บทคัดย่อ

การพัฒนาต้นกำเนิดรังสีเอกซ์ความเข้มสูง ทำให้สามารถนำมาใช้ในการทดลองฉายรังสี เพื่อเปลี่ยนสีอัญมณี โดยใช้เวลาที่สั้นลง สามารถทำให้เกิดสีในผลึกแร่ต่างๆ ได้หลายชนิดมากขึ้น

การทดลองฉายรังสีอัญมณี โดยใช้หลอดรังสีเอกซ์กำลังสูง แบบหน้าต่างเบริลเลียม สามารถทำให้เปลี่ยนสีได้ในเวลาไม่กี่นาที ขณะที่การทดลองก่อนหน้านี้ที่ใช้หลอดขนาดเล็ก ทำให้ต้องใช้เวลาหลายชั่วโมง หรืออาจไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลย การทดลองนี้ บางส่วนให้ผลการเปลี่ยนสีที่ถาวร บางส่วนจะจางลงอย่างช้าๆ เมื่อได้รับแสงสว่าง บางส่วนกลับคืนเป็นสีเดิมเอง การทราบถึงการเปลี่ยนสีอัญมณี ที่ให้ผลชั่วคราว จึงเป็นข้อมูลที่มีความสำคัญในการป้องกันการหลอกลวงในลักษณะนี้

จากที่มีผู้เคยทำการทดลองโดยใช้ต้นกำเนิดรังสีหลายชนิด มีการบันทึกถึงผลการเปลี่ยนสีของแร่ธาตุได้ ทั้งจากการใช้เรเดียมและรังสีเอกซ์ ในปี 1912 Doelter ได้ทำการทดลองเปลี่ยนสีในอัญมณีหลายชนิด เช่น เพชร (diamond) spodumene ควอรตซ์ (quartz) และโทแพซ (topaz) ซึ่งการทดลองในสมัยนั้น นักธรณีวิทยา (mineralogist) ไม่มีการอธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้น เพียงแต่บันทึกผลที่สังเกตได้เท่านั้น

นักฟิสิกส์ได้อธิบายว่า การเหนี่ยวนำด้วยรังสีเอกซ์สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนสีแบบถาวรได้ จากการทำให้อิเล็กตรอนในโครงสร้างของผลึกเปลี่ยนตำแหน่ง โดยขึ้นกับการมีรอย (defect) ที่อยู่ในโครงสร้างผลึกนั้น อิเล็กตรอนของไอออนธาตุกลุ่มฮาโลเจน (halogen ions) เมื่อถูกยิงด้วยรังสีเอกซ์ จะทำให้หลุดออกและไปถูกจับ (trap) อยู่ในตำแหน่งใหม่ ส่วนการเปลี่ยนสีที่ไม่ถาวร เกิดจากผลึกที่มีประจุบวกหรือประจุที่ไม่สมบูรณ์ ทำให้สามารถกลับคืนได้ เมื่อได้รับพลังงานเพียงเล็กน้อย

สารประกอบบางชนิดจะเกิด fluoresce และ phosphoresce เนื่องจากผลึกจะเข้าสู่ภาวะ excited state ได้ง่าย ส่วนกลุ่มที่ฉายรังสีแล้วมีการเปลี่ยนสีที่เสถียรมากกว่าจะไม่เกิด luminescence หรือเกิดขึ้นเพียงเล็กน้อย ขณะที่บางกลุ่มไม่มีการเปลี่ยนแปลงจากการได้รับรังสี แม้ว่ายังไม่มีการทดลองเพื่อยืนยันให้เห็นว่า สารประกอบเหล่านี้เกือบทุกชนิด สามารถเปลี่ยนเป็นตัวนำไฟฟ้าได้ขณะที่ฉายรังสี โดยอาจไม่มีการเปลี่ยนสีตามมา

อัญมณีที่คัดเลือกมาใช้ในการทดลอง เป็นชนิดเดียวกับที่เคยทดลองได้ผลในครั้งก่อน เช่น spodumene หรืออัญมณีที่จะมีราคาสูงถ้าเปลี่ยนสีได้ถาวร เช่น corundum รวมทั้งอัญมณีอื่นที่น่าสนใจอีกหลายชนิด ซึ่งได้ผลการทดลองดังตารางด้านล่าง

ตัวอย่างที่แสดงในตารางที่ 1 ทั้งหมดได้รับการฉายรังสี จากหลอดรังสีเอกซ์ Machlett Type AEG-50 ซึ่งมีจุดโฟกัสขนาด 5 มิลลิเมตร ฉายรังสีโดยไม่ใช้แผ่นกรอง ใช้ศักย์ไฟฟ้า 50 กิโลโวลต์ ใช้กระแส 50 มิลลิแอมแปร์

