Оптические оси, оптический знак и оптический характер

ЛЕКЦИЯ 7

ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ

Для идентификации наиболее важной и определяющей характеристикой драгоценного камня является его показатель преломления п. Причиной являются постоянство этой константы для большинства драгоценных камней и возможность измерить ее с точностью до сотых долей (а часто и до тысячных). Многие драгоценные камни удается отличать друг от друга, даже если их показатели преломления имеют незначительную разницу (например, природная и синтетическая шпинель, розовый топаз и турмалин).

Законы отражения и преломления Снеллиуса

Не смотря на свою простоту эти законы составляют основы оптики:

1. Угол падения света на плоскую отражающую поверхность равен углу его отражения.

2. Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к отражающей по­верхности (в точке падения луча) лежат в одной плоскости.

Падающий луч (рис. 1) — это луч света, падающий на отражающую поверхность, а угол падения образуется этим лучом и прямой, проведенной перпендикулярно (т. е. под углом 90°) к отражающей поверхности. Эта перпендикулярная прямая называется нормалью и играет роль линии отсчета при определении как утла падения, так и угла отражения. На рис. 1 угол ION равен углу NOR, как сказано в первом законе отражения Снеллиуса.

 

 

Полированная поверхность

 

 

Преломленный луч

 

Преломление светового луча выражается это соотношение в виде двух законов преломления:

1. Когда световой луч переходит из одной среды в другую, существует определенное соотношение между синусами угла падения и утла преломления. Это соотношение зависит только от свойств этих двух сред и длины волны света.

2. Падающий луч, преломленный луч и нормаль (в точке падения) лежат в одной плоскости.

Слово «преломление» означает всего лишь угловое отклонение. Когда! света из одной среды (такой, как воздух) переходит в оптически более плотную среду (скажем, драгоценный камень) под углом, не равным 90°, он преломляется, т. е. отклоняется от первоначального направления распространения, правлении нормали (рис. 9.2, а). Если же луч выходит из драгоценного камня попадает в воздух, он преломляется в направлении от нормали. Чем больше разница в оптической плотности двух сред (а в случае драгоценного камня находящегося в воздухе, чем больше оптическая плотность драгоценного камня) тем больше будет угол преломления.

 

Показатель преломления

Считая, что в общем случае падающий луч преломляется при переходе из воздуха в оптически более плотную среду, показатель преломления более плотной среды n можно вычислить следующим образом:

n= sin ION / sin МОR.

Существует несколько практических способов определения показателя преломления вместо измерения углов и выискивания значений им он по тригонометрическим таблицам.

1. отношение оптической плотности драгоценного камня к оптической плотности воздуха; 2. отношение скорости света в воздухе к скорости света в драгоценном камне.

 

В первом законе преломления Снеллиуса также упоминается длина волны света. Поскольку показатель преломления драгоценного камня изменяется с изменением длины световой волны, в качестве стандарта при геммологических определениях принят желтый монохроматический свет натриевой лампы (если красный свет, показатель преломления будет несколько ниже, для синего света — выше). Термин «монохроматический» означает, что используется свнет одной длины волны (или очень узкого участка спектра).

Двупреломление

До сих пор мы говорили о материалах, имеющих только один показатель преломления. Некристаллические вещества, например стекло и янтарь, или драгоценные камни, относящиеся к кубической сингонии, также входят в эту группу. Как показано на рис. 2, луч, проникший в эти вещества, дает один и преломленный луч. Такие материалы мы называем изотропными или однопреломляющими.

Однако кристаллические материалы, в том числе драгоценные камни, от­носящиеся к тетрагональной, тригональной, гексагональной, ромбической, моноклинной и триклинной сингониям (т. е. ко всем, кроме кубической), имеют два показателя преломления.

Рис. 9.3. Попадая в двупреломляющий материал, неполяризованный падающий свет (колебания происходит всех направлениях) расщепляется на два поляризованных луча.

Когда луч света проходит в такие материалы, он расщепляется на два луча, которые поляризованы под прямым углом друг к другу (рис. 3). Эти два поляризованных луча проходят через кристалл с разными скоростями и так же, как в случае со светом разных длин, волн, эти лучи преломляются по-разному. Драгоценные камни, в которых образуются два поляризованных луча, называются двупреломляющими или анизотропными.

У двупреломляющих драгоценных камней величина двупреломления дает ценную информа- цию для идентификации камня. Камни с высоким двупреломлением, такие как циркон, часто можно диагностировать по ясно видному удвоению изображения граней павильона, если их просматривать через площадку с помощью лупы.

Рефрактометр

Прибор, обычно используемый для определения показателя преломления, называется рефрактометром или рефрактометром критического угла. Чтобы понять, как он действует, вначале посмотрим на рис. 4. На нем по зано, что происходит с лучом света, падающим на границу раздела сред с различными углами (от 1₁ до /₅) и переходящим из оптически более плотной среды в менее плотную (например, в драгоценный камень).

Луч I₁, падающий под большим углом к нормали, отражается от поверхности раздела двух сред обратно в более плотную среду. Отраженный луч R₁ подчиняется законам отражения (угол I₁ONd = углу NdOR₁ ), в результате падающий луч I₁ испытывает полное внутреннее отражение в более плотной среде.

По мере уменьшения угла падения лучи продолжают отражаться в более плотную среду. Такое полное отражение продолжает тех пор, пока не будет достигнут критический угол полного внутреннего отражения (т. е. I₃ONd ). С этого момента падающий луч I ₃ перестает подчиняться законам отражения и идет вдоль поверхности раздела двух сред (R₃) при дальнейшем уменьшении угла падения лучи ( R₄, R₅ ) подчиняются уже законам преломления, проходя в менее плотную среду.

