Показник заломлення і його вимір

Перше завдання при визначенні каменю полягає в з'ясуванні, до якого мінеральному виду він належить: чи є він корундом (рубіном або сапфіром), бериллом (смарагдом або аквамарином), кварцом (аметистом або цитрином), топазом, турмаліном, шпинелью, перидотом або цирконом.

Перше припущення про природу каменю нерідко можна зробити на підставі його кольору, блиску і загального вигляду, але бути впевненим у правильності визначення можна тільки в результаті вимірювання тієї чи іншої його оптичної або фізичної константи.

Людина за своєю природою ледачий, і не дарма кажуть, що більшість з його винаходів з'явилося як необхідність захистити себе від зайвих турбот. Мабуть тому ювеліри, які далекі від науки, вітали б поява такого приладу, який дозволив би визначати камені простим способом, швидко, чисто і без розрахунків.

Якби шляхом простої установки каменя на прилад можна було прочитати його назву, зазначену стрілкою на калиброванной шкалою, такий прилад, безсумнівно, придбав би широку популярність. Дійсно, в останні роки були винайдені і випущені в продаж (по досить високій ціні) прилади, дуже близькі до такого "ідеального" приладу. Ці рефлектометри призначені для ідентифікації дорогоцінних каменів, що мають чисту і добре відполіровану грань майданчики, за даними вимірювання їх відбивної здатності при висвітленні цієї межі вузьким пучком інфрачервоного світла. Такі прилади мають деякі переваги перед традиційними типами ювелірного фрактометра, який ось уже три чверті століття служить основним інструментом при діагностиці дорогоцінного каміння. Але вони мають серйозні обмеження, які описані нижче в цьому розділі.

Тому і зараз рефрактометр є для геммолога одним з основних приладів, і тому нижче докладно розглянуті принципи його устрою та методи використання з максимальною ефективністю. Однак спочатку ми повинні пояснити сутність явища світлопереломлювання і показника заломлення і описати основні принципи роботи рефрактометра.

Що відбувається, коли промінь світла падає на поверхню такого прозорого твердого тіла, як дорогоцінний камінь або лист скла? Деяка частьсвета відбивається від поверхні каменя, причому світло відбивається від поверхні каменя під кутом, рівним куту, під яким він падає на неї (кут падіння). Саме цей відбите світло і визначає блиск поверхні каменя. Велика частина світла, однак, входить в камінь, але в цій більш щільному середовищі рухається зі значно меншою швидкістю, ніж в повітрі.

При входженні світла в більш щільну середу, в якій його швидкість зменшується, відбувається зміна напрямку руху променя, падаючого похило до поверхні, причому новий шлях променя проходить ближче до перпендикуляру до кордону розділу між двома середовищами (або до нормалі, як називають цей перпендикуляр).

Відхилення напрямку світлового променя при входженні в інше середовище називається світлопереломлювання. На рис. 2.1 промінь світла Ю переломлюється при входженні в більш щільну середу нижче поверхні PQ і йде вздовж напрямку OR. Пунктирною лінією показано напрямок відбитого променя.

Кут, під яким згинається або переломлюється промінь при входженні в камінь, залежить від світлопереломлювання каменю або його показника заломлення

Мал. 2.1. Луч 10, що йде в повітрі, заломлюючись в склі, йде в напрямку OR. NOM - "нормаль" (перпендикуляр) до прикордонної поверхні. Кут i - кут падіння, кут г - кут заломлення. На малюнку показано світлозаломлення в звичайному віконному склі (п = 1,52).

який обернено пропорційний швидкості світла в речовині. Іншими словами, показник заломлення середовища може бути визначений як швидкість світла в повітрі

поділена на швидкість світла в середовищі.

Швидкість світла в повітрі дорівнює приблизно 186 ТОВ миль / сек (300 ТОВ км / сек); з такою ж величезною швидкістю йде до нас світло від Сонця і зірок. У кварці (гірський кришталь, аметист) швидкість світла знижується приблизно до 120 ТОВ миль / сек (194 ТОВ км / сек), а в алмазі навіть до 76 860 миль / сек (124 ТОВ км / сек).

Таким чином, алмаз, в якому швидкість світла, як зазначено вище, становить 124 ТОВ км / сек в порівнянні з 300 000 км / сек у повітрі, має показник заломлення (300 000. 124 000) = 2,42, т. Е. найвищий в порівнянні з показниками заломлення всіх коштовних каменів, використовуваних в ювелірній справі, що обумовлює блискучий, алмазний блиск каменю.

Як уже було відзначено вище, кожен мінерал має певний показник заломлення, за яким він може бути визначений за допомогою рефрактометра; список цих показників наведено в табл. 2.1 і в додатках.

Для тих, хто хотів би отримати принаймні загальне уявлення про роботу приладу, який вони використовують, нижче наведено короткий опис основного принципу, на якому засновані всі типи рефрактометрів, що застосовуються для визначення дорогоцінних каменів. Однак ті, хто хотів би просто знати, як користуватися приладом, але вважає за краще ухилитися від таких пояснень, може познайомитися з практичними рекомендаціями, які

Мал. 2.2. Перехід світла зі скла з високим світлопереломлювання (п-1,80), розташованого знизу, в повітря (вгорі). Промені АТ і ПРО, досягаючи кордону, частково переломлюються і йдуть в напрямках OA і ПРО, а частково відбиваються і йдуть в напрямках OA "і ПРО". Промені, які падають під кутом вище критичного (СОМ-34 "), не можуть перейти в повітря, так як їх кут заломлення дорівнює 90 ° і більше і тому вони повністю відбиваються від поверхні розділу.

будуть дані в розділі цієї глави "Як застосовувати рефрактометр".

Для того щоб зрозуміти принцип роботи рефрактометра, звернемося до рис. 2.2. Передбачається, що на малюнку промені світла йдуть з більш щільною середовища в менш щільну, скажімо зі скла в повітря. При цьому промені відхиляються в сторону від нормалі NOM (зворотний процес в порівнянні з випадком, розглянутим на рис. 2.1). Луч АО на кордоні розділу заломлюється і йде в повітрі під великим кутом, ніж кут падіння, уздовж OA ;, невелика частина світла не проходить в повітря і відбивається від кордону всередину середовища падіння і йде по лінії OA ", як показано пунктирною лінією.

Аналогічно промінь ВО заломлюється і йде уздовж ОВ, частково відбившись уздовж ОВ ". Якщо ми будемо розглядати промені, що утворюють все більший і більший кут з нормаллю NOM, то підійдемо до такої нагоди, коли заломлений промінь буде йти точно уздовж поверхні OQ - кордону розділу двох середовищ.

V Кут падіння такого променя відомий як критичний кут. Всі промені, що досягають точки О і йдуть з більш щільною середовища під кутом падіння, що перевищує критичний, пройти в менш щільне середовище не можуть і повністю відбиваються назад в щільну середу. Ці промені, як кажуть, зазнають повне внутрішнє віддзеркалення, а промені OA "і ОВ" зазнають тільки часткове внутрішнє відбиття.

На рис. 2.2 кут СОМ може розглядатися як критичний кут падіння; весь світ, який дає промінь СО, таким чином, повністю відбивається назад уздовж ОС ", і будь-який інший промінь, наприклад DO, що має ще більший кут падіння, звичайно, також повністю відбивається уздовж OD". Важливо зрозуміти, що величина критичного кута буде залежати від співвідношення показників заломлення більш щільною і менш щільною середовищ. Тому, якщо в двох середовищах, що знаходяться в оптичному контакті, ми можемо виміряти кут, при якому починається повне внутрішнє віддзеркалення (т. Е. Критичний кут), і якщо ми знаємо показник заломлення більш щільною середовища

то ми зможемо розрахувати показник заломлення менш щільного середовища

Це основний принцип дії всіх рефрактометрів повного відображення (званих іноді повними рефлектометра), проте в приладах, призначених для визначення дорогоцінних каменів, всі розрахунки дотепно виключені. У таких рефрактометрі оптично більш щільне середовище з відомим показником заломлення має вигляд або полірованої півсфери з важкого свинцевого скла, або призми з кутом 60 ° при вершині, виготовленої з такого ж матеріалу. У кожному разі плоска верхня поверхня є робочим "столиком" приладу. Якщо плоска полірована поверхня будь-якого каменю, показник заломлення якого нижче за показник заломлення півсфери, знаходиться в оптичному контакті з зазначеним столиком, промені, що проходять через скло до каменя, переломлюються в ньому і виходять в повітря, коли вони потрапляють на поверхню каменю під кутом нижче критичного. Однак вони повністю відбиваються назад від поверхні каменя, коли падають під кутом, що перевищує критичний.

Тут корисно відмітин »один момент, оскільки він викликає плутанину у Новомосковсктелей. Критичним є той кут в камені, під яким проходять ті промені світла, які, вийшовши з каменю в повітря і поламав, дадуть кут в 90 ° з нормаллю (лінією, перпендикулярної поверхні заломлення). Іншими словами, переломлений промінь в середовищі заломлення просто ковзає по поверхні між двома середовищами. Промені, які падають на внутрішню поверхню каменю під кутами, що перевищують цей критичний кут, не можуть вийти і зазнають повне внутрішнє віддзеркалення, т. Е. Відбиваються назад в камінь. Тут камінь є більш щільною середовищем, і чим більше показник заломлення каменю, тим менше його критичний кут.

У разі рефрактометра принцип такий самий, проте тут скло призми рефрактометра є більш щільною середовищем, а камінь - менш щільною середовищем. Таким чином, в цьому випадку чим вище показник заломлення каменю, тим більше критичний кут між каменем і склом інструменту. v / Промені, відбиті від поверхні каменя, повністю і частково проектуються системою лінз на прозору шкалу, яку видно через окуляр. Частина шкали, на яку падають повністю відбиті промені, виглядає яскраво освітленій, тоді як інша частина шкали буде затемнена. Шкала градуйована виробниками приладу безпосередньо в величинах показників заломлення, завдяки чому показник заломлення досліджуваного каменю можна просто прочитати по положенню краю тіні (по межі повного внутрішнього відображення) на шкалі.

Рефрактометри, засновані на повному внутрішньому відбитті, використовувалися ще в другій половині минулого століття, однак більш зручний і недорогий прилад для визначення дорогоцінних каменів був сконструйований Гербертом Смітом тільки в 1907 р З'явився порівняно недавно дуже компактний рефрактометр Райнера (рис. 2.3а) має замість півсфери призму із зрізаною вершиною, виготовлену з свинцевого скла, проте принцип дії приладу залишився тим же самим. Спочатку застосування призми було обумовлено можливістю використання ізотропних мінералів замість скла. Спеціальні моделі рефрактометрів, сконструйовані Андерсоном і Пейном, мали призми із синтетичної шпінелі, сфалериту і алмазу. Ці прилади в порівнянні зі стандартними мали певні переваги, але в той же час деякі обмеження. У рефрактометрі Райнера межі шкали складають 1,30-1,86. У шпінелевих рефрактометрі скорочений діапазон вимірюваних показників заломлення (1,30-1,68) дозволяє використовувати більш розтягнуту шкалу, тоді як в алмазному рефрактометрі високий верхня межа вимірюваних значень (1,55-2,05) вимагає для спостереження шкали застосування рухомого окуляра. В даний час з'явилися прилади, що використовують призми з кубічної окису цирконію, з діапазоном вимірюваних показників заломлення 1,40-2,10.

Широко поширені рефрактометри, що випускаються і в ряді інших країн. Вони діють в точності за тим же принципом, що і англійські прилади, опис яких дано в цьому розділі, а тому до них в рівній мірі застосовні наведені тут рекомендації.