หลอดรังสีเอกซ์ Type AEG-50 มีหน้าต่างเป็นเบริลเลียม มีความหนาประมาณ 1 มิลลิเมตร อยู่ห่างจากจุดโฟกัส 2 เซนติเมตร ใช้เป้าเป็นทังสเตน ทำมุม 20 องศา กับแกนของหลอด มีลำกรวยของรังสีเอกซ์ (conical solid angle) 40 องศา วางตัวอย่างไว้ห่างจากหน้าต่างประมาณ 0.5 เซนติเมตร

อภิปรายผลการทดลอง

Spodumene
จากการฉายรังสี ในหลายตัวอย่างที่มาจากหลายแหล่งและเปรียบเทียบผลการทดลอง ไม่มีความแตกต่างเนื่องจากแหล่งของตัวอย่าง โดยได้สีเขียวอ่อน (light green) ที่มีความเข้มสูง แต่จางลงและกลับเป็นไม่มีสีเหมือนเดิม เมื่อถูกแสงแดดหรือความร้อน ถ้าฉายรังสีแล้วเก็บไว้ในความมืด จะยังคงมีสีอยู่ได้โดยไม่จางลง การเปลี่ยนสีจะเกิดขึ้นทันที แต่จะสังเกตเห็นได้ เมื่อผ่านไปช่วงเวลาหนึ่ง เช่น การฉายรังสีเป็นเวลา 5 นาที จะมีการเปลี่ยนสีที่ระดับความลึกเกินกว่า 1 mm เล็กน้อย การเปลี่ยนสีที่เด่นชัดใน spodumene (ตัวอย่างที่ใช้ส่วนใหญ่เป็น kunzite) คือได้สีส้ม (orange phosphorescence) ที่มีความเข้มและสีที่คงทน ขณะนำออกจากหลอดรังสีเอกซ์ มองดูคล้ายถ่านหินเรืองแสง ซึ่งสามารถเห็นได้เป็นเวลาเกือบชั่วโมง การหายไปของเขียวมีความสัมพันธ์โดยตรงกับการเรืองแสงนี้ ทันทีที่หยุดการฉายรังสี ก้อนผลึกที่ส่องด้วยไฟ จะเห็นเป็นสีน้ำตาล โดยก่อนที่การเรืองแสงจะสิ้นสุด จะไม่เห็นสีเขียว การใช้ความร้อนจะทำให้เรือแสงอีกครั้ง และทำให้สีเขียวหมดไป มีตัวอย่างหนึ่ง เป็นผลึกสีขาวใส (white Brazilian crystal) มีด้านหนึ่งที่ไม่เรืองแสง แต่ส่วนที่ฉายรังสีเป็นสีเขียว เมื่อนำออกไปจากหลอดรังสีเอกซ์ ส่วนที่เรืองแสงแยกส่วนออกจากส่วนที่ไม่เรืองแสงอย่างชัดเจนหลังจากฉายรังสี หลังจากหมดการเรืองแสง ผลึกจะกลายเป็นสีเขียว และไม่เห็นความแตกต่างนี้อีก แต่น่าแปลกที่การทดลองของ Doelter ไม่พบการเปลี่ยนสีนี้ในการทดลองฉายผลึกแร่ด้วยรังสีเอกซ์

การเปลี่ยนสีในแต่ละกรณีนั้นคล้ายๆ กัน โดยผลการเปลี่ยนสี ขึ้นอยู่สีเดิม สีที่เปลี่ยนไปนั้น แท้จริงแล้วคือ การเหนี่ยวนำให้สีเหลือง หรือสีอำพันมีความเข้มมากขึ้น ในกรณีที่เป็น sapphires สีจาง หรือไม่มีสี จะเห็นผลได้ชัดเจนถ้าทำให้สีคงอยู่อย่างถาวรได้ sapphires ที่ขาวใส หรือไม่มีสี จะกลายเป็นสีอำพัน เมื่อฉายรังสี 5-10 นาที โดยฉายลำรังสีตรงลงที่หน้าผลึก เมื่อนำมาส่องดูด้านข้าง จะเห็นว่ามีสีเข้มที่ผิวหน้าตรงส่วนที่รังสีตกกระทบ และค่อยๆ จางลงกลายเป็นไม่มีสีที่ความลึกไม่กี่มิลลิเมตร คอรันดัมสีเหลือง หรือสีจางจะกลายเป็นพลอยสีสวย ขณะที่ blue sapphires จะกลายเป็นสีเขียวขุ่น ส่วนหินสีม่วงอ่อน (light lilac) จะกลายเป็นสีส้มแดง (rosy orange) คล้ายกับ pacparatum และใน gray star sapphires จะกลายเป็นสีเหลืองน้ำตาล (yellow brown) sapphire ธรรมชาติให้สีที่เปลี่ยนไปมากกว่า sapphire สังเคราะห์ โดยมีการเปลี่ยนแปลงที่ระดับสี มากกว่าความอิ่มตัวของสี

การได้รับแสงแดดเป็นเวลานานๆ สามารถทำให้กลับเป็นสีเดิม โดยไม่จำเป็นต้องได้รับความร้อนสูง แต่จะยังคงสีที่เปลี่ยนไว้ได้ถ้าเก็บไว้ในที่มืด พลอยสีเหลืองอ่อนจะให้สีเข้มกว่า และจางลงช้ากว่าพลอยที่เดิมไม่มีสี การทดสอบการจางลงของ sapphire ธรรมชาติสีเหลือง โดยส่องด้วยหลอด sun lamp เทียบกับพลอยที่เปลี่ยนสีจากการฉายด้วยรังสีเอกซ์ พบว่ามีการจางลงเล็กน้อย โดยลักษณะการจางลงแตกต่างจากพลอยที่เปลี่ยนสีด้วยรังสีเอกซ์ ถ้าสามารถหาวิธีทำให้การเปลี่ยนสีเกิดขึ้นอย่างถาวร จะมีความสำคัญอย่างยิ่งทางการค้า ดังนั้น สีที่เปลี่ยนจึงอาจคงอยู่ได้เป็นปี ถ้ามีการใช้งานแบบปกติ โดยไม่ถูกแสงแดด ถ้าหลอดรังสีเอกซ์มีการใช้งานได้ทั่วไปแล้ว ก่อนซื้อพลอยที่มีสีเหลืองเข้ม จึงควรพิจารณาอย่างรอบคอบ และทดสอบการจางลงก่อนที่จะชำระเงิน

การที่พลอยได้สีอำพันทั่วทั้งเม็ด โดยไม่มีสีอื่นเลย แสดงว่า การเปลี่ยนสีเกิดจากองค์ประกอบหลักของเนื้อพลอย แต่การไม่มีสีอื่นเลยหรือมีอ่อนมากในพลอยสังเคราะห์ เนื่องจากพลอยสังเคราะห์ มีธาตุอื่นเจือปนอยู่ หรือมีโครงสร้างที่ผิดปกติน้อยมาก

จากการทดลอง ไม่พบว่ามีการเรืองแสงของคอรันดัม ในขณะที่ฉายรังสีและภายหลังการฉายรังสี ยกเว้นในกรณีเดียวที่ salmon-colored stone ให้แสงเรืองสีส้มสุก (brilliant orange) ระหว่างการฉายรังสี นอกจากนั้นไม่มีสิ่งที่แตกต่างจาก sapphires ชนิดอื่น ส่วน Blue Australian sapphires ไม่พบว่ามีการเปลี่ยนแปลง

(a) Rock Crystal มีรายงานว่า ควอรตซ์กลายเป็นสีเข้มเมื่อฉายด้วยรังสีเอกซ์ แต่ในการทดลองนี้ ควอรตซ์ไม่มีสีมีการเปลี่ยนแปลงน้อยมาก จากการทดลองหลายครั้ง โดยฉายรังสีลงบนผิวหน้าของปริซึม พบการเปลี่ยนแปลงเมื่อฉายรังสี นานกว่า 1 ชั่วโมง ในปี 1944 Frondel รายงานว่า ได้ปลูกผลึกโดย banding parallel บนแผ่นที่ฉายรังสี และได้พบว่ามี twinning หลายสี โดยการเปลี่ยนแปลงจะขึ้นกับเม็ดผลึก (mother crystal) ที่นำมาปลูก ในกรณีของ fluorite ก็ให้ผลใกล้เคียงกัน โดยขึ้นกับตำหนิของรอยที่อยู่บนโครงสร้างของผลึก ที่เกิดขึ้นในระหว่างการปลูกผลึก มากกว่าการเจือปนของธาตุอื่น สีที่เปลี่ยนแปลงไป สามารถทำให้กลับคืนได้โดยใช้ความร้อน ซึ่ง Frondel ได้รายงานว่า การเปลี่ยนแปลงของความถี่ (oscillation frequencies) จะยังคงอยู่ถาวร ถ้าให้ความร้อนต่ำกว่า 175 ^oC

(b) Amethyst: ผลึกหินสีม่วงที่ทำการทดลอง ไม่ค่อยมีการเปลี่ยนแปลงจากการฉายรังสี โดยมีบางเม็ดมีสีเข้มมากขึ้น และเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาล เมื่อให้ความร้อน และทำให้เม็ดสีเทากลายเป็นสีเหลืองน้ำตาล
(c) Quartz ชนิดอื่น: ควอรตซ์สีแดง (Rose quartz) ฉายรังสีแล้วเข้มมากขึ้น เช่นเดียวกับรายงานของ Frondel ส่วน Chalcedony มีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

พลอยสีเหลืองใสจากบราซิล ให้ผลที่ใกล้เคียงกัน โดยเปลี่ยนเป็นสีม่วง ซึ่ง Mr. Grant Waite จาก Toronto เคยทดลองโดยฉายด้วยรังสีจากเรเดียม แล้วให้สีม่วงอ่อน พลอยที่เปลี่ยนเป็นสีเหลืองจะไม่คงทน โดยมีการจางลงอย่างรวดเร็วเมื่อได้รับแสงสว่าง แต่ก็ยังไวต่อแสงน้อยกว่าพลอยที่มาจากพม่า Scapolite มีการเรืองแสงอยู่หลายนาที ภายหลังจากการฉายรังสี

Topaz
Topaz ทั้งสีฟ้า (blue) และสีขาว (white) กลายเป็นสีน้ำตาล (smoky brown) หลังจากฉายรังสี ซึ่งแตกต่างจากสีของ topaz ธรรมชาติ และสามารถกลับคืนสีเดิมได้ง่าย เมื่อใช้ความร้อน ส่วนโทปาซจากบราซิล (Brazilian topaz) สีเหลืองอ่อน และสีชมพูอ่อน มีสีน้ำตาลที่เข้มมากขึ้นจากสีเดิม ซึ่งจะทำให้มูลค่าสูงขึ้นมากถ้าสีมีความคงทนถาวร แต่จากการนำไปถูกแสงแดด สีจะกลับเป็นอย่างเดิมในเวลา 8 ชั่วโมง

เพชร (Diamond)
เพชรสีเหลือง สีน้ำตาล และไม่มีสี ที่นำมาทดลอง ส่วนใหญ่ไม่พบการเปลี่ยนแปลง เมื่อ 2 เม็ด ที่เดิมเป็นสีเหลืองน้ำตาล มีสีอ่อนลงหลังจากฉายรังสี 15 ชั่วโมง เม็ดที่มีสีน้ำตาลมีสีเข้มขึ้นเล็กน้อย เนื่องจากเพชรที่ใช้ทดลองมีขนาดเล็ก จึงสังเกตสีได้ยาก จึงควรมีการทดลองในเรื่องนี้เพิ่มขึ้นอีก ถ้ามีกระบวนการที่สามารถลดสีเหลืองในเพชรลงได้ จะทำให้มีราคาสูงขึ้นมาก แต่จะมีผลเสียอย่างยิ่ง ถ้าการเปลี่ยนแปลงนั้นไม่ถาวร

การทดลองด้วยเทคนิคอื่น

การใช้ความร้อนและความเย็น (Heating and chilling:) จากการที่มีผู้ทำการทดลองจำนวนมาก โดยใช้ทั้งความร้อนสูงประกอบกับการยิงด้วยรังสีเอกซ์ เพื่อทำให้ได้ผลที่ถาวรมากขึ้น แต่ส่วนใหญ่ไม่ได้รับผลที่น่าพอใจมากนัก
Sapphires ที่ให้ความร้อนสูงกว่า 300 ^oC ขณะที่กำลังฉายรังสี จะทำให้รังสีไม่สามารถเปลี่ยนสีพลอยที่ลึกลงไปได้ เมื่อใช้อุณหภูมิต่ำลงจนถึง 100 ^oC การเปลี่ยนสีจะเกิดได้ลึกลงไปมากขึ้น ที่อุณหภูมิต่ำกว่านี้ จะได้ผลเช่นเดียวกับอุณหภูมิห้อง การใช้ความเย็นโดยจุ่มลงในกาซเหลวก่อนการเข้าฉายรังสี ให้ผลเช่นเดียวกับการทำที่อุณหภูมิห้อง

การใช้ไฟฟ้า (Electrical tests) จากการทดลองใช้สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าแรงสูง ไม่พบการเปลี่ยนแปลงของสีใน sapphires แต่พบว่าในสนามไฟฟ้าแรงสูง ทำให้มีค่าการนำไฟฟ้า 5.5 microamperes แต่การเปลี่ยนแปลงนี้ จากการตรวจสอบพบว่า เกิดขึ้นเนื่องจากการไอออไนซ์ของอากาศ ระหว่างแผ่นที่ป้อนไฟฟ้าศักย์สูง ไม่ได้เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของเม็ดพลอย เนื่องจากให้ผลเช่นเดียวกัน เมื่อนำเม็ดพลอยออกไปจากตำแหน่งที่ทดลอง
การจางลงด้วยแสงหรือความร้อน (Fading by light and/or heat) จากการทดสอบการจางลงของสีเมื่อได้รับแสงแดด โดยเร่งให้เร็วขึ้นด้วยการใช้หลอดไฟแสงอาทิตย์ (sunlamp) Westinghouse Mazda-Type RS 275 W โดยวางเม็ดพลอยห่างจากหลอดไฟ 6 นิ้ว พบว่ามีค่าความเข้มของแสงที่ได้รับ 1 ชั่วโมง เทียบเท่ากับการได้รับแสงแดดตอนเที่ยงวันของฤดูร้อน ที่เส้น latitude เดียวกับกรุงนิวยอร์ก เป็นเวลา 2 ชั่วโมง จากการทดสอบโดยใช้หลอดรังสีเหนือม่วง (ultraviolet germicidal lamp) และรังสีใต้แดง (infra-red) พบว่า มีการจางลงน้อยมาก ในกรณีของ sapphires ฉายรังสี การวางไว้ภายใต้หลอดไฟแสงอาทิตย์ ทำให้สีที่เกิดขึ้นจางลงเกือบทั้งหมด และเมื่อทดสอบกับ sapphires สีเหลืองตามธรรมชาติ โดยใช้วิธีการเดียวกับที่ทำให้พลอยฉายรังสีจางลงจนไม่มีสี พบว่า พลอยธรรมชาติมีการจางลงน้อยมาก แต่ในกรณีของพลอยที่มีสีเดิมเป็นสีเหลืองอ่อนอยู่แล้ว การจางลงจะเกิดขึ้นช้ากว่าพลอยที่เดิมไม่มีสี การให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 300 ^oC เป็นเวลา 5 นาที สามารถทำให้พลอยฉายรังสี กลับคืนเป็นไม่มีสีได้ แต่ไม่สามารถทำให้ พลอยสีเหลืองตามธรรมชาติ แต่อาจทำให้จางลงได้เล็กน้อย การฉายรังสีเอกซ์เป็นเวลาที่นานมากขึ้น ไม่มีผลต่อระดับความลึกที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนสี หรืออัตราการจางลงของสี แต่จะมีความแตกต่างเกิดขึ้นในพลอยแต่ละเม็ดที่ทำการทดลอง

คุณภาพของรังสีเอกซ์ (X-ray quality effects) จากการทดสอบผลของคุณภาพของรังสีเอกซ์ต่อสีของพลอย พบว่าในกรณีของ spodumene ที่มีการเปลี่ยนเป็นสีเขียวใส ตามการทดลองด้านบน ให้สีที่มีความเข้มมากกว่าวิธีอื่น ที่ให้สีเทาเขียว ในกรณีของ kunzite ซึ่งฉายรังสี โดยใช้หลอด Machlett Thermax ที่ศักย์ไฟฟ้า 155 PKV กระแส 8 MA เป็นเวลา 30 นาที ให้สีเขียวเช่นเดียวกับการทดลองนี้ หลังจากการเรืองแสงเป็นเวลา 1 ชั่วโมง และสำหรับ spodumene หลอดที่ใช้ศักย์ไฟฟ้าสูง จะให้รังสีที่เข้าไปในเม็ดพลอยลึกกว่า ทำให้ได้สีที่มีความเข้มมากกว่า

sapphire สีเหลืองที่ฉายด้วยรังสี จากหลอด 125 PKVX10 MA เป็นเวลา 10 นาที แล้วฉายรังสีอีก 30 นาที ด้วย 150 PKVX8 MA ให้สีอำพัน ซึ่งบางครั้งมีสีเข้มกว่าการใช้หลอด AEG-50 แสดงถึงรังสีที่เกิดจากการใช้ศักย์ไฟฟ้าสูงกว่า สามารถเข้าไปในเม็ดผลึกได้มากกว่า ทำให้ได้พลอยที่มีสีส่ำเสมอมากกว่า

ตารางที่ 1 ผลการทดลอง