Определяне на плътност (Архимед)
Също: Архимедово измерване на плътност, хидростатично претегляне, претегляне под вода
Недеструктивен метод за проверка на автентичността на благородни метали чрез измерване на специфичната плътност по принципа на Архимед.
Определянето на плътността по принципа на Архимед е един от най-надеждните и същевременно най-достъпни методи за проверка на автентичността на изделия от благородни метали. Всеки материал притежава характерна специфична плътност – тоест фиксирано отношение на маса към обем –, което се променя измеримо от сплави, фалшификационни материали или кухини. Методът е недеструктивен, не изисква химикали и е възпроизводим с прости средства.
Принципът на Архимед
Гръцкият математик Архимед от Сиракуза (прибл. 287–212 г. пр. Хр.) установил, че тяло, потопено в течност, изпитва изтласкваща сила, която точно съответства на теглото на изместеното количество течност. За определянето на плътността на благородни метали това означава:
ρ_обект = (m_въздух / (m_въздух − m_вода)) × ρ_вода
Легенда:
ρ_обект= търсената плътност на изследвания обект (g/cm³)m_въздух= теглото на обекта във въздух (g)m_вода= теглото на обекта при потапяне във вода (g)ρ_вода= плътност на водата (≈ 0,9982 g/cm³ при 20 °C)
Разликата m_въздух − m_вода съответства на изтласкването и следователно на обема на изместената вода. Ако разделим теглото във въздух на този обем, получаваме плътността на обекта.
Ръководство стъпка по стъпка
- Претеглете обекта сух – използвайте прецизна везна с разделителна способност поне 0,01 g; запишете стойността като
m_въздух. - Пригответе вода – дестилирана или филтрирана вода при възможно най-постоянна температура (20 °C идеално). Отчетете температурата на водата и плътността ρ_вода от таблица или приемете ≈ 0,9982 g/cm³.
- Настройте приспособление за под водата – окачете обекта на фин конец или тел под блюдото на везната във водата, без да докосва дъното на съда. Много прецизни везни предлагат кука за окачване.
- Претеглете под водата – запишете стойността като
m_вода. - Изчислете плътността – приложете формулата; сравнете резултата с референтните стойности от таблицата.
Референтни плътности на важни благородни метали и фалшификационни материали
| Материал | Плътност (g/cm³) | Забележка |
|---|---|---|
| Злато 999,9 (чисто злато) | 19,32 | референтна стойност |
| Злато 750 (18 карата) | 15,1–16,4 | според сплавта |
| Злато 585 (14 карата) | 13,0–14,5 | според сплавта |
| Волфрам | 19,25 | най-честа фалшификация на злато |
| Платина 999 | 21,45 | значително по-тежка от златото |
| Сребро 999 | 10,49 | референтна стойност |
| Сребро 835 | 10,0–10,2 | типично за прибори |
| Олово | 11,34 | по-стари фалшификации |
| Месинг | 8,4–8,7 | евтини фалшификации |
| Мед | 8,96 | позлатена, трудно разпознаваема |
Таблицата показва защо волфрамът представлява най-опасния фалшификационен метод: с 19,25 g/cm³ той е толкова близо до стойността на чистото злато от 19,32 g/cm³, че само високоточни измервания (±0,01 g/cm³) или допълващи методи – например рентгенофлуоресцентен анализ или ултразвукова проверка – позволяват сигурно разграничаване.
Силни страни и граници
Силни страни:
- Недеструктивен и без химикали
- Надеждно разпознава кухини, пълнежи и грешни сплави
- Ниски разходи: прецизна везна с кука за окачване и съд с вода са достатъчни
- Подходящ еднакво за кюлчета, монети и бижута
Граници и източници на грешки:
- Въздушни мехурчета по обекта изкривяват изтласкването (обезмаслете обекта преди измерване)
- Много малки обекти (под 1 g) изискват микровезни за надеждни резултати
- Волфрамово ядро в позлатени кюлчета може да доближи общата плътност до референтната стойност, ако съотношението е точно – тук е показана допълнителна ултразвукова проверка или проба чрез пробиване
- Сплави с непознат състав дават само стойност за подозрение, а не еднозначна проба
- Неравни повърхности (щамповки, назъбвания) и полепнал въздух изискват внимателна подготовка
Комбинация с други методи за проверка
За сигурна оценка се препоръчва определянето на плътността като първа стъпка в многостепенен протокол за проверка:
- Определяне на плътност – бърза груба класификация (фалшификат или правдоподобно)
- Магнитен тест – изключва феромагнитни фалшификационни материали
- Звукова проба – дава указания за кухини
- Рентгенофлуоресцентен анализ (XRF) – точен елементен състав на повърхността
- Киселинен тест – химическо доказателство при съмнение за позлатени фалшификати
За монети и кюлчета, които трябва да се измерят спрямо актуалната цена на златото, определянето на плътността предлага солидна първа ориентация, преди търговец или рафинерия да оцени формално изделието.
Практически съвет: температурна корекция
Водата има най-голяма плътност при 4 °C (1,0000 g/cm³). При стайна температура от 20 °C тя е 0,9982 g/cm³. Който иска да измери с точност ±0,05 g/cm³, трябва да измери действителната температура на водата и да използва съответната стойност на плътността от референтна таблица. За повечето домашни проверки приблизителната стойност 0,998 g/cm³ е достатъчна.
Накратко
Архимедовото определяне на плътността е прост, надежден и икономичен инструмент за първа проверка на автентичността на благородни метали. То разпознава повечето фалшификации веднага – само висококачествените волфрамови фалшификации изискват допълващи методи. В комбинация с проверка на теглото и размерите чрез проверката на теглото на монета покрива широкия спектър на ежедневните ситуации на проверка.