रत्न विज्ञान

किसी खनिज रत्न का रासायनिक संघटन निश्चित होता है, जो सूत्र के रूप में लिखा जाता है, और परमाणुओं की भीतरी व्यवस्था क्रमबद्ध होती है। कोरंडम एल्युमिनियम ऑक्साइड है (Al₂O₃); बेरिल एक बेरिलियम एल्युमिनियम सिलिकेट है (Be₃Al₂Si₆O₁₈); हीरा केवल कार्बन है। एक ही प्रजाति की किस्में मुख्यतः उन सूक्ष्म तत्वों में भिन्न होती हैं जो जालक में मुख्य परमाणुओं की जगह बैठ जाते हैं, और इसीलिए माणिक तथा नीलम का सूत्र एक ही है।

क्रिस्टलविज्ञानी त्रिविम क्रिस्टल संरचनाओं को सात क्रिस्टल तंत्रों (crystal systems) में बाँटते हैं: त्रिनताक्ष, एकनताक्ष, विषमलंबाक्ष, चतुष्कोणीय, त्रिकोणीय, षट्कोणीय और घनीय। रत्नविज्ञान इन्हें काल्पनिक संदर्भ अक्षों की सापेक्ष लंबाइयों और उनके बीच के कोणों से बताता है। तंत्र ही क्रिस्टल का बाहरी आकार तय करता है (हीरे और स्पिनेल के लिए अष्टफलक, बेरिल के लिए छह भुजाओं वाले प्रिज़्म) और, पहचान के लिए उससे अधिक उपयोगी, उसका प्रकाशीय व्यवहार। घनीय रत्न समदैशिक (isotropic) होते हैं: प्रकाश उनमें हर दिशा में एक ही गति से चलता है। बाकी छह तंत्रों के रत्न असमदैशिक (anisotropic) होते हैं और प्रकाश को दो किरणों में बाँट देते हैं। अकेला संघटन संरचना तय नहीं करता: हीरा और ग्रेफाइट दोनों शुद्ध कार्बन हैं, पर व्यवस्था अलग है।

कुछ रत्न-पदार्थों में दूर तक फैली परमाणु व्यवस्था नहीं होती और इसलिए कोई क्रिस्टल तंत्र भी नहीं। काँच, अधिकांश रत्न-ओपल और जैविक एम्बर अक्रिस्टलीय (amorphous) हैं, और घनीय क्रिस्टलों की तरह वे प्रकाशीय दृष्टि से समदैशिक हैं।

कठोरता खरोंच का प्रतिरोध है। खनिजविज्ञानी Friedrich Mohs ने दस संदर्भ खनिजों को टैल्क (1) से हीरे (10) तक क्रम में रखा, जिनमें से हर एक अपने नीचे वालों को खरोंच सकता है। मोह्स पैमाना एक क्रम है, बराबर चरणों वाला माप नहीं। इंडेंटेशन परीक्षण यह विषमता साफ़ कर देता है: विकर्स सूक्ष्मकठोरता टैल्क के लिए लगभग 0.14 GPa, कैल्साइट के लिए 1.5, क्वार्ट्ज़ के लिए 12.2 और कोरंडम के लिए 19.6 रहती है, जबकि हीरा 115 के पास बैठता है। आभूषणों में कठोरता इसलिए मायने रखती है कि घर की धूल में क्वार्ट्ज़ होता है, इसलिए मोह्स 7 से नरम रत्न धीरे-धीरे अपनी पॉलिश खो देते हैं।

