperaturowa (rozmagnesowanie następuje już w temperaturze około 80 oC).Rozeznanie magnetyczności kamieni jubilerskich nie wymaga żadnych obliczeń, kosztownych urządzeń czy znajomości fizyki ciała stałego. Wystarczy prosty test, którego rezultat da się skutecznie ocenić wzrokowo.
Nie jest on zbyt wyszukany, jednak wystarczająco czuły, by rozdzielić sporą część kamieni jubilerskich na podstawie zawartości czynnika magnetogennego. Testowane kamienie mogą być surowe bądź opatrzone szlifem fasetowym czy kaboszonowym. Ich masa nie powinna być jednak mniejsza od 0,1 ct. Test można wykonać według jednego z trzech najbardziej popularnych sposobów korespondujących z trzema różnymi czułościami magnetycznymi badanych obiektów, a dobieranych odpowiednio do masy kamienia i przewidywanej zawartości składnika magnetogennego. Najbardziej popularne sposoby testowania magnetyzmu kamienii jubilerskich to metoda bezpośrednia (fig. 4); polega na umieszczeniu testowanego kamienia na gładkiej, śliskiej powierzchni, np. szklanej czy ceramicznej, w znacznym oddaleniu od przedmiotów metalicznych i horyzontalnym oddziaływaniu magnesem z różnych stron celem stwierdzenia czy ma miejsce przyciąganie/ odpychanie kamienia i z jaką siłą się to dzieje.
Dla ograniczenia tarcia do minimum, kaboszony układa się do testowania opierając je na stronie wypukłej. Testować magnetyzm kamieni jubilerskich można także metodą wahadłową (fig. 5), która polega na zawieszeniu badanego kamienia na długiej nitce przytwierdzonej na wysokości i horyzontalnym oddziaływaniu magnesem z różnych kierunków celem sprawdzenia czy zachodzi przyciąganie/ odpychanie kamienia i z jaką siłą się to odbywa. Istnieje także metoda miniaturowej tratwy (fig. 6), która polega na umieszczeniu badanego kamienia na pławnej płytce, wykonanej np. ze styropianu i umieszczeniu takiej minitratwy na powierzchni wody wlanej do miski. Horyzontalne oddziaływanie magnesem z różnych stron pozwala stwierdzić czy ma miejsce przyciąganie/odpychanie i z jaką siłą się to dzieje. Istnieje też test znacznie dokładniejszy. Wymaga jednak użycia bardzo silnego magnesu neodymowego i wagi o czułości rzędu 0,001- 0,002 ct. Metoda pozwala mierzyć nawet bardzo niewielkie różnice energii diamagnetycznej/ paramagnetycznej występujące między kamieniami jubilerskimi.
Szybkość badania
Ocena magnetyzmu kamieni jubilerskich jest szybkim, prostym i nieniszczącym sposobem separacji kamieni jubilerskich surowych i szlifowanych, który z powodzeniem da się użyć zarówno w terenie, choćby przy zakupie kamienia, jak i w laboratorium. Pozwala skutecznie rozdzielić kamienie o podobnej barwie. Na przykład granaty słabo, umiarkowanie i aktywnie reagujące na magnes neodymowy zostaną szybko oddzielone od podobnej barwy przezroczystych spineli, korundów, chryzoberyli czy cyrkonów. Równie skutecznie da się oddzielić od naturalnych niektóre diamenty syntetyczne HPHT (fig. 7). Z powodu niskiego kosztu zakupu, łatwości użycia i czytelności rezulatu silny magnes neodymowy powinien być w standardowym wyposażeniu gemmologa, tudzież jubilera. Testowanie silnym magnesem nie jest przesądzające diagnostycznie, ale często daje ważną wskazówkę. Jest wielce prawdopodobne, że precyzyjne pomiary magnetyzmu kamieni jubilerskich w powiązaniu z innymi właściwościami pomogą w przyszłości rozróżniać odmiany, identyfikować złoża, a może także sposoby traktowania i syntezy kamieni jubilerskich.
dr Włodzimierz Łapot
Laboratorium Gemmologiczne Uniwersytet Śląski
