Точное измерение оптических свойств имеет решающее значение для идентификации драгоценных камней. В этой статье рассматриваются основные термины и концепции оптики драгоценных камней.
Длины волн света и оптика драгоценных камней
Свет распространяется в виде волн, подобных ряби на пруду. Это составляет основу оптики кристаллов и драгоценных камней.
Расстояние между последовательными гребнями или впадинами такой волны называется длиной волны, а амплитуда волны равна высоте волны над медианой (среднее положение между гребнем и впадиной).
Выражаясь привычными терминами, разные длины волн — это разные цвета, а амплитуда — это интенсивность света. Свет вибрирует под прямым углом к направлению своего движения, и вибрация происходит во всех направлениях, перпендикулярных пути света.
Показатель преломления
Когда свет переходит из одной среды, такой как воздух, в другую, такую как вода, он фактически замедляется. Кроме того, световой путь изгибается. Отклонение всегда относится к линии, перпендикулярной границе раздела двух сред, известной как нормаль к границе раздела. Свет всегда отклоняется к нормали в среде, в которой он распространяется медленнее.
Показатель преломления или показатель преломления равен отношению между скоростями света в двух средах. Первая среда, обычно воздух, устанавливает единичную скорость света (1). В этом случае показатель преломления становится равным 1 /v, где v — скорость света в более плотной среде.
Показатель преломления, обычно сокращенный n, также часто описывается в терминах угла к нормали, создаваемого входящим световым лучом или падающим лучом, и угла, создаваемого преломленным лучом (проходящим в более плотной среде). В этих терминах показатель преломления равен синусу угла падения, деленному на синус угла преломления.
Критический угол
Свет, проходящий из данной среды в менее плотную среду — например, из кристалла в воздух, — может попадать на поверхность раздела под таким углом, что на границе раздела свет полностью отражается обратно в более плотную среду. Угол падения, при котором это происходит, известен как критический угол.
Этот угол имеет большое значение для огранки драгоценных камней. Если огранщик ограняет драгоценный камень под углом, неправильно соответствующим его показателю преломления, свет, попадающий на камень, может «просочиться» через нижнюю часть. Это приводит к потере блеска. Однако, если углы у основания камня правильные, свет полностью отражается внутрь и возвращается к глазу зрителя. Это создает наиболее приятный блеск. Фактически, именно для того, чтобы создать это чудесное отражение света.
Изотропные кристаллы
драгоценных камней определяют их оптические свойства. Например, кристаллы имеют кристаллическую структуру, высокосимметричную во всех направлениях. В результате этой симметрии свет, распространяющийся в любом направлении внутри изометрического кристалла, распространяется с одинаковой скоростью. Внутри материала ни одно направление не замедляет свет в заметной степени. (Это также верно для аморфных материалов, таких как , которые не имеют кристаллической структуры). Такие материалы называются изотропными и характеризуются одним показателем преломления, сокращенно N.
Анизотропные кристаллы
Во всех других неизометрических кристаллах свет разделяется на две составляющие — два поляризованных луча, известных как обычный луч и необычный луч. Все неизометрические кристаллы вызывают такое расщепление падающего света и называются анизотропными.
Поляризованный свет и оптика драгоценных камней
Каждый поляризованный луч колеблется в одной плоскости, а не во всех направлениях, перпендикулярных направлению распространения света.
Названная в честь своего изобретателя, , призма Никола может демонстрировать наличие поляризованного света. Он содержит специально ограненные кусочки кальцита, ориентированные таким образом, чтобы пропускать только свет, поляризованный в одной плоскости. Если вы поставите две призмы Nicol на одну линию и повернете направления их поляризации под прямым углом друг к другу, свет может вообще не проходить через них.
Аналогичным образом геммологи могут использовать аналогичное устройство, такое как или поляризационный микроскоп, чтобы определить направления поляризации света, прошедшего через образец кристалла или драгоценный камень. Обычно минералоги используют поляризационные микроскопы для изучения крошечных минеральных зерен, а не драгоценных камней. Геммологи предпочитают работать с поляризационными устройствами большего размера, обычно это диски диаметром 1-3 дюйма из пластика polaroid, вмонтированные в полярископ.
Одноосные кристаллы
Анизотропные кристаллы в и системах имеют уникальную кристаллическую ось, которая либо длиннее, либо короче двух других осей в кристалле. Свет, движущийся в направлении, параллельном этой оси, вибрирует в плоскости двух других осей. Поскольку две другие оси эквивалентны, эта вибрация равномерна и напоминает световую вибрацию в изотропном кристалле.
Если пара призм Nicol расположена на одной линии со светом, распространяющимся в этом особом направлении в тетрагональных или гексагональных кристаллах, и если призмы повернуты так, что направления поляризации пересекаются (перпендикулярно), свет, исходящий из кристалла, виден не будет. В результате наличия этого уникального оптического направления в тетрагональных и гексагональных кристаллах драгоценные камни, кристаллизующиеся в этих кристаллических системах, называются одноосными.
Двухосные кристаллы
Анизотропные кристаллы во всех других системах имеют два направления, в которых свет равномерно колеблется перпендикулярно направлению движения. Следовательно, кристаллы в , и системах называются двухосными. Полное описание поведения света в таких кристаллах очень сложно.
Двойное лучепреломление в одноосных кристаллах
В одноосных кристаллах луч, который проходит вдоль оптической оси и равномерно вибрирует в плоскости под прямым углом к этому направлению, является обычным лучом. Другой луч, который вибрирует в плоскости, включающей уникальное направление оси кристалла, является необычным лучом. Показатели преломления этих лучей (направлений), обозначаемые как o (обычный) и e (необычный), являются основными оптическими параметрами для одноосного драгоценного камня.
Если скорость луча o в кристалле больше, чем скорость луча e, кристалл называется положительным (+). Если электронный луч имеет большую скорость, кристалл называется отрицательным (-).
в одноосном кристалле равно разнице между показателями преломления для o и e.
Двойное лучепреломление в двухосных кристаллах
Двухосные кристаллы имеют три разные кристаллографические оси. Они также имеют два уникальных направления внутри кристалла, которые напоминают уникальную оптическую ось в одноосном кристалле. Греческие буквы α (альфа), β (бета) и γ (гамма) обозначают показатели преломления двухосного кристалла.
Альфа, самый низкий индекс, относится к направлению в кристалле, известному как X, с наибольшей скоростью света внутри кристалла. Бета, промежуточный индекс, соответствует кристаллографическому направлению Y и представляет промежуточную лучевую скорость. Гамма, самый высокий показатель преломления, соответствует кристаллографическому направлению Z и имеет самую низкую скорость луча.
Двойное лучепреломление в двухосном кристалле равно разнице между альфа-и гамма-показателями.
Минералоги считают острый угол между двумя оптическими осями внутри кристалла, обозначаемый как 2V, полезным параметром. Оказывается, что если бета-индекс находится ровно посередине между альфой и гаммой, угол 2V равен ровно 90°.
Наконец, если значение бета ближе к гамма, чем к альфа, кристалл называется оптически отрицательным. Если значение бета ближе к значению альфа, кристалл называется оптически положительным.
Как показатели преломления, так и двойное лучепреломление являются полезными параметрами для характеристики и идентификации кристаллов. И то, и другое меняется в зависимости от состава и присутствия , и они могут варьироваться даже в пределах одного кристалла.
Дисперсия и оптика драгоценных камней
Всегда помните, что показатель преломления в основном является мерой относительной скорости света. Каждая длина волны света распространяется в данной среде (кроме воздуха) с разной скоростью. Следовательно, каждая длина волны имеет свой собственный показатель преломления. Разница в показателе преломления при изменении длины волны известна как .
Дисперсия заставляет драгоценные камни переливаться разными цветами. Например, у разница в показателях преломления красного и синего света довольно велика. Этим объясняется их блеск. Когда свет проходит через ограненный драгоценный камень, различные длины волн (цвета) расходятся. Когда свет, наконец, выходит из камня, различные цветовые участки спектра полностью разделяются.
Ученые сообщают о дисперсии как о безразмерном числе, то есть у него нет единицы измерения. Однако существует определенная степень выбора длин волн, используемых в качестве опорных точек. Обычно геммологи определяют дисперсию драгоценных камней как разницу в показателе преломления между линиями Фраунгофера B и G. Линии Фраунгофера — это , наблюдаемые в спектре Солнца при 6870 и 4308 Å соответственно.
Ангстрем (Å) равен одной десятимиллиардной части метра, и ученые используют его для измерения длин волн света. Они также используют нанометр (нм), одну миллиардную метра, или 10 Å.
Дисперсионная сетка Хартмана
В некоторых случаях в геммологической литературе отсутствует информация о дисперсии драгоценных камней. Однако в минералогической литературе могут содержаться данные о показателе преломления, измеренном на определенных различных длинах волн (не включая длины волн B и G.). В таких случаях геммологи могут рассчитать дисперсию, используя специальный тип миллиметровой бумаги, известный как дисперсионная сетка Хартмана. На этом документе логарифмического типа можно построить показатели преломления на определенных длинах волн, охватывающих весь полезный диапазон. Геммологи могут экстраполировать такие линейные графики на положения линий B и G.
Оптика драгоценных камней и непрозрачные или полупрозрачные материалы
В некоторых случаях, например, в случае с материалами, один только не может точно измерить показатели преломления. Вместо этого прибор показывает лишь расплывчатую линию, представляющую средний индекс материала. Тем не менее, это число по-прежнему указывает на то, что геммологи могут ожидать обнаружить при обычном осмотре.
Использование одной длины волны для измерения показателей преломления
Рефрактометр эффективно измеряет все показатели преломления (все длины волн света) одновременно. Геммологи могли бы проводить более точные измерения, выбирая только одну длину волны. Повсеместно используется спектральная (желтая) линия, известная как D, которая характеризует спектр излучения натрия.
Плеохроизм и оптика драгоценных камней
Кристалл может по-разному поглощать свет, когда он проходит через него в разных направлениях. Иногда различия заключаются только в степени поглощения или интенсивности. Однако в других случаях поглощение в разных направлениях частей проходящего света с разной длиной волны приводит к появлению цветов. Это явление называется .
В случае одноосных материалов, поскольку они имеют только два различных оптических направления, геммологи называют это явление дихроизмом. Другие неизотропные материалы имеют три различных оптических направления, поэтому в них может проявляться трихроизм.
Плеохроичные цвета иногда проявляются очень отчетливо и сильно. Это может сделать их полезными для идентификации драгоценных камней.
Аномальные цвета в изотропных драгоценных камнях
Поскольку изотропные драгоценные камни не влияют по-разному на скорость или свойства проходящего через них света в зависимости от направления его прохождения, эти материалы никогда не проявляют плеохроизма. Однако иногда изотропный материал может демонстрировать аномальные цвета в поляризованном свете. В целом, эти эффекты объясняются , хотя многочисленные данные указывают на то, что упорядоченное расположение атомов в определенных кристаллографических точках является более вероятной причиной.
