Tiheyden määritys (Arkhimedes)
Myös: Arkhimedeen tiheysmittaus, hydrostaattinen punnitus, vedenalainen punnitus
Rikkomaton menetelmä jalometallien aitouden tarkistamiseen mittaamalla ominaistiheys Arkhimedeen periaatteen mukaisesti.
Tiheyden määritys Arkhimedeen periaatteen mukaan on yksi luotettavimmista ja samalla helpoiten saavutettavista menetelmistä jalometallikappaleiden aitouden tarkistamiseen. Jokaisella materiaalilla on ominainen ominaistiheys – eli kiinteä massan ja tilavuuden suhde – joka muuttuu mitattavasti seosten, väärennösmateriaalien tai onteloiden vuoksi. Menetelmä on rikkomaton, se ei vaadi kemikaaleja ja se on toistettavissa yksinkertaisin välinein.
Arkhimedeen periaate
Kreikkalainen matemaatikko Arkhimedes Syrakusalainen (n. 287–212 eaa.) havaitsi, että nesteeseen upotettu kappale kokee nostevoiman, joka vastaa täsmälleen syrjäytetyn nestemäärän painoa. Jalometallien tiheyden määrityksessä tämä tarkoittaa:
ρ_kappale = (m_ilma / (m_ilma − m_vesi)) × ρ_vesi
Selite:
ρ_kappale= etsitty tarkistuskappaleen tiheys (g/cm³)m_ilma= kappaleen paino ilmassa (g)m_vesi= kappaleen paino veteen upotettuna (g)ρ_vesi= veden tiheys (≈ 0,9982 g/cm³ 20 °C:ssa)
Erotus m_ilma − m_vesi vastaa nostetta ja siten syrjäytetyn veden tilavuutta. Kun ilmapaino jaetaan tällä tilavuudella, saadaan kappaleen tiheys.
Vaihe vaiheelta -ohje
- Punnitse kappale kuivana – käytä tarkkuusvaakaa, jonka erottelukyky on vähintään 0,01 g; merkitse arvo muistiin arvona
m_ilma. - Valmistele vesi – tislattua tai suodatettua vettä mahdollisimman tasaisessa lämpötilassa (20 °C ihanteellinen). Lue veden lämpötila ja tiheys ρ_vesi taulukosta tai oleta ≈ 0,9982 g/cm³.
- Järjestä vedenalainen ripustus – ripusta kappale ohuella langalla tai vaijerilla vaakakupin alapuolelle veteen koskettamatta astian pohjaa. Monissa tarkkuusvaaoissa on koukku alaripustusta varten.
- Punnitse veden alla – merkitse arvo muistiin arvona
m_vesi. - Laske tiheys – sovella kaavaa ja vertaa tulosta taulukon vertailuarvoihin.
Tärkeiden jalometallien ja väärennösmateriaalien vertailutiheydet
| Materiaali | Tiheys (g/cm³) | Huomautus |
|---|---|---|
| Kulta 999,9 (puhdas kulta) | 19,32 | vertailuarvo |
| Kulta 750 (18 karaattia) | 15,1–16,4 | seoksesta riippuen |
| Kulta 585 (14 karaattia) | 13,0–14,5 | seoksesta riippuen |
| Volframi | 19,25 | yleisin kullan väärennös |
| Platina 999 | 21,45 | selvästi kultaa raskaampi |
| Hopea 999 | 10,49 | vertailuarvo |
| Hopea 835 | 10,0–10,2 | tyypillinen aterimille |
| Lyijy | 11,34 | vanhemmat väärennökset |
| Messinki | 8,4–8,7 | halvat väärennökset |
| Kupari | 8,96 | kullattuna vaikea havaita |
Taulukko osoittaa, miksi volframi on vaarallisin väärennösmenetelmä: tiheydellä 19,25 g/cm³ se on niin lähellä puhtaan kullan arvoa 19,32 g/cm³, että vain erittäin tarkat mittaukset (±0,01 g/cm³) tai täydentävät menetelmät – kuten röntgenfluoresenssianalyysi tai ultraäänitesti – mahdollistavat luotettavan erottelun.
Vahvuudet ja rajoitukset
Vahvuudet:
- Rikkomaton ja kemikaaliton
- Tunnistaa ontelot, täytteet ja väärät seokset luotettavasti
- Alhaiset kustannukset: alaripustuskoukullinen tarkkuusvaaka ja vesiastia riittävät
- Soveltuu yhtä lailla harkoille, kolikoille ja korukappaleille
Rajoitukset ja virhelähteet:
- Kappaleessa olevat ilmakuplat vääristävät nostetta (rasvanpoisto kappaleesta ennen mittausta)
- Hyvin pienet kappaleet (alle 1 g) vaativat mikrovaakoja luotettaviin tuloksiin
- Kullalla päällystettyjen harkkojen volframiydin voi tuoda kokonaistiheyden lähelle vertailuarvoa, jos suhde on oikea – tässä on lisäksi aiheellista tehdä ultraäänitesti tai poraustesti
- Tuntemattoman koostumuksen seokset antavat vain epäilyarvon, ei yksiselitteistä pitoisuutta
- Epätasaiset pinnat (leimaukset, uritukset) ja tarttunut ilma vaativat huolellista valmistelua
Yhdistäminen muihin tarkistusmenetelmiin
Luotettavaan arviointiin tiheyden määritys soveltuu ensimmäiseksi vaiheeksi monivaiheisessa tarkistusprotokollassa:
- Tiheyden määritys – nopea karkea luokittelu (väärennös vai uskottava)
- Magneettitesti – sulkee pois ferromagneettiset väärennösmateriaalit
- Äänitesti – antaa viitteitä onteloista
- Röntgenfluoresenssianalyysi (XRF) – tarkka alkuainekoostumus pinnalla
- Happotesti – kemiallinen todistus, jos epäillään kullattuja väärennöksiä
Kolikoille ja harkoille, joita halutaan arvioida ajantasaisella kullan hinnalla, tiheyden määritys tarjoaa vankan ensiarvion ennen kuin kauppias tai jalostamo arvioi kappaleen muodollisesti.
Käytännön vinkki: lämpötilakorjaus
Vedellä on suurin tiheytensä 4 °C:ssa (1,0000 g/cm³). Huoneenlämmössä 20 °C se on 0,9982 g/cm³. Jos halutaan mitata ±0,05 g/cm³ tarkkuudella, kannattaa mitata veden todellinen lämpötila ja käyttää vastaavaa tiheysarvoa vertailutaulukosta. Useimpiin kotitarkistuksiin likiarvo 0,998 g/cm³ riittää.
Lyhyesti muistiin
Arkhimedeen tiheyden määritys on yksinkertainen, luotettava ja edullinen työkalu jalometallien ensimmäiseen aitouden tarkistukseen. Se tunnistaa useimmat väärennökset heti – vain korkealaatuiset volframiväärennökset vaativat täydentäviä menetelmiä. Yhdistettynä painon ja mittojen tarkistukseen kolikon painon tarkistimen avulla se kattaa laajan kirjon arkipäiväisiä tarkistustilanteita.