Если стеклянная призма рефрактометра представляет собой оптически более плотную среду, а драгоценный камень —менее плотную, лучи приходящие через оптически более плотную среду (призму), будут отражаться от поверхности драгоценного камня обратно при углах падения све­та больше критического и, преломляясь, переходить в драгоценный камень при углах падения меньше критического.

Величина критического угла определяется показателями преломления как стеклянной призмы, так и драгоценного камня. Поскольку призма является частью рефрактометра, ее показатель преломления можно считать постоянным в результате чего критический угол обеспечивает прямое измерение показателя преломления драгоценного камня (чем больше критический угол, тем выше показатель преломления драгоценного камня). Между критическим углом и показателем преломления двух сред существует следующее соотношение:

 

Менее плотная среда (драгоценный камень

Менее плотная среда (драгоценный камень

п менее плотной следы (драгоценного камня)

Синус критического угла =----------------------------;

п более плотной среды (призмы рефрактометра)

п драгоценного камня = Синус критического угла х п призмы рефрактометра.

Конструкция рефрактометра такова, что обеспечивает прямое считывание величины показателя преломления. Но это возможно только в случае, когда показатель преломления драгоценного камня меньше, чем стеклянной призмы рефрактометра (если показатель преломления такой же или выше, все падающие лучи будут входить, преломляясь, в драгоценный камень).

Контактная жидкость

Получить хороший оптический контакт между гранью драгоценного камня и призмой рефрактометра трудно. Поэтому в стандартных приборах используется контактная жидкость с показателем преломления 1,81. Маленькая капля этой жидкости помещается в центр поверхности призмы, и на нее помещают драгоценный камень. Эта жидкость с успехом удаляет воздух с границы раздела драгоценный камень-призма, а поскольку она имеет высокий показатель преломления, то она не мешает показателю преломления драгоценного камня.

Контактная жидкость, предложенная Ч. Андерсоном и Ц. Пейном для стандартных рефрактометров, является насыщенным раствором серы в йодистом метилене или тетрайодэтилене. Однако в ряде рефрактометров используются контактные жидкости с более высокими показателями преломления.

Все они высоко токсичны и опасны, и их следует применять только опытным сотрудникам.

 

Призма рефрактометра сделана из мягкого материала, поэтому следует соблюдать осторожность, чтобы не поцарапать контактную поверхность. Нельзя помещать на призму алмаз. Пипетка не должна касаться призмы.

Количество наносимой на призму контактной жидкости не должно превышать каплю диаметром 3 мм. Слишком большое количество жидкости приводит к тому, что камень начинает плавать.

 

 

Рис. 5. (а) Одна граница (край) тени, дава­емая природной шпинелью (изотропный камень) с показателем преломления 1,715. (6) Двойная граница (при максимальном рас­стоянии между краями), даваемая перидотом (анизотропный камень) с n_р = 1,653 и n_g - 1,690.

 

Если камень двупреломляющий, поворачивайте его на призме до тех пор пока граница, соответствующая более низкому значению показателя преломления, не окажется в положении наименьшего показателя преломления.

Другая аномалия, видимая в зеленых турмалинах, — присутствие четырех границ тени в рефрактометре. Предполагается, что этот эффект, связан с поверхностными изменениями, происходящими при локальном перегреве во время полирования камня. Две аномальные границы тени исчезают при повторной полировке площадки.

Когда оказывается, что идентифицируемый камень однопреломляющий и его показатель преломления лежит в пределах 1,50—1,70, это почти всегда стекло или пластик, так как в этом диапазоне однопреломляющие камни отсутствуют; исключение составляют янтарь, гагат и некоторые редкие коллекционные камни.

 

Оптические оси, оптический знак и оптический характер

Оптические оси

Оптические оси — это направления в кристалле, по которым лучи света рас­пространяются, не испытывая двупреломления. Минералы, кристаллизую­щиеся в тетрагональной, гексагональной и тригональной сингониях, имеют одну такую ось и называются одноосными, Минералы относящиеся к ромбической, моноклинной и триклинной сингониям имеют две оси и называются двуосными.

Когда с помощью рефрактометра определяются показатели преломления одноосного камня, при вращении камня сдвигается только одна граница тени, в то время как другая остается неподвижной. Подвижную границусоздает необыкновенный луч, а фиксированную границу обыкновенный. В случае двуосных камней обе границы тени сдвигаются.

Оптический знак

Одноосные драгоценные камни имеют положительный оптический знак, если подвижная граница тени (связанная с необыкновенным лучом) указывает на более высокое значение показателя преломления, чем неподвижная (созданная с обыкновенным лучом). Если сдвигающаяся граница тени указывает на меньшее значение показателя преломления, то камень является оптически отрицательным.

Оптический характер

Термины, используемые для описания оптического характера (драгоценного камня):

Изотропные - Не обладают двупреломлением. Некристаллические или относящиеся к кубической сингонии.

Анизотропные- Обладают двупреломлением. Кристаллические, относящиеся к тетрагональной, тригональной, гексагональной, ромбической, моноклинной триклинной сингонии.

Одноосные- Имеют одну оптическую ось. Относятся к тетрагональной, тригональной или гексагональной сингонии.

Двуосные - Имеют две оптических оси. Ромбической, моноклинной, триклинной сингонии.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: