Двупреломление и дисперсия

Наблюдение полоски Бекке

Впервые полоска Бекке была описана в работах 1872-1880 г. О. Машке (O. Maschke), однако эти работы остались незамеченными.

Второй раз она была описана в 1892 г. Ф. Бекке, который предложил использовать её для сравнения показателей преломления сред. Впоследствии она получила его имя.

Явление заключается в том, что при слабой расфокусировке микроскопа от границы двух сред отходит светлая полоска в сторону одной из сред.

Причины явления

Полоска Бекке возникает на границе фаз за счёт разности показателей преломления двух сред (см. рис).

При движении световых лучей (красные линии) под углом к границе (чёрная линия) за счёт полного внутреннего отражения со стороны фазы с бо'льшим показателем преломления происходит "сгущение" количества света.

При изменении положения фокуса (синие линии) объектива глазом будут фиксироваться лучи, находящиеся на разных высотах над шлифом. При движении шлифа будет создаваться эффект движения. Важно отметить, что полоска Бекке не наблюдается при сфокусированном на зерне положении объектива.

Отсюда следует, что при увеличении расстояния между объективом и шлифом полоска Бекке смещается в сторону среды с большим показателем преломления.

Условия наблюдения

Надо найти зерно с чёткой границей и, вращая фокусировочный винт столика, установить направление движения светлой полоски от границы кристалла.

Оптические свойства слюды

Кристаллы слюды являются оптически двуосными. Оптической осью называется такое направление в кристалле, по которому световые волны распространяются без двойного лучепреломления, т.е. скорость их в этом направлении не зависит от ориентации колебаний светового вектора вокруг луча. Таких направлений в кристалле мусковита два. Угол между оптическими осями 2 V≈40⁰; у флогопитов же он всего несколько градусов, и поэтому флогопиты почти одноосны, с осевым направлением, близким к нормали плоскости спайности.

Представление об изменении показателя преломления с направлением дает так называемая оптическая индикатриса – вспомогательная поверхность показателей преломления в кристалле.

Оптическая индикатриса представлена на рисунке. Индикатриса представляется трехосным эллипсоидом с осями n_g, n_m, n_p, причем показатели преломления n_{g >} n_m > n_p. В общем случае, в любом направлении, кроме осевых, в кристалле распространяются две световые волны. (луча) с показателями преломления n_g^’и n_p^’, являющимися полуосями эллипса в сечении индикатрисы плоскостью, нормальной к лучу волны. Очевидно, при распространении в направлении n_p световая волна распадается на две волны с показателями преломления n_g, n_m, а в направлении n _m с показателями n_g и n_p. Каждая из этих волн преломляется при распространении в кристалле по-разному (двойное лучепреломление).

 

 

Оптические константы слюд

(по данным ВИМСа)

Вид слюды	ng	nm	np	Двойное лучепреломлениеng-np	Угол 2Vмежду оптическими осями, град
Мусковит мамский	1,613 ÷ 1,596	1,607 ÷ 1,596	1,569 ÷ 1,561	0,038 ÷ 0,045	37 ÷ 43
Флогопит слюдянский	1,616 ÷ 1,584		1,576 ÷ 1,552	0,035 ÷ 0,045	6 ÷ 18
Флогопит алданский	1,601 ÷ 1,591		1,558 ÷ 1,552	0,038 ÷ 0,043	3 ÷ 8
Флогопит памирский	1,588 ÷ 1,584		1,553 ÷ 1,546	0,035 ÷ 0,038	5 ÷ 7

Табл. 1

Разность n_g-n_p выражает наибольшее двупреломление и принимается за его меру.

Плоскость оптических осей у мусковитов перпендикулярна оси n_m индикатрисы, а у флогопитов совпадает с ней.

Вариации в оптических константах обусловлены колебаниями в химическом составе слюд. Показатели преломления слюд растут с повышением содержания в них железа, а угол оптических осей уменьшается, но строгой связи этих величин не наблюдается.