सुदृढ़ता (toughness) टूटने और किनारा झड़ने का प्रतिरोध है, और यह कठोरता से स्वतंत्र है। जेडाइट 6.5 से 7 और नेफ्राइट 6 से 6.5 पर है, फिर भी दोनों बेहद सुदृढ़ हैं, और इसीलिए नवपाषाण काल के चाकू तथा कुल्हाड़ी के फल प्रायः नेफ्राइट के बनते थे। हीरा, सबसे कठोर प्राकृतिक रत्न, तेज़ चोट से फिर भी चिर सकता है: उसमें चार पूर्ण विदलन दिशाएँ हैं, जो उसके त्रिभुजाकार अष्टफलकीय फलकों के समांतर हैं। टोपाज़ में एक पूर्ण विदलन है और कुंज़ाइट में दो। जहाँ विदलन नहीं होता वहाँ पत्थर भंजन (fracture) से टूटता है; क्वार्ट्ज़ और काँच घुमावदार, शंख जैसा शंखाभ भंजन दिखाते हैं।

स्थायित्व ताप, प्रकाश और रसायनों का प्रतिरोध है। ओपल 20% तक पानी रखता है, कुछ कुंज़ाइट तेज़ रोशनी में फीका पड़ जाता है, और मोती अम्लों से कट जाते हैं।

आपेक्षिक घनत्व (specific gravity, SG) किसी रत्न के वज़न की तुलना उतने ही आयतन के पानी के वज़न से करता है। GIA हीरे को 3.52 (+/- 0.01) देता है। क्यूबिक ज़र्कोनिया काफ़ी अधिक सघन है, इसलिए एक कैरेट का क्यूबिक ज़र्कोनिया एक कैरेट के हीरे से दिखने में छोटा होता है। रत्नविज्ञानी SG को पत्थर को पहले हवा में और फिर पानी में तौलकर मापते हैं, या यह देखकर अनुमान लगाते हैं कि पत्थर ज्ञात घनत्व के द्रवों में डूबता है या तैरता है।

अपवर्तनांक (refractive index, RI) बताता है कि रत्न में प्रवेश करते समय प्रकाश कितना धीमा होता और मुड़ता है: क्वार्ट्ज़ लगभग 1.54 पढ़ता है, कोरंडम 1.762 से 1.770 और हीरा 2.42। घनीय तंत्र के बाहर के पत्थर द्वि-अपवर्ती होते हैं और प्रकाश को अलग-अलग अपवर्तनांक वाली दो किरणों में बाँट देते हैं। उन दोनों का अंतर द्वि-अपवर्तन (birefringence) कहलाता है। पेरिडॉट का 0.035 से 0.038 का द्वि-अपवर्तन इतना बड़ा है कि क्राउन से देखने पर हर पवेलियन पहलू दो-दो दिखते हैं।

विक्षेपण (dispersion) तरंगदैर्घ्य के साथ RI का बदलना है, जो सफ़ेद प्रकाश को वर्णक्रमीय रंगों में फैला देता है और फ़ायर के रूप में दिखता है। चार्ट में रत्नविज्ञान की B से G परिपाटी ली गई है, यानी दो Fraunhofer रेखाओं के बीच का RI अंतर, एक लाल में और एक बैंगनी में। हीरे के लिए आम तौर पर 0.044 बताया जाता है। सिंथेटिक मॉइसेनाइट, जिसे GIA ने 0.104 मापा, उससे कहीं आगे है।

चमक (luster) रत्न की सतह से परावर्तित प्रकाश की गुणवत्ता बताती है। यह अपवर्तनांक पर और इस पर निर्भर करती है कि सतह पॉलिश कितनी अच्छी लेती है। हीरे में वज्राभ (adamantine) चमक होती है, जो सामान्य प्रकारों में सबसे तेज़ है; अधिकांश रत्न, क्वार्ट्ज़ से कोरंडम तक, काचाभ (vitreous) यानी काँच जैसे होते हैं। दूसरे मानक शब्दों में एम्बर के लिए रेज़िनाभ, फ़िरोज़े के लिए मोमाभ, मोतियों तथा कुछ विदलन सतहों के लिए मुक्ताभ, और रेशेदार पदार्थों के लिए रेशमी आते हैं।

