귀금속 보석공예사, 보석디자인 전공 등 보석 감정사 요점 정리 68. X-선 형광분석

68. X-선 형광분석

 

X-선 형광분석(X-ray fluorescence : XRF)은 시료를 파괴하지 않고 측정할 수 있
는 비파괴 분석법으로서, 원자번호 11번인 나트륨(Na)부터 92번 우라늄(U)까지 원소를
정성 및 정량 분석이 가능하다. XRF는 크게 에너지 분산형인 ED(energy dispersive)와
파장 분산형인 WD(wavelength dispersive)로 나눌 수 있다. 일반적으로 보석을 분석
하기 위해 사용되는 형광 분석기는 ED-XRF이다[그림 4-6]. WD-XRF는 시료에서 발
생한 형광 X-선이 이미 알려진 면 간격 d를 갖는 분광 결정에 쪼여지게 되면 분광 결정
의 기울기가 변화되어 여러 가지 파장으로 분리되는 방식으로서 분해능이 비교적 좋다.

그러나 ED-XRF가 주로 사용되는 이유는 WD-XRF가 ED-XRF에 비해서 고가이며,
X-선의 강도가 ED에 비하여 강함으로 인하여 시료에 손상을 가져올 수 있는 단점과 함
께 장비의 크기 또한 ED에 비해서 크기 때문에 넓은 공간을 차지한다는 단점이 있기 때
문이다.

XRF는 해수진주와 담수진주의 구별, 납유리 물질이 함침된 루비의 확인 등을 비롯하여 보석 내에서 존재하는 원소의 규명 및 귀금속 함량을 측정하는데 사용된다.

XRF에는 특성 X-선이 이용된다. 특성 X-선이란 [그림 4-5]에서 볼 수 있듯이 K껍
질의 에너지와 L껍질의 에너지 보다 큰 외부 에너지(E)가 K껍질과 L껍질에 존재하던
전자를 가격하여 기존에 존재하고 있던 전자를 튀어 나가게 하면 이때 생긴 내부 껍질의
빈자리를 메우려고 외부 껍질로부터 전자들이 이동하게 되는데, 이때 외부 껍질과 내부
껍질의 에너지 차에 상당하는 X-선이 발생하게 되며, 이를 특성 X-선이라 한다.
X-선 형광분석은 보석 감별에 다양한 정보를 제공한다. 해수진주와 담수진주는 탄산
칼슘(CaCO3)이 주성분이지만 미량의 원소들도 함께 존재하고 있는데, 그 미량 원소 중
에서 망간(Mn)의 함유량이 해수진주보다 담수진주에 많으며 스트론튬(Sr)은 해수진주
에 보다 더 많이 존재하고 있음을 성분분석을 통해 알 수 있다.
한편, 납(Pb)유리 물질을 사용한 함침(含浸)으로 투명도가 개선된 루비가 2004년 이
후로 현재에 이르기까지 꾸준히 발견되고 있다. 최근에는 납유리 물질의 과다한 처리로 인해 납유리의 중량이 루비의 중량에 영향을 미치고, 불화수소산(HF)에 담그었을 때에
안정성을 떨어뜨리는 문제가 발생되고 있다. 함침 루비에는 일반적으로 다이아몬드의
투명도를 개선시키기 위해 높은 굴절률을 지닌 유리 물질로 충전하여 나타나는 플래시
효과와 같은 현상이 루비의 피셔와 프랙처에서 나타난다. 플래시 효과가 나타나는 원
인은 함침된 납유리와 같은 물질이 빛의 파장에서는 루비의 굴절률과 비슷하거나, 약간
높은 굴절률로 인한 서로 다른 분산도에 의하여 발생한다. X-선 형광분석을 이용하여
함침된 루비를 측정하면 납 성분이 검출된다. 이 외에도 X-선 형광분석은 보석 내에 존
재하는 원소의 규명 및 귀금속 함량 등을 측정하는데 사용된다.