Оптичні ефекти колір і світло, або чому діамант не самий-самий

Твердість дорогоцінного каменю. звичайно ж, дуже важливий параметр для визначення його цінності, особливо - для визначення його практичності як деталь прикраси. Але все ж твердість - параметр не найважливіший. Ми вже говорили, що найважливішим параметром є колір. Також важливі такі характеристики, як яскравість і блиск ограненного полірованого каменя, його «гра».

Відомо, що в природі не існує тільки двох кольорів - чорного і білого. Ідеальний чорний колір означає повну відсутність, якого б то не було, кольору. Ідеальний білий колір означає накладення (додавання) всіх можливих відтінків в один момент часу в одній точці простору. Нічого ідеального в природі не існує, і ідеальні чорний і білий кольори неможливі!

Будь-який предмет, який наше око бачить чорним, насправді володіє якимось конкретним відтінком, просто тон цього відтінку виключно, екстремально темний.

Також якимось конкретним відтінком, але виключно, екстремально світлого тону, володіє будь-який об'єкт, візуально сприймається нашим оком як білий або безбарвний. Причому, якщо бути вже зовсім коректним, то «безбарвний» - це теж колір! Не будь «безбарвний» кольором, ми б його просто не бачили б!

Від будь-якої поверхні промінь світла може відображатися, при цьому розкладаючись на складові його спектра. Причому лише частина спектра світла при контакті з поверхнею відбивається, інша частина поглинається. Повного відображення в природі не існує. Наше око спостерігає відбиті від поверхні промені. Їх «сумарний» спектр, або колір, ми як раз і бачимо. Приблизно так утворюється для нашого ока колір непрозорих об'єктів, в тому числі і каменів.

Колір прозорих для світла каменів формується з суми спектрів відбитого і пройшов через камені світла, за "вирахуванням" поглиненої частини.

Більшість дорогоцінних каменів прозорі, тобто промені світла проходять крізь них, крізь товщу каменю. При подорожі променя світла через камінь з ним трапляються всякі різні «пригоди». Основним результатом цих «пригоди» є те, що ніколи, ні за яких обставин, промінь не покидає камінь в незмінному вигляді.

У цій статті ми опустимо і не будемо розглядати подробиці таких явищ, як розсіювання світла, поглинання світла і віддзеркалення світла. Нас цікавить, та й то - частково, тільки те, що відбувається з тим променем світла, якому довелося через товщу каменю пройти і все ж вийти «назовні».

У переліку основних оптичних характеристик дорогоцінних каменів, які завжди наводяться в описах, є коефіцієнт заломлення і дисперсія. Ось про них і поговоримо докладніше.

Що таке «коефіцієнт заломлення» і «дисперсія», і як їх розуміти?

У відповідь на питання, що таке «коефіцієнт заломлення світла». практично будь-яка людина майже відразу відповість щось типу «наскільки промінь світла в камені відхиляється від прямої лінії» ... Логіка зрозуміла, ми все знаємо, що промінь світла поширюється завжди прямо! Про особливі умови, типу наявності поряд чорної діри, здатної за рахунок надпотужної гравітації викривити промінь світла, ми говорити не буде через відсутність поблизу таких чорних дір.

Насправді все так, та не зовсім так. Коефіцієнт заломлення дійсно описує, наскільки промінь світла при стандартних умовах (температура 20оC, вологість 25%) відхилиться від своєї умовно прямий (в повітрі) траєкторії в точці контакту повітря і поверхні, наприклад - того ж дорогоцінного каменю. Але залежить значення коефіцієнта заломлення від іншого.

Уявіть собі такий приклад: Ви йдете по дорозі зі швидкістю 5 км / год. За інших ідеальних умовах на кожен крок Вам потрібен певний і постійна напруга. А тепер спробуємо рухатися зі швидкістю 5 км / год, будучи по шию у воді! Щоб зберегти швидкість, Вам потрібно значне збільшення зусиль! Якщо зусилля не міняти, ця величина значно впаде, тобто вода загальмує Ваше рух.

Коли промінь світла рухається в ідеальному вакуумі, його швидкість становить 300000 км / сек. Але коли промінь світла рухається не в вакуумі, він «натикається» на атоми і молекули речовини. І ці атоми і молекули гальмують промінь світла. Коефіцієнт заломлення, або «індекс заломлення», як прийнято говорити в англомовному світі, є значенням, що позначає зниження швидкості просування променя світла в конкретному речовині / предмет. Коефіцієнт заломлення дистильованої води дорівнює 1.333, що означає - промінь світла рухається в воді в 1.333 рази повільніше, ніж у вакуумі.