पारदर्शिता पारदर्शी से पारभासी होते हुए अपारदर्शी तक जाती है। यह पदार्थ पर, प्रकाश बिखेरने वाले इंक्लूजन पर और मोटाई पर निर्भर करती है, और कुछ रत्नों में यही मूल्य तय करती है: बढ़िया जेडाइट अपनी दमकती पारभासिता के लिए सराहा जाता है।

बहुवर्णता (pleochroism) देखने की दिशा के साथ पिंड-रंग का बदलना है। यह केवल द्वि-अपवर्ती क्रिस्टलों में होती है, जो अलग-अलग प्रकाशीय दिशाओं में प्रकाश को अलग-अलग सोखते हैं। चतुष्कोणीय, षट्कोणीय और त्रिकोणीय क्रिस्टल दो रंग दिखा सकते हैं (द्विवर्णता); विषमलंबाक्ष, एकनताक्ष और त्रिनताक्ष क्रिस्टल तीन (त्रिवर्णता)। घनीय और अक्रिस्टलीय पदार्थ कोई नहीं दिखाते। तंज़ानाइट प्रबल बहुवर्णी है और क्रिस्टल घुमाने पर तीन अलग रंग दिखाता है, और कटाई करने वाले रफ को इस तरह बैठाते हैं कि इनमें से सबसे अच्छा रंग टेबल से ऊपर की ओर दिखे।

रत्नविज्ञानी रंग का वर्णन तीन गुणों से करते हैं। आभा (hue) मूल रंग है, जैसे लाल, नीला या हरा, साथ में कोई संशोधक रंग। स्वर (tone) बताता है कि रंग कितना हल्का या गहरा दिखता है। संतृप्ति (saturation) उसकी गाढ़ाई है, धूसर या भूरेपन से लेकर चटख तक।

रंग तब बनता है जब कोई रत्न कुछ दृश्य तरंगदैर्घ्य सोख लेता है और बाकी को पार जाने देता या परावर्तित करता है। स्ववर्णी (idiochromatic) रत्नों में रंग देने वाला तत्व मुख्य घटक होता है, जैसे फ़िरोज़े और मैलाकाइट में ताँबा। अधिकांश रत्न बाह्यवर्णी (allochromatic) हैं: शुद्ध होने पर रंगहीन और सूक्ष्म वर्णकारकों (chromophores) से रंगीन। GIA के कोरंडम सर्वेक्षण में इनमें से छह गिनाए गए हैं, जिनमें Cr³⁺, Fe³⁺, V³⁺, Fe²⁺ से Ti⁴⁺ का युग्म और नारंगी तथा पीला देने वाले दो ट्रैप्ड-होल युग्म शामिल हैं। माणिक में लाल रंग के लिए Cr³⁺ के कुछ सौ से कुछ हज़ार भाग प्रति मिलियन चाहिए; नीला नीलम अंतरसंयोजकता आवेश स्थानांतरण (intervalence charge transfer) से आता है, जिसमें प्रकाश पड़ने पर एक इलेक्ट्रॉन Fe²⁺ से Ti⁴⁺ तक जाता है और फिर लौट आता है।

वर्ण-केंद्र (color centers) जालक के वे दोष हैं जो किसी इलेक्ट्रॉन को फँसा लेते हैं या इलेक्ट्रॉन की जगह खाली छोड़ देते हैं, प्रायः विकिरण के बाद। स्मोकी क्वार्ट्ज़ के लिए ज़रूरी है कि सिलिकॉन की जगह एल्युमिनियम बैठा हो, जो अधिकांश क्वार्ट्ज़ में कुछ सौ ppm के स्तर पर होता है, तभी विकिरण भूरा-काला होल केंद्र बना पाता है। एमेथिस्ट लोहे पर बना ऐसा ही केंद्र है। स्मोकी क्वार्ट्ज़ को लगभग 400°C तक गर्म करने पर ये जाल खाली हो जाते हैं और वह फिर रंगहीन हो जाता है।

प्रतिदीप्ति (fluorescence) वह दृश्य प्रकाश है जो कोई रत्न तब छोड़ता है जब वह उच्च ऊर्जा वाले विकिरण, प्रायः पराबैंगनी (UV), के सामने हो। स्फुरदीप्ति (phosphorescence) वह चमक है जो विकिरण स्रोत बंद करने के बाद भी बनी रहती है। रत्नविज्ञानी दोनों की जाँच दीर्घतरंग (365 nm) और लघुतरंग (254 nm) UV लैंप से करते हैं और प्रतिक्रिया का रंग तथा तीव्रता दर्ज करते हैं।

GIA बताता है कि रंगहीन से हल्के पीले प्राकृतिक हीरों में से लगभग 35% दीर्घतरंग UV में प्रतिदीप्ति दिखाते हैं, और उन प्रतिक्रियाओं में 97% नीली होती हैं, जो N3 दोष से निकलती हैं। क्रोमियम माणिक को लाल प्रतिदीप्ति देता है। रंगीन रत्नों में लोहा आम शमनकारी है, इसलिए म्यांमार जैसे संगमरमर भंडारों के कम लोहे वाले माणिक तेज़ प्रतिदीप्ति दिखाते हैं।

स्फुरदीप्ति कम आम है और प्रायः अधिक बताती है। बोरॉन वाले Type IIb हीरे गहरे UV में लगभग हमेशा स्फुरदीप्ति दिखाते हैं, नीली या लाल, और Hope हीरे की लाल पश्च-चमक कई मिनट रहती है। HPHT से उगाए सिंथेटिक हीरों में से लगभग 90% लघुतरंग UV पर पीली या पीली-हरी प्रतिदीप्ति देते हैं और फिर बोरॉन से जुड़ी प्रबल, देर तक टिकने वाली स्फुरदीप्ति, जिससे यह परीक्षण छानबीन का उपयोगी सुराग बन जाता है। अलग-अलग पदार्थों की प्रतिक्रियाएँ आपस में मिल जाती हैं, इसलिए प्रतिदीप्ति किसी पहचान को सिद्ध नहीं करती, बस उसका समर्थन करती है।

परिघटनात्मक (phenomenal) रत्न वे प्रकाशीय प्रभाव दिखाते हैं जो अकेले पिंड-रंग से नहीं, बल्कि उनकी भीतरी संरचना या इंक्लूजन से बनते हैं। अधिकांश कैबोशॉन में काटे जाते हैं, यानी बिना पहलुओं के चिकने गुंबद के रूप में, जिससे प्रभाव एक जगह इकट्ठा हो जाता है।

शैटोयंसी (chatoyancy), यानी लहसुनिया प्रभाव, बहुत सारी समांतर सुइयों, रेशों या खोखली नलिकाओं से परावर्तित प्रकाश की एक चमकीली पट्टी है। पत्थर हिलाने पर यह पट्टी गुंबद पर सरकती है। क्राइसोबेरिल लहसुनिया इसका उत्कृष्ट उदाहरण है। ऐस्टेरिज़्म (asterism) उसी तरह का परावर्तन है, पर आपस में कटती सुइयों के दो या तीन समूहों से, जिससे तारा बनता है। कोरंडम में ये सुइयाँ प्रायः रूटाइल की होती हैं, और GIA चार, छह या कभी-कभार बारह किरणें बताता है, जिनमें छह आम है।