Двупреломление и дисперсия

Рассматривая в предыдущей главе использование рефрактометра, мы упомянули о любопытном явлении — двупреломлении, характерном для всех минералов, за исключением тех, которые кристаллизуются в кубической сингонии. Это явление заключается в том, что луч света, проходящий через кристалл, расщепляется на два поляризованных луча, имеющих различную скорость. Поэтому у всех обычных ювелирных камней, за исключением гранатов, шпинели и алмаза, кристаллизующихся в кубической сингонии, наблюдается различие в показателях преломления указанных лучей. Каждому минералу свойственна своя степень различия, благодаря чему двупреломление может служить важным критерием при определении камней.

В количественном выражении двупреломление представляет собой разность между максимальным и минимальным показателями преломления камня. Эти величины приведены в табл. 1, но для удобства некоторые из них повторены в табл. 2 (в порядке убывания значений).

 

Рутил 0,287 Сподумен 0,015 Кальцит 0,172 Кварц 0,009 Сфен 0,12 Хризоберилл 0,009 Циркон 0,059 Топаз 0,008 Хризолит 0,036 Корунд 0,008 Турмалин 0,018 Берилл 0,006

Таблица 2 Двупреломление некоторых ювелирных минералов

У некоторых минералов значения двупреломления меняются от образца к образцу; так, для наиболее популярных у ювелиров цирконов — голубого, золотистого (огненного) и бесцветного — двупреломление почти постоянно (0,059), тогда как у многих цирконов из Шри Ланки, особенно зеленых, оно значительно меньше и падает в некоторых случаях практически до нуля. Эта особенность циркона является уникальной и более подробно будет обсуждена в гл. 17. Синтетический рутил производится в США (с 1949 г.) и может быть легко определен по его очень высокому двупреломлению. Кальцит не относится к драгоценным камням, но играет (в виде оптически чистой формы — исландского шпата) важную роль в геммологических приборах.

Каким образом, кроме как на рефрактометре, можно определить, обладает ли камень двупреломлением? Наиболее простой способ, легко выполнимый после небольшой практики, заключается во внимательном осмотре камня с помощью карманной 8х — 12х лупы. Например, посмотрите на площадку циркона с помощью лупы, наведя фокус на ребра задних граней, где они сходятся в колете. На стыке двух граней вместо одной четкой линии, как это наблюдается в случае камней, имеющих один показатель преломления, таких как алмаз, вы увидите двойную линию (рис. 2).

Рис. 2. Микрофотография циркона, снятая через площадку; видно раздвоение задних граней.

 

Следует, однако, иметь в виду, что вследствие особенностей кристаллической структуры все камни, обладающие двупреломлением, имеют одно или два направления, характеризующиеся лишь одним показателем преломления. У камней, которые относятся к тетрагональной, тригональной или гексагональной сингониям, существует только одно такое направление, т. е. одна так называемая оптическая ось. К минералам, которые считаются оптически одноосными, относятся циркон, корунд (рубин и сапфир), берилл (изумруд и аквамарин), турмалин и кварц (аметист и цитрин). Минералы, кристаллизующиеся в ромбической, моноклинной или триклинной сингониях, имеют две оптические оси и называются двуосными. К ним относятся хризолит, хризоберилл (александрит), топаз, сподумен (кунцит) и т.д.

Следует поэтому учитывать, что если, скажем, циркон огранен так, что его оптическая ось проходит перпендикулярно площадке, необходимо наклонить камень, чтобы увидеть двупреломление через боковые грани. Кроме того, как отметил Р. Т. Лиддикоат, у одноосных минералов увидеть двупреломление (раздвоение граней) в направлениях, перпендикулярных оптической оси (хотя оно в этом случае является максимальным), нельзя, поскольку изображение, даваемое необыкновенным лучом, располагается точно перед или за изображением, даваемым обыкновенным лучом.

