การเจือปนของตะกั่วในพลอยทับทิม

  พลอยทับทิม ได้รับการขนานนามว่าเป็นสุดยอดแห่งพลอย ทับทิมขนาดใหญ่ ที่ไร้ตำหนิ และมีสีสันสวยงาม อาจมีราคาเทียบเท่าเพชรในน้ำหนักกะรัตเดียวกัน ทับทิมจัดอยู่ในตระกูลคอรันดัม (Corundum) เป็นผลึกของ Al2O3 ที่มีโครงสร้างผลึกอยู่ในระบบฐานสามเหลี่ยม (Trigonal system) อันดับความแข็ง 9 โมห์สเกล ค่าดัชนีหักเห 1.76-1.77 ค่าความถ่วงจำเพาะ 4.0 สีแดงของทับทิมมาจากธาตุโครเมี่ยม (Cr) ซึ่งปริมาณธาตุโครเมี่ยมนี่เองที่ทำให้ทับทิมมีสีแดงมากน้อยเพียงใด ส่วนธาตุเหล็ก (Fe) มีส่วนทำให้ทับทิมมีสีมืดลง

  ในสมัยก่อนพลอยทับทิมเมื่อมีการขุดขึ้นมาได้ ก็จะนำไปทำการขึ้นรูปเจียระไนเลย เรียกว่า พลอยสด แต่เป็นที่น่าเสียดายว่า พลอยที่มีสีสวยพอที่จะนำมาเจียระไนได้เลยนั้น มีปริมาณที่น้อยมาก พลอยที่นำมาเจียระไนไม่ได้ สีไม่สวย ก็จะถูกทิ้งเป็นกากพลอย หรือไม่ก็เก็บไว้ขายในราคาถูกๆ จนกระทั่งมีการค้นพบโดยบังเอิญว่า พลอยที่สีไม่สวย เนื้อทึบๆ นั้น เมื่อนำมาเผาในเตาไฟด้วยความร้อนสูง และนานเป็นระยะเวลาหนึ่ง จะทำให้ได้พลอยที่มีสีสวยขึ้น เนื้อใสขึ้น จึงเกิดการศึกษาเรื่องนี้อย่างจริงจังขึ้น ทำให้พลอยที่เป็นเพียงกากพลอย ราคาถูกๆ มีราคาแพงขึ้นมาได้ แม้จะมีราคาไม่เท่ากับพลอยสด แต่ก็ได้ราคาที่ดีขึ้นหลายร้อยเท่า จากนั้นจึงได้มีการพัฒนาเทคนิคการเผาพลอยขึ้นเรื่อยๆ มีการใส่สารเคมีต่างๆลงไปในกระบวนการเผา เพื่อหาวิธีที่จะทำให้พลอยสวยขึ้น ราคาจะได้ดีขึ้นไปอีก ปัจจุบัน เมื่อเข้าไปในตลาดพลอย จึงได้ยินคำว่า พลอยสด พลอยเผาเก่า พลอยเผาใหม่

  การเผาเก่า หมายถึงการเผาแบบดั้งเดิม ซึ่งเป็นการเผาแบบให้ความร้อนโดยไม่ใส่สารใดๆ และรวมถึงการเผาทับทิมที่มีการใส่สารบอแรกซ์และซิลิกา เพื่อไปประสานรอยร้าวของพลอย สารเคมีพวกนี้จะเข้าไปประสานรอยแตกในเนื้อพลอยได้ในระดับหนึ่ง จะยังคงมองเห็นรอยแตกได้บ้าง มีความทนทานต่อสภาวะแวดล้อมได้ดี แต่จะทำปฏิกริยากับกรดกัดแก้วได้ง่าย การเผาแบบนี้เป็นการเผาที่ทำมานานแล้ว และได้รับการยอมรับโดยทั่วไป

  การเผาใหม่ หมายถึงการเผาพลอยสองประเภท ประเภทแรก การเผาโดยใส่สารเบอริลเลียม มักทำในพลอยแซปไฟร์ เช่น บุษราคัม เขียวส่อง แซปไฟร์สีส้มอมชมพูหรือพัดพารัดชา พลอยทับทิมและแซปไฟร์จากเมืองซองเจีย เป็นต้น สารเบอริลเลียมเป็นสารไม่มีสี แต่เบอริลเลียมจะไปทำปฏิกิริยากับธาตุที่มีอยู่ภายในพลอย ทำให้พลอยสีสวยขึ้นและสีก็คงทนถาวร ประเภทที่ 2 คือ การเผาแบบใส่แก้วตะกั่ว พลอยที่นำมาเผาวิธีนี้มักจะมีรอยแตกร้าวมาก การใส่แก้วตะกั่วลงไปก็เพื่อประสานรอยแตกให้เรียบเนียนขึ้น เนื้อสารเคมีที่เข้าไปอุดในรอยแตก มีความใสใกล้เคียงหรือมากกว่าเนื้อพลอย ทำให้มองไม่เห็นรอยแตกในเนื้อพลอย แต่สารเคมีพวกนี้มีความทนทานต่อสภาวะแวดล้อมไม่ดีนัก เมื่อใช้ไปนานๆ พลอยจะหมองหรือเกิดด้านที่ผิวได้ง่าย การเผาวิธีนี้พบมากในพลอยทับทิมอาฟริกา เป็นที่คาดได้ว่า การเผาใหม่ หรือ การเผาแบบใส่แก้วตะกั่วนี้ น่าจะทำให้มีตะกั่วตกค้างในพลอยทับทิม ในปริมาณที่สูง เพื่อตรวจสอบในเรื่องนี้ หน่วยวิจัยฟิสิกส์ของลำไอออนและการประยุกต์ สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ซึ่งได้ติดตั้งเครื่องเร่งอนุภาคแทนเดมที่มีระบบวิเคราะห์วัสดุด้วยลำไอออนเต็มรูปแบบ ได้ทดลองใช้เทคนิคการวิเคราะห์แบบไม่ทำลาย ได้แก่ เทคนิค PIXE (Particle Induced X-rays Emission) ตรวจวัดปริมาณตะกั่วที่เจือปนอยู่ในพลอยทับทิมที่มีขายในท้องตลาด โดยได้สุ่มตรวจในพลอยทับทิมจำนวนรวมประมาณ 100 ตัวอย่าง เทคนิค PIXE เป็นเทคนิคที่ใช้อนุภาคโปรตรอนพลังงาน 2 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์ ยิงไปที่วัสดุที่ต้องการตรวจสอบ โปรตรอนจะเหนี่ยวนำให้ธาตุองค์ประกอบของวัสดุ ปลดปล่อยรังสีเอกซเรย์เฉพาะตัว (Characteristic X-rays) ออกมา

  เมื่อตรวจวัดค่าพลังงานของรังสีเอกซ์ดังกล่าว จะสามารถบ่งบอกได้ว่ามีธาตุอะไรเป็นองค์ประกอบของวัสดุ จึงมีความแม่นยำสูงมาก สามารถตรวจวัดได้แม้ธาตุดังกล่าวเจือปนในระดับส่วนในล้านส่วน (ppm) และทราบผลได้ภายในเวลาไม่เกิน 10 นาที รูปที่ 1 แสดงสเปกตรัม PIXE ของพลอยทับทิมตัวอย่าง 3 เม็ด จากพลอยทับทิม 3 กลุ่ม คือ ทับทิมธรรมชาติ (Untreated) ทับทิมเผาเก่า (Paw Kao) และทับทิมเผาใหม่ (Paw Mai) จะเห็นว่าในกรณีทับทิมธรรมชาติ ในสเปกตรัมจะประกอบด้วยพีคของอลูมิเนียม (Al) ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของพลอยทับทิม และพีคของธาตุที่ให้สีของพลอยทับทิม คือ โครเมี่ยม (Cr) และเหล็ก (Fe) นอกจากนั้น ยังมีพีคของธาตุเจืออื่นๆ ซึ่งเจือปนตามธรรมชาติในพลอยทับทิม ในปริมาณมากน้อยขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดของพลอย ธาตุเหล่านี้ได้แก่ วานาเดียม (V) นิเกิล (Ni) สังกะสี (Zn) และ แกเลียม (Ga) เป็นต้น โดยที่ไม่มีพีคของตะกั่ว (Pb) จึงยืนยันได้ว่าไม่มีตะกั่วอยู่ในพลอยทับทิมธรรมชาติแต่อย่างใด

  ในกรณีของทับทิมเผาเก่า จะเห็นพีคของตะกั่วจากทั้งชั้นแอลและชั้นเอ็ม (Pb L, Pb M) ในสเปกตรัม ซึ่งเมื่อนำพลอยทับทิมในกลุ่มนี้มาคำนวณหาค่าเฉลี่ยแล้ว พบว่ามีปริมาณตะกั่วประมาณ 1-7% คาดว่าตะกั่วเหล่านี้คงมาพร้อมกับซิลิกา ซึ่งผู้เผาพลอยอาจจะเลือกมาจากแหล่งที่มีการเจือปนของตะกั่ว ในส่วนของพลอยทับทิมเผาใหม่ จะพบว่ามีพีคของตะกั่วเพิ่มสูงขึ้นมาก จนแทบจะบดบังพีคที่มาจากธาตุเจืออื่นๆ โดยสิ้นเชิง จึงนับได้ว่า ตะกั่วเป็นธาตุองค์ประกอบหลักของพลอยทับทิมชนิดนี้ไปแล้ว และเมื่อดูจากลักษณะภายนอก พลอยชนิดนี้ก็เปลี่ยนแปลงไปจนมีลักษณะคล้ายแก้ว ซึ่งเมื่อนำพลอยทับทิมในกลุ่มนี้มาคำนวณหาค่าเฉลี่ยแล้ว พบว่ามีปริมาณตะกั่วสูงถึง 10-50% เลยทีเดียว การที่มีตะกั่วเจือปนอยู่ในพลอยทับทิม ทั้งจากการเผาเก่าและการเผาใหม่ จะมีผลอย่างไรต่อคุณภาพการเปล่งแสงของพลอย จะได้นำเสนอในตอนต่อไป

รูปที่ 1 เปรียบเทียบสเปกตรัม PIXE ของพลอยทับทิมสด (Untreated) พลอยทับทิมเผาเก่า (Paw Kao) และพลอยทับทิมเผาใหม่ (Paw Mai) ผลการคำนวณปริมาณธาตุเจือในพลอยแสดงดังในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ผลการคำนวณปริมาณธาตุองค์ประกอบในหน่วยส่วนในล้านส่วน (ppm) ของพลอยทับทิมสด (Untreated) พลอยทับทิมเผาเก่า (Paw Kao) และพลอยทับทิมเผาใหม่ (Paw Mai) ที่ตรวจวัดได้จากเทคนิค PIXE จากรูปที่ 1