बहुमूल्य ओपल में प्ले-ऑफ-कलर विवर्तन है। एक ही आकार के सिलिका गोलक, जो क्रमबद्ध सरणियों में जमे होते हैं और त्रिविम फोटॉनिक क्रिस्टल की तरह बर्ताव करते हैं, सफ़ेद प्रकाश को शुद्ध वर्णक्रमीय रंगों के टुकड़ों में बाँट देते हैं जो देखने के कोण के साथ बदलते हैं। छोटे गोलक नीला और बैंगनी देते हैं; बड़े लाल, नारंगी और हरा। अड्यूलेरेसेंस (adularescence) मूनस्टोन की वह मुलायम, तैरती नीली-सफ़ेद आभा है, जो ऑर्थोक्लेज़ और एल्बाइट फेल्डस्पार की बारी-बारी परतों से बनती है। प्रकाश इन सूक्ष्मदर्शीय परतों के बीच बिखरता और व्यतिकरण करता है, और परतें जितनी पतली तथा एकसमान हों, प्रभाव उतना प्रबल होता है।

लैब्राडोरेसेंस (labradorescence) नीले, हरे, सुनहरे या नारंगी की वह चौड़ी चमक है जो लैब्राडोराइट को झुकाने पर उस पर बहती है। धीमी ठंडक पर फेल्डस्पार बारी-बारी पटलिकाओं में अलग हो जाता है, और लगातार परतों से परावर्तित प्रकाश व्यतिकरण करता है; जो रंग बनता है वह इस ढेर पर ब्रैग विवर्तन के अनुसार चलता है। पीली लैब्राडोरेसेंस दिखाने वाले एक लैब्राडोराइट में मोटी पटलिकाएँ औसतन 129 nm और पतली लगभग 64 nm की थीं, यानी 193 nm की पुनरावृत्ति, जो 597 nm के पास परावर्तन देती है।

ऐवेंचुरेसेंस (aventurescence) छोटी परावर्तक पट्टिकाओं से बनी झिलमिलाहट है। सनस्टोन फेल्डस्पार में ये धात्विक ताँबा या हेमाटाइट जैसे लौह ऑक्साइड होते हैं; ऐवेंचुरीन क्वार्ट्ज़ की चमक अभ्रक की पट्टिकाओं से आती है।

रंग परिवर्तन दिन के और तापदीप्त प्रकाश के बीच दिखने वाली आभा का बदलना है। अलेक्जेंड्राइट में 580 nm के पास एक अवशोषण पट्टी होती है और वह हरा तथा लाल दोनों पार जाने देता है, इसलिए वह दिन के प्रकाश में हरा से नीलाभ हरा और लैंप के नीचे लाल से जामुनी लाल पढ़ता है। कुछ नीलम, गार्नेट और स्पिनेल इस प्रभाव के कमज़ोर रूप दिखाते हैं, और कोरंडम में इसे वैनेडियम पैदा कर सकता है।

इंद्रधनुषी आभा (iridescence) संरचनात्मक रंग है, जो माइक्रोन से छोटी संरचनाओं से परावर्तित या विवर्तित प्रकाश के व्यतिकरण से बनता है। यह फ़ायर एगेट में, बढ़िया मोतियों की सतही ओरिएंट में और क्वार्ट्ज़ की पतली हवा भरी दरारों के साथ दिखती है।

इंक्लूजन (inclusions) वे क्रिस्टल, तरल, दरारें और वृद्धि-चिह्न हैं जो रत्न के भीतर बंद रह जाते हैं। इनसे रहित पत्थर कम ही हैं, और हर पत्थर में इनकी व्यवस्था व्यवहारतः अनोखी होती है। ये यह भी दर्ज करते हैं कि मेज़बान कैसे और कहाँ बढ़ा, इसलिए रत्नविज्ञानी इन्हें पढ़कर प्राकृतिक को सिंथेटिक माल से अलग करते हैं, उपचार पकड़ते हैं और भौगोलिक उद्गम का संकेत देते हैं।

