Quang phổ kế cầm tay là một ống nhỏ trải ánh sáng đã đi qua viên đá thành dải cầu vồng; những vùng màu bị đá hấp thụ hiện thành vạch hoặc dải tối. Vị trí và hình dạng các vạch tối cho biết nguyên tố nào tạo màu cho đá, như crôm, sắt hay coban, và nhiều khi đủ để gợi ý loài đá.
Trước khi có máy đo phổ điện tử, quang phổ kế cầm tay là công cụ mạnh nhất trong túi người giám định để nhìn vào bên trong màu sắc. Đến nay nó vẫn được dùng vì nhỏ, không cần điện ngoài nguồn sáng, và không chạm vào đá. Bài giải thích nguyên lý, hai kiểu máy, cách soi, những kiểu phổ kinh điển và giới hạn của phép đọc bằng mắt.
Phổ hấp thụ nói gì về màu của viên đá
Ánh sáng trắng là hỗn hợp của mọi màu từ tím đến đỏ. Khi đi qua một viên đá có màu, một số vùng bước sóng bị các nguyên tử tạo màu hấp thụ, phần còn lại đi tới mắt và tạo nên màu ta thấy. Nếu trải phần ánh sáng còn lại đó thành dải cầu vồng, những chỗ bị hấp thụ sẽ hiện thành khoảng tối trên nền sáng. Tập hợp các khoảng tối đó gọi là phổ hấp thụ.
Điều đáng quý là mỗi nguyên tố tạo màu, trong một môi trường tinh thể nhất định, để lại một kiểu dấu vết riêng. Crôm trong ruby tạo vài vạch mảnh ở vùng đỏ cùng một dải rộng ở vùng vàng lục. Sắt trong sapphire xanh tạo một vạch rõ ở vùng lam. Coban trong thuỷ tinh lam tạo ba dải rộng ở vùng vàng, lục và cam. Nhìn kiểu vạch, người giám định biết màu đến từ đâu, từ đó thu hẹp danh sách loài đá có thể.
Phổ hấp thụ không đo chiết suất hay tỉ trọng, nên nó là bằng chứng độc lập với khúc xạ kế. Khi hai bằng chứng độc lập cùng chỉ về một loài, kết luận vững hơn nhiều so với hai lần đo cùng một tính chất.
Hai kiểu quang phổ kế và khác biệt khi nhìn
Kiểu lăng kính. Ánh sáng đi qua một chuỗi lăng kính thuỷ tinh và bị tách thành dải màu. Vùng lam tím được trải rộng, vùng đỏ bị nén lại. Kiểu này cho ảnh sáng, dễ thấy các vạch yếu ở vùng lam, nên được nhiều người dùng để soi sapphire, zircon. Nhiều mẫu có thang chia bước sóng chiếu vào trường nhìn.
Kiểu cách tử nhiễu xạ. Ánh sáng được tách bởi một tấm cách tử có hàng nghìn rãnh nhỏ. Dải màu trải đều theo bước sóng, dễ ước vị trí vạch, nhưng ảnh tối hơn kiểu lăng kính, cần nguồn sáng mạnh.
Khe vào điều chỉnh được. Cả hai kiểu đều có khe hẹp ở đầu ống. Khe hẹp cho vạch sắc nhưng tối; khe rộng sáng hơn nhưng vạch nhoè. Người đo thường mở khe vừa đủ rồi điều chỉnh dần.
Nguồn sáng. Phòng lab dùng đèn sợi quang lạnh hoặc đèn mạnh có ánh sáng liên tục, không dùng đèn huỳnh quang vì chính đèn đó có vạch phát xạ riêng sẽ chồng lên phổ của đá.
Cách người giám định soi phổ một viên đá
Có hai cách chiếu sáng chính, chọn theo độ trong và màu của viên đá.
- Ánh sáng xuyên qua: đặt đá trên lỗ tròn của giá đỡ có đèn chiếu từ dưới lên, đưa quang phổ kế sát đá từ phía trên. Cách này hợp với đá trong, màu vừa.
- Ánh sáng phản xạ trong: úp đá xuống nền tối, chiếu đèn chếch từ trên để ánh sáng đi vào đá, dội qua các giác đáy rồi đi ra; đặt quang phổ kế đón đúng chùm ánh sáng đó. Cách này cho quãng đường ánh sáng trong đá dài hơn, vạch rõ hơn với đá nhạt màu.
- Che bớt ánh sáng thừa chung quanh, chỉ để chùm sáng qua đá lọt vào ống.
- Nhìn từ đầu đỏ sang đầu tím, ghi lại vị trí và kiểu từng vạch: mảnh và sắc, rộng và mờ, hay một vùng tối hẳn.
- So với phổ của mẫu đối chứng hoặc hình vẽ phổ chuẩn trong tài liệu.
Đá phải đủ màu để có hấp thụ thấy được; đá rất nhạt hoặc gần như không màu thường không cho phổ rõ, trừ một số loài có vạch đặc trưng mạnh như zircon.
Vài kiểu phổ kinh điển dễ nhận
Vị trí vạch trong bảng là giá trị gần đúng theo tài liệu ngọc học phổ thông, ghi theo nanomet. Mục đích là cho bạn hình dung, không thay cho hình phổ chuẩn khi đối chiếu thật.
| Đá | Nguyên tố chính | Phổ thường thấy |
|---|---|---|
| Ruby | Crôm | vạch mảnh ở vùng đỏ quanh 694, dải rộng ở vùng vàng lục, vài vạch ở vùng lam |
| Spinel đỏ | Crôm | dải rộng vàng lục và nhóm vạch mảnh ở vùng đỏ, khác cách xếp của ruby |
| Sapphire xanh giàu sắt | Sắt | vạch rõ ở vùng lam quanh 450, đôi khi kèm vạch yếu bên cạnh |
| Garnet almandine | Sắt | ba dải rõ ở vùng vàng, lục và lục lam |
| Zircon | Uran (vết) | nhiều vạch mảnh rải khắp phổ, vạch ở vùng đỏ quanh 653 hay được dùng để nhận |
| Thuỷ tinh lam, spinel tổng hợp lam | Coban | ba dải rộng ở vùng vàng, lục và cam |
| Emerald | Crôm | vạch mảnh vùng đỏ, hấp thụ rộng vùng vàng cam, vùng lam ít hấp thụ |
Đá cùng nguyên tố tạo màu có thể cho phổ tương tự, như ruby và spinel đỏ cùng do crôm. Lúc đó người giám định phải xem kỹ cách xếp nhóm vạch ở vùng đỏ, cộng với chiết suất và tính đa sắc.
Phổ giúp phát hiện điều gì ngoài tên loài
Quang phổ kế cầm tay đôi khi cho manh mối về xử lý và nguồn gốc. Ví dụ, sapphire tổng hợp nung chảy màu xanh thường ít sắt nên vạch quanh 450 yếu hoặc không có, trong khi nhiều sapphire tự nhiên xanh đậm cho vạch này khá rõ. Một viên sapphire xanh đẹp mà không có vạch sắt là lý do để soi bao thể kỹ hơn. Nhưng sapphire tự nhiên từ một số vùng mỏ cũng nghèo sắt, nên đây chỉ là gợi ý.
Với ngọc phỉ thuý, phổ cho một vạch ở vùng lam tím do sắt, là dấu hiệu quen thuộc của jadeite; phỉ thuý lục đẹp màu do crôm cho thêm vạch ở vùng đỏ. Ngọc nhuộm lục thường cho một dải hấp thụ rộng, mờ ở vùng đỏ, khác với các vạch mảnh của crôm tự nhiên. Người đọc phổ có kinh nghiệm nhận ra khác biệt này khá nhanh, nhưng vẫn cần máy phổ hồng ngoại để xác nhận có nhựa tẩm hay không.
Với kim cương, một số vạch ở vùng lam gắn với nitơ trong mạng tinh thể; sự có mặt hay vắng mặt của chúng là một trong những cơ sở sàng lọc ban đầu trước khi gửi máy chuyên dụng. Ngày nay việc này chủ yếu do máy đo phổ điện tử đảm nhận, vì vạch quá yếu để mắt thường nhìn chắc.
Bước sóng, nanomet và cách ghi vị trí vạch
Vị trí một vạch hấp thụ được ghi bằng bước sóng của ánh sáng tại đó, đơn vị nanomet, tức một phần tỉ mét. Vùng mắt người thấy được trải từ khoảng 400 nanomet ở đầu tím đến khoảng 700 nanomet ở đầu đỏ. Lam nằm quanh 450 đến 490, lục quanh 500 đến 560, vàng quanh 570 đến 590, cam quanh 590 đến 620, phần còn lại đến 700 là đỏ. Các ranh giới này chỉ là quy ước gần đúng vì màu chuyển dần.
Quang phổ kế có thang chia cho phép đọc vị trí vạch với sai số vài nanomet, đủ cho mục đích nhận dạng. Kiểu không có thang thì người đọc mô tả bằng vùng màu: một vạch mảnh ở vùng đỏ, một dải rộng ở vùng vàng lục. Cả hai cách đều được dùng trong ghi chép; điều quan trọng là mô tả đủ hình dạng vạch, vì một vạch mảnh sắc và một dải mờ rộng ở cùng vị trí có thể đến từ hai nguyên nhân khác nhau.
Khi tài liệu ngọc học ghi phổ của ruby có vạch quanh 694 nanomet, đó là vị trí sát rìa đỏ sẫm, nơi mắt kém nhạy. Nhiều người mới học không thấy vạch này lần đầu và nghĩ mình làm sai. Thực ra đó là giới hạn của mắt; với ruby, vạch ở vùng đỏ đôi khi còn hiện thành vạch sáng do đá phát huỳnh quang dưới chính nguồn sáng soi.
Ghi phổ vào hồ sơ để người khác kiểm lại được
Một nhược điểm cố hữu của quang phổ kế cầm tay là kết quả nằm trong mắt người nhìn. Để bù lại, người làm nghề có thói quen vẽ phổ: một dải chữ nhật dài chia theo bước sóng, tô đen những chỗ thấy vạch, ghi chú vạch nào mảnh, vạch nào mờ, và cách chiếu sáng đã dùng. Bản vẽ tay này đi kèm số hiệu mẫu, ngày soi và nguồn sáng.
Hồ sơ như vậy có hai tác dụng. Thứ nhất, người giám định thứ hai đọc bản vẽ và soi lại cùng viên đá sẽ biết mình có thấy giống không, từ đó phát hiện chỗ đọc sai. Thứ hai, qua thời gian, một người làm nghề tích luỹ được bộ hình phổ của chính những mẫu mình đã gặp, quý hơn mọi hình minh hoạ in sẵn vì nó gắn với đúng loại đèn và đúng chiếc máy mình dùng.
Ở phòng lab hiện đại, phổ ghi bằng máy điện tử được lưu thành tệp kèm mẫu, và quang phổ kế cầm tay chủ yếu dùng để sàng lọc nhanh. Nhưng thói quen vẽ phổ vẫn được dạy trong các lớp ngọc học nhập môn vì nó buộc người học nhìn chậm, nhìn đủ, và tách rõ điều mình thấy với điều mình đoán.
Giới hạn của việc đọc phổ bằng mắt
Quang phổ kế cầm tay vẫn hữu ích, nhưng nó có những giới hạn mà máy đo phổ điện tử ra đời để khắc phục.
- Mắt người kém nhạy ở hai đầu quang phổ, vạch ở vùng đỏ sẫm và tím sâu dễ bị bỏ sót.
- Vạch yếu hoặc dải rất rộng khó nhận, kết quả phụ thuộc kinh nghiệm người đọc.
- Không ghi lại được để người khác kiểm tra, trừ khi người đọc vẽ tay hoặc chụp ảnh qua ống.
- Đá quá nhạt màu, quá nhỏ hoặc quá đục cho ánh sáng đi qua ít, phổ mờ.
- Đá tổng hợp cùng loài và cùng nguyên tố tạo màu cho phổ gần như giống đá tự nhiên.
- Nhiệt từ nguồn sáng mạnh có thể làm nóng đá trong lần soi lâu, cần đèn sợi quang lạnh với đá nhạy nhiệt.
Phòng lab hiện đại bổ sung máy đo phổ tử ngoại – khả kiến – cận hồng ngoại ghi phổ thành đồ thị, đo được cả vùng mắt không thấy. Quang phổ kế cầm tay vẫn giữ chỗ đứng như phép thử nhanh, rẻ và không phá huỷ ngay trên bàn làm việc.
Câu hỏi thường gặp
Quang phổ kế cầm tay có tách được ruby với spinel đỏ không?
Có thể, nếu người đọc có kinh nghiệm. Cả hai cùng màu do crôm nên phổ trông giống nhau ở mức thô, nhưng nhóm vạch mảnh ở vùng đỏ xếp khác nhau. Trong thực tế người giám định dùng thêm chiết suất và lưỡng sắc kính để kết luận chắc hơn.
Đá không màu có đo phổ được không?
Phần lớn đá không màu cho phổ gần như trống vì không hấp thụ vùng nào rõ. Ngoại lệ là một số loài như zircon, có nhiều vạch mảnh do vết uran ngay cả khi màu nhạt. Kim cương không màu cần máy phổ chuyên dụng chứ không đọc bằng quang phổ kế cầm tay.
Vì sao không dùng đèn huỳnh quang khi soi phổ?
Vì đèn huỳnh quang có các vạch phát xạ sáng riêng, chúng chồng lên phổ của viên đá và làm người đọc nhầm. Phòng lab dùng nguồn sáng có phổ liên tục, như đèn sợi đốt hoặc đèn sợi quang lạnh, để mọi vạch tối thấy được đều là của đá.
Phổ có cho biết đá đến từ mỏ nào không?
Quang phổ kế cầm tay hiếm khi đủ để xác định vùng mỏ. Nó chỉ cho manh mối, như lượng sắt nhiều hay ít. Kết luận nguồn gốc vùng mỏ cần bao thể dưới kính hiển vi và phân tích nguyên tố vết bằng máy chuyên dụng, và ngay cả khi đó vẫn là ý kiến chuyên môn.
Có thể chụp phổ bằng điện thoại không?
Có, nhiều người đặt camera điện thoại sát thị kính để ghi lại phổ làm hồ sơ. Ảnh giúp so sánh và lưu trữ, nhưng cảm biến điện thoại có độ nhạy màu khác mắt người, nên vạch yếu có thể mất hoặc bị nhấn quá mức. Ảnh chỉ để tham khảo cho người đã đọc phổ trực tiếp.