Ясна, що здатність речовини уповільнити світло залежить від його хімічного складу. Але не тільки! Від структури речовини теж залежить дуже багато! І вода, і лід мають однаковий склад, але коефіцієнт заломлення у льоду становить вже 1.313, а коефіцієнт 100% -во насиченої водяної пари становить 1.0002. Але ж і вода, і лід, і пар мають абсолютно однаковий хімічний склад.

Можна навести й інший приклад, дуже близький і зрозумілий любителям каменів і мінералів. У самого звичайного чистого кварцу усереднений коефіцієнт заломлення - 1.548. однак якщо той же кристал кварцу розплавити, а потім охолодити до кімнатної температури, то у перекристалізованої кварцу коефіцієнт заломлення складе вже приблизно 1.456. У різновидів кварцу - опалів, що містять від 1 до 20% води, коефіцієнт заломлення коливається від 1.40 до 1.46. Чим більше води в складі, тим нижче коефіцієнт заломлення.

Крім того, що відбувається уповільнення руху променя, дійсно змінюється і його напрямок. Зрозуміти це нескладно - якщо у Вас на шляху виявиться стовп, Вам його доведеться обійти. Атом для променя світла також є перешкодою, і промінь, «наткнувшись» на атом, відхиляється і змінює траєкторію свого руху.

Вище ми вже згадували, що будь-який непрозоре речовина частково відображає світло, частково його поглинає. Поглинена атомом частина променя світла просто «зникла», а відбита частина променя, змінивши свою траєкторію, пішла далі. Але сам по собі промінь вже змінився, змінився його спектр.

«Гуляючи» всередині каменю, незліченна безліч разів відбиваючись від атомів, що складають структуру каменю, світло розщеплюється на складові. Основних спектральних складових білого світла, нагадаю, 7 (Кожен Мисливець Бажає Знати, Де Сидить Фазан). Наскільки сильно умовно «білий» світло розщеплюється на складові, описує параметр «дисперсія».

Якщо значення дисперсії висока, це означає, світло розщеплюється сильно, якщо значення дисперсії низька, значить, світло розщеплюється слабо.

Значення коефіцієнта заломлення і дисперсії описують дуже важливі параметри зовнішнього вигляду дорогоцінного каменю.

Чим вище коефіцієнт заломлення, тим яскравіше блиск каменю. Чим більше промінь світла сповільнилося в камені, тим сильніше помітна різниця між ним і іншим, незамедлілі лучем, і ця різниця якраз і проявляється в спостережуваному нами блиску.

Чим вище дисперсія, тим сильніше «гра» у каменю. Чим сильніше розклався на складові промінь світла, тим більше "спалахів вогню", "гри" ми спостерігаємо на його гранях. Саме з цієї причини камені з високою дисперсією намагаються огранивать в складні форми, на зразок "діамантового" огранки, з метою домогтися прояву максимального "вогню", максимальною "гри". Камені з низькою дисперсією воліють огранивать в прості форми, на зразок "смарагдовою" або "покрокової" огранки - сильної гри від таких каменів домогтися неможливо, зате можна підкреслити "глибину і м'якість" кольору.

Висока дисперсія не завжди і не обов'язково супроводжує високому коефіцієнту заломлення. По жодному з описаних параметрів діамант не є кращим серед дорогоцінних каменів.

Камені, які «яскравіше блищать і грають сильніше» у порівнянні з діамантами або, як мінімум, з діамантами конкурують.

Камені, у яких коефіцієнт заломлення вище, ніж у діаманта:

Камені, у яких коефіцієнт заломлення порівнянний з таким у діаманта, або ж усереднений коефіцієнт нижче, але верхнє його значення при двопроменезаломленні перевищує або порівняно з коефіцієнтом заломлення у діаманта:

Дуже близько до діамантів «підібралися», маючи коефіцієнти заломлення хоч і нижче діамантового, але настільки високі, що їх неможливо визначити за допомогою стандартного рефрактометра з максимальним значенням шкали 1.89:

За показником дисперсії діамант поступається таким каменям:

Можна порівняти з діамантом по грі або мало йому поступаються:

Англезит (дисперсія як у діаманта), Циркон, Шеєліт, Смітсоніт, Диоптаз. Не дуже сильно поступаються діамантам по грі гранати Спесартини, альмандини і гроссуляра. А ось, наприклад, корунд (сапфіри і рубіни) по грі значно поступаються всім перелічених вище камінню, навіть у гранатів альмандинів і гроссуляра дисперсія в півтора рази вище, ніж у сапфірів і рубінів!