У циркона, сфена и хризолита двупреломление настолько сильное, что и неспециалист без труда увидит описанный эффект в небольших камнях. Вместе с тем, чтобы заметить двупреломление в небольших образцах кварца или корунда, необходима большая практика. (Ж.-П. Пуаро, директор Парижской лаборатории диагностики драгоценных камней, сделал важное открытие, заметив, что для определенного значения двупреломления эффект раздвоения четче выражен у камней с низким показателем преломления, чем у камней с высоким показателем.) При освоении этого — как и любого другого — метода необходимы практика и настойчивость, и новичок, научившийся определять "легкие" камни, должен постоянно оттачивать свое мастерство и приобретать новые навыки в оценке двупреломления. Чем полнее мы овладеваем возможностями карманной лупы, тем лучше. Даже если у кого-то имеются другие приборы, они, как правило, не могут быть использованы на аукционах или в других общественных местах. Но, конечно, микроскоп, дающий увеличение от 25 х до 60 х, более ценен, потому что при работе с ним легкость наблюдения сочетается с возможностью изучения более мелких деталей.

Если камень, обладающий двупреломлением, слишком мал или имеет низкое двупреломление и эффект "раздвоения" нельзя выявить с помощью лупы, его можно изучить другим простым, но более чувствительным способом. В прошлом его применяли независимо Макс Бауэр, Ж. О. Уилд, Ж. Кроунингшилд и Р. К. Митчелл. В последние годы этот способ был введен в повседневную практику визуального исследования камней Аланом Ходжкинсоном, который использует его с исключительным искусством и успехом.

Исследование с помощью этого метода лучше всего проводить в затененной комнате с одним источником света, будь то электролампа с С-образной нитью или, что более удобно, небольшой щелевой осветитель, подобный производимому фирмой "Ханнеман лэпидари спешиалтиз" (рис. 3). Если испытуемый камень достаточно большой или закреплен так, что открыт доступ к задним

Рис. 3. Щелевой осветитель Ханнемана — Ходжкинсона.

граням, его можно держать в руке. Маленькие камни удерживают пинцетом. Источник света наблюдают через площадку, держа образец как можно ближе к глазу. Наблюдение ведется полуприкрытым глазом, другой глаз закрыт. Когда камень расположен правильно, виден ряд изображений источника света, расположенных в спектр. Если камень обладает двупреломлением, эти изображения также раздвоены. Чем выше показатель преломления камня, тем дальше от центра поля зрения лежат указанные изображения. У камней с высоким показателем преломления (циркон, алмаз и его современные имитации) изображения расположены так далеко от центра поля зрения, что видны лишь при небольшом наклоне камня. Рекомендуется попрактиковаться с большим ограненным образцом кварца, в котором изображения многочисленны и заметны.

Применяя этот простой способ, опытный геммолог может получить сведения не только о величине двупреломления (по расстоянию между раздвоенными изображениями источника света), но и о величине дисперсии (по ширине окрашенных полос) и показателе преломления камня.

Рекомендуемый прием при известном навыке очень ценен при определении любых ограненных камней в условиях, когда не может быть применен ни один из стандартных приборов.

Более чувствительным методом выявления двупреломления, по сравнению с описанным выше, является использование поляризованного света. Луч обыкновенного света, колеблющийся во всех возможных направлениях под прямым углом к направлению распространения луча, претерпевает изменения при прохождении через призму Николя или пластинку поляроида и становится поляризованным. Невооруженным глазом отличить поляризованный свет от обычного невозможно, но тот факт, что он колеблется только в одной плоскости, придает ему особые свойства, имеющие большое значение для изучения минералов. Подробное описание методики применения поляризованного света выходит за рамки данной книги. Однако после того, как были получены пластинки поляроида — синтетического кристаллического вещества, пропускающего только поляризованный свет, такой свет стал доступен всем; поэтому здесь приводится краткое описание методики определения двупреломления с использованием поляризованного света. Тем, кто хотел бы получить более подробную информацию по этому вопросу, рекомендуем обратиться к любому хорошему учебнику минералогии.

