Преломление и двупреломление света
Преломление - показатель, который определяется отношением скоростей света в воздухе и в кристалле. Дело в том, что отклонение светового луча в кристалле вызывается именно уменьшением скрости распространения света в оптически более плотной среде. Чем сильнее в камне происходит разложение белого цвета, тем выше у него показатель преломления. Самый высокий показатель преломления у алмаза - 2,4. Для сравнения - у сапфира эта цифра составляет - 1,76. У искусственного фианита - 2,2. Падающий на минерал световой поток частью отбрасывается назад, причем частота колебаний не претерпевает изменений. Этот отраженный свет и создает впечатление блеска минерала. Интенсивность блеска, т. е. количество отраженного света тем больше, чем резче разница между скоростями света при переходе его в кристаллическую среду, т. е. чем больше показатель преломления минерала. Блеск почти не зависит от окраски минералов.
Двойно́е лучепреломле́ние — эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие. Впервые обнаружен датским учёным Расмусом Бартолином на кристалле исландского шпата. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, и называется необыкновенным (e — extraordinary).
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.
Твердость и способы её определения
Под твердостью подразумевают степень сопротивления, которое способен оказать данный минерал какому-либо внешнему механическому воздействию, в частности царапанию.
Различают абсолютную и относительную твердость. Единица измерения абсолютной твердости - [кг/мм2].
В обычной минералогической практике применяется наиболее простой способ определения твердости царапанием одного минерала другим, т. е. устанавливается относительная твердость минералов. Для оценки этой твердости принимается шкала Мооса, представленная десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие.
За эталоны этой шкалы приняты следующие минералы в порядке твердости от 1 до 10:
| 1) тальк 2) гипс 3) кальцит 4) флюорит | 5) апатит 6) ортоклаз 7) кварц | 8) топаз 9) корунд 10) алмаз |
Определение твердости исследуемого минерала производится путем установления, какой из эталонных минералов он царапает последним. Например, если исследуемый минерал царапает апатит, а сам царапается ортоклазом, то это значит, что его твердость заключается между 5 и 6.
Этот простой, хотя и грубый метод определения твердости минера- лов вполне удовлетворяет нас при диагностике минералов.
В пределах значений по шкале Мооса у большинства минералов на раз- личных гранях и сколах твердость является более или менее постоянной, хотя известны примеры, когда она меняется в зависимости от направления царапания. Например, у минерала кианита Al [SiO ]O в направлении удлинения твердость равна 4,5, а в перпендикулярном направлении на той же плоскости — 6–7. Поэтому не случайно этот минерал называется также дистеном (от греч. ди — двояко, стенос — сопротивляющийся).
Более точные определения твердости минералов с научно-исследовательской целью производят на специальных приборах — склерометрах — с помощью алмазного или металлического острия.
Заменители для измерения твердости
1) Ноготь – 2,5
2) Оконное стекло – 5
3) Перочинный ножик – 4,5
4) Напильник – 7
Радиоактивность
В самом конце периодической системы Менделеева располагается группа радиоактивных элементов урана — радия, представляющих совершенно особый интерес. Явления радиоактивности были открыты А. Беккерелем еще в 1896 г. Дальнейшее изучение их привело к открытию общих законов строения атома и к развитию так называемой ядерной физики. Как известно, образование ионов, химических соединений и вообще все химические процессы обусловлены почти исключительно строением наружных электронных оболочек атомов и той энергией, которая выделяется при перегруппировках электронов; ядра атомов при этом не претерпевают никаких изменений. Явления же радиоактивных превращений, наоборот, связаны с превращениями, происходящими в самих ядрах. В связи с этим необходимо напомнить о строении атомных ядер.
В строении атома принимают участие три основных вида частиц: протон и нейтрон — в ядре, электрон — в окружении ядра. Число протонов равно атомному номеру, а число нейтронов — разности между массовым числом (близким к атомному весу) и атомным номером. Рассматривая Периодическую систему элементов, легко видеть, что в первых рядах элементов числа протонов и нейтронов ядра атома обычно равны друг другу. По мере перехода к более тяжелым элементам мы замечаем, что число нейтронов по сравнению с протонами постепенно возрастает (так полагается для достижения минимума энергии, а, следовательно, и устойчивости ядра). В последнем ряду устанавливается уже весьма значительный избыток нейтронов по отношению к протонам. Например, ядро тяжелого урана U238 содержит 92 протона и 146 нейтронов (238 – 92), а ядро изотопа U235 — на три нейтрона меньше (при том же числе протонов).
Эти последние элементы периодической системы обладают не вполне устойчивыми ядрами атомов. Для таких элементов весьма характерны явления так называемого радиоактивного распада, выражающиеся в непрерывном испускании:
1) α-частиц, т. е. ядер атомов гелия, обладающих атомным