सिल्क कोरंडम में महीन रूटाइल सुइयों का जाल है। यह रंग को मुलायम करता है, तारे बना सकता है और पत्थर गर्म करने पर दिखने लायक बदल जाता है, जिससे यह ताप-उपचार पकड़ने का प्रमुख सुराग बन जाता है। सुइयाँ अकेले लंबे क्रिस्टल या नलिकाएँ होती हैं। फ़ेदर दरारें हैं, जिनका नाम उनके पंख जैसे रूप पर पड़ा; हीरे में सतह तक पहुँचने वाले फ़ेदर ही वे मुँह हैं जिनका फ़ायदा भराव उठाते हैं। पन्ने की विशिष्ट दरारों और इंक्लूजन को उसका जार्डिन कहते हैं, जो फ़्रांसीसी में बाग़ है, और व्यापारी उनकी अपेक्षा करते हैं।

कुछ इंक्लूजन किसी इलाके की ओर इशारा करते हैं। कोलंबिया के पन्नों में प्रायः त्रि-प्रावस्था इंक्लूजन होते हैं: एक दाँतेदार गुहा जिसमें नमकीन तरल, एक गैस का बुलबुला और हैलाइट (सेंधा नमक) का नन्हा घन बंद होता है, जो उन गर्म लवणजलों से फँसा जिन्होंने पन्ने जमाए। डिमेंटॉइड गार्नेट, विशेषकर रूस के Urals से आए, हॉर्सटेल रख सकते हैं: किसी सूक्ष्म क्रिस्टल से फैलते रेशों के घुमावदार गुच्छे। GIA उन्हें उन गिने-चुने भीतरी लक्षणों में गिनता है जो रत्न का मूल्य बढ़ाते हैं।

हीरा लगभग शुद्ध कार्बन है, पर नाइट्रोजन और बोरॉन की सूक्ष्म मात्रा उसका रंग, प्रतिदीप्ति और विद्युत व्यवहार बदल देती है। वैज्ञानिक हीरों को इन्हीं अशुद्धियों के आधार पर टाइप में बाँटते हैं, जिन्हें फूरिये-रूपांतर इन्फ्रारेड (FTIR) स्पेक्ट्रोस्कोपी से मापा जाता है। नाइट्रोजन के अवशोषण एक-फोनॉन क्षेत्र में आते हैं, मोटे तौर पर 1332 से 400 cm⁻¹ के बीच।

Type I हीरों में वह नाइट्रोजन होता है जिसे FTIR माप सकता है। Type Ia में, जो प्राकृतिक हीरों के 95% से अधिक हैं, नाइट्रोजन भूवैज्ञानिक काल में सरककर पास-पास के युग्मों (A समूह, IaA) या किसी रिक्ति के चारों ओर चार परमाणुओं के समूहों (B समूह, IaB) में चला गया है। Type Ib में नाइट्रोजन अकेले, पृथक परमाणुओं के रूप में बैठा रहता है; प्राकृतिक Ib पत्थर लगभग हमेशा भूरे, पीले या नारंगी होते हैं, और बहुत कम मिलते हैं। इसके उलट, HPHT से उगाए अधिकांश सिंथेटिक हीरे Type Ib होते हैं।

Type II हीरों में FTIR से पकड़ में आने वाला नाइट्रोजन नहीं होता, और ये भी प्रकृति में बहुत कम मिलते हैं। Type IIa पत्थर प्रायः असाधारण रूप से रंगहीन होते हैं, और सबसे बड़े रत्न-हीरे, यानी Cullinan जैसे वे पत्थर जो 360 से 750 km गहराई में बने, नियम से IIa निकलते हैं। Type IIb हीरों में बोरॉन होता है, जो उन्हें नीला या धूसर रंग देता है और विद्युत चालक बनाता है। व्यवहार में टाइप मायने रखता है: CVD से उगाए हीरे आम तौर पर IIa होते हैं और HPHT उपचार इसी टाइप का रंग हटा सकता है, इसलिए IIa पत्थर नियम से प्रयोगशाला परीक्षण के लिए भेजे जाते हैं।