Рефрактометр "Дайелдекс" (Dialdex).

У 1972 р фірма "Рейнер" випустила рефрактометр абсолютно нового типу (рис. 2.3 праворуч), хоча діє він за тим же принципом, що і всі попе-

Рис 2.3. Рейнеровскіе рефрактометри: стандартний (зліва), типу "Дайелдекс" (праворуч).

щие моделі. Замість звичної шкали, як в стандартному рефрактометрі, спостерігач, помістивши краплю контактної рідини і випробуваний камінь на столик приладу, бачить чистий екран, розділений на світлу і темну частини, причому в залежності від природи каменя межа між ними може бути одинарної або подвійної, а її становище на екрані визначається, як зазвичай, одним або декількома показниками заломлення каменю. При повороті каліброваного барабана, встановленого з правого боку приладу, в полі зору рухається чорний стрічкоподібний індикатор, який можна поєднати з будь-яким краєм тіні. Відповідний показник заломлення може бути потім дуже легко лічений з барабана - звідси і назва приладу (Dialdex - кутомірний коло). У порівнянні з попередніми моделями рефрактометра Райнера цей прилад дозволяє отримати точність до однієї або двох одиниць в третьому після коми знаку. Іншою перевагою є більш низька дисперсія нового скла, з якого виготовлена ​​призма, що дає більш різку межу повного внутрішнього відображення при освітленні білим світлом, а при використанні темно-жовтого фільтра в поєднанні з інтенсивним джерелом світла кордону області затінення виходять настільки різкі, що відпадає необхідність в натрієвої лампи (див. нижче).

Виробники обладнання вже знайшли застосування унікальним властивостям ізотропних імітацій алмаза, що володіють високими показниками заломлення, використовуючи їх в якості матеріалу для виготовлення призм рефрактометрів замість м'якого свинцевого скла. Рефрактометр, відомий під назвою "ЕР 602 Ріплус" ( "Е11 602 Riplus") проводиться на комерційній основі фірмою А.Крюсса в Гамбурзі. Призма цього приладу виготовлена ​​з титанату стронцію (показник заломлення для звичайного променя 2,418); при цьому труднощі, пов'язані зазвичай з застосовуваної контактної рідиною, долаються за рахунок використання розплаву з високим показником заломлення, рідкий стан якого забезпечується шляхом електронагріву призми. Цей прилад дозволяє вимірювати значення показників заломлення в діапазоні від 1,75 до 2,21 (рис. 2.16).

Ще одним кроком у розвитку приладів даного типу стало використання на початку вісімдесятих років для виготовлення призм кубічної окису цирконію (п

= 2,17). У цих приладах, що мають вбудовані джерела оптимально підібраного освітлення (жовтого випромінювання светоіспускающіх діодів або білого світла), в якості контактних середовищ використовуються рідини з високими показниками заломлення зі значеннями 1,80, 1,90, 2,00 і 2,11. Діапазон вимірювання показників заломлення становить 1,40-2,10. Цей прилад розроблявся каліфорнійської фірмою "Ес-енд-Ті електро-оптікел системі" (ST Electro-optical Systems), проте зараз рефрактометри з призмами з кубічної окису цирконію випускаються іншими виробниками.

Рефрактометри, в яких використовуються призми з титанату стронцію, мають більш широким діапазоном вимірювання показників заломлення, проте їх вразливим місцем є низька твердість (5,5) призми, що вимагає дуже обережного поводження (очищення) при використанні розплаву. Висока твердість (8,5) призм з кубічної окису цирконію, ймовірно з лишком компенсує дещо нижчий верхня межа вимірювання у таких приладів.

Більшість геммологов, однак, знайдуть, що можливостей стандартного рефрактометра, що дозволяє вимірювати показники заломлення аж до значення 1,81, буде цілком достатньо для визначення каменів в переважній більшості випадків.