Луч света, входящий в двупреломляющий минерал, как правило, расщепляется на два поляризованных луча, колеблющихся во взаимно перпендикулярных плоскостях. Скорости распространения этих лучей в кристалле различны и соответственно различно их преломление. В этой связи важно понять, что в двупреломляющих камнях могут распространяться только два типа лучей и что эти лучи колеблются перпендикулярно один другому в направлениях, которые жестко фиксированы ориентацией луча по отношению к структуре камня.

Луч света, который проходит через поляроидный диск (или призму Николя) и колеблется, скажем, в направлении север — юг, не может пройти через другой диск или призму, установленные под прямым углом к направлению его колебаний, т. е. в направлении запад — восток. Такая система, которая практически не пропускает свет, называется скрещенными николями или "скрещен-

Рис. 4. Прохождение света через три различно ориентированные поляроидные пластинки (по данным фирмы "X. С. Б. Микин).

ными поляроидами". Если один из поляроидов, или николей, слегка повернуть, система начнет понемногу пропускать свет. При дальнейшем повороте поток света возрастает, пока не достигнет максимума при параллельном положении дисков (рис. 4).

Если между двумя скрещенными поляроидами поместить кусочек стекла, в поле зрения не произойдет никаких изменений: оно так и останется темным (при условии, что в стекле нет внутренних напряжений), так как стекло, будучи аморфным, не оказывает никакого влияния на направление колебания света, проходящего через первый диск. Когда же между поляроидами помещают двупреломляющий кристалл, картина меняется.

Если колебания лучей, проходящих через кристалл, не параллельны колебаниям лучей, проходящих через поляроиды, то через второй поляроид пройдет некоторое количество света.

Таким образом, поворот двупреломляющего камня между скрещенными поляроидами должен, как правило, давать за один полный оборот камня четыре положения погасания (при повороте на каждые 90°) и четыре положения максимальной освещенности.

Это явление широко используется в минералогии для отличия однопреломляющих веществ от двупреломляющих. Стекло и минералы кубической сингонии, когда они находятся в напряженном состоянии, обнаруживают "аномальное" двупреломление между скрещенными николями, но этот эффект едва ли может быть принят за истинное двупреломление, поскольку в этом случае вместо четкого погасания по всему полю наблюдаются темные пятна или темная решетка. Аномальное двупреломление часто встречается у альмандина и алмазов. Природная шпинель обычно совершенно изотропна, но синтетическая всегда дает аномальные эффекты, в частности волнистое погасание, используемое при идентификации. Вследствие напряжений, которые возникают в пастах, применяемых для огранки, в процессе их формования, в готовых изделиях, помещенных между скрещенными поляроидами, в сходящемся свете часто наблюдается темный крест, что является очень характерным отличием изделий из паст от настоящих камней.

Несомненно, наиболее удобным и эффективным прибором для изучения этих явлений является поляризационный микроскоп с вращающимся столиком. Такой прибор дорог и едва ли нужен ювелиру. Его с успехом заменят обычный микроскоп и пара поляроидов. При этом один из дисков крепится под столиком, а второй надевается на окуляр и может поворачиваться, что дает возможность получить полное погасание перед началом определений. Двупреломление можно определить и без микроскопа путем применения поляроидов типа старомодных "турмалиновых щипцов". Можно также закрепить поляроиды на концах короткой трубки, имеющей посредине отверстие для установки камня.

Рис. 5. Рейнеровский полярископ со встроенным освещением и "коноскопической"линзой (печатается с разрешения Геммологической ассоциации Великобритании).

Полярископ Рутланда, выпускаемый фирмой "Рейнер", является одним из наиболее дешевых и удобных из многих моделей серийных ручных полярископов с поляроидными дисками. Эта же фирма производит полярископ со встроенным освещением (рис. 5), который мы настоятельно рекомендуем. У такого прибора пространство между скрещенными поляроидами достаточно большое, для того чтобы исследовать камни непосредственно в украшениях. Используя карманную лупу или ненапряженный стеклянный шарик, можно наблюдать характер фигур интерференции, зависящий от оптической природы камня. В настоящее время получили распространение полярископы со встроенным освещением, в которых предусмотрена специальная "коноскопическая" линза, выполняющая ту же роль, что и сфера из стекла, свободного от внутренних напряжений (рис. 5). Камень помещается между нижним поляризатором и "коноскопической" линзой, и соответствующей регулировкой можно легко добиться появления интерференционных фигур.

Определив, обладает камень двупреломлением или нет, мы часто легко можем отличить настоящий камень от подделки. Стекла или пасты могут иметь локальные внутренние напряжения, вызывающие заметное аномальное двупреломление (как отмечено выше), однако ни в одном из стекол или изотропных камней эти напряжения не в состоянии дать эффект "раздвоения", описанный выше. Поэтому читатель, освоивший этот метод, без труда отличит используемый как украшение настоящий хрустальный (кварцевый) шар (который, если он достаточно большой и свободен от внутренних дефектов, может стоить очень дорого) от дешевых, стеклянных шаров, повсеместно продаваемых как имитации. Если к обратной стороне хрустального шара прижать полоску бумаги и смотреть через шар, то в большинстве положений можно наблюдать двойное изображение края полоски. При вращении шара будет заметно, что эффект раздвоения больше всего выражен вначале на одной стороне полоски, а затем на другой, тогда как в одном из направлений шара (вдоль оптической оси исходного кристалла кварца) и вокруг "экватора", перпендикулярного к нему, никакого раздвоения не наблюдается. Если же имеют дело со стеклянным шаром, края полоски выглядят одинарными в любых направлениях. Небольшая практика дает для освоения этого метода больше, чем чтение, и стоит хотя бы один раз увидеть и понять эффект "раздвоения", чтобы в дальнейшем легко обнаруживать его, что имеет большое практическое значение при определении драгоценных камней.

Следует отметить, что, исследуя с помощью лупы коричневый или темнозеленый турмалин или коричневый сфен, можно не увидеть ожидаемого раздвоения ребер задних граней. Причина заключается в том, что у этих камней один из двух лучей может быть полностью поглощен. Это — исключительно яркий пример эффекта, известного как дихроизм, который будет рассмотрен в следующей главе.

Дисперсия

В основе двупреломления лежит разлитое в показателях преломления кристалла в зависимости от направления колебания проходящего через него света, тогда как дисперсия обусловлена различиями в показателе преломления в за-_ висимости от цвета (длины волны) применяемого освещения. Поскольку значения этих свойств в числовом выражении иногда довольно близки, новички нередко путают их. Однако двупреломление, если только оно не исключительно высокое, на внешний вид камня почти не влияет, но имеет очень большую ценность для диагностики камня. Дисперсия же, будучи основой "огня" ограненного камня, оказывает значительное влияние на внешний вид камня, но ее ценность для диагностики незначительна.

Степень двупреломления минерала практически не связана с его показателем преломления и очень сильно зависит от атомной структуры кристалла: карбонаты и нитраты, например, имеют довольно низкие средние показатели светопреломления и очень высокое двупреломление. В то же время дисперсия (за некоторыми исключениями, как у алмаза) возрастает достаточно устойчиво с увеличением показателя преломления камня.

Поскольку речь идет о видимом свете, показатели преломления всех минералов постепенно растут от красного к фиолетовому концу спектра. Если нарисовать график, откладывая показатель преломления по оси ординат, а длину волны по оси абсцисс, то их соотношение будет выражено не прямой линией, а кривой, которая становится все круче по мере приближения к ультрафиолетовой области. Действительно, кривые дисперсии становятся бесконечно крутыми по мере того, как они приближаются к длине волны, при которой для рассматриваемого материала начинается основная полоса поглощения.

Твердые и жидкие материалы, обладающие наибольшей дисперсией, будут полностью поглощать свет сразу же за фиолетовым концом видимого спектра или в ближнем ультрафиолете, тогда как минералы с низкой дисперсией, например флюорит, кварц или чистый корунд, продолжают пропускать свет до 200 нм, что делает их пригодными для изготовления спектрографов и других оптических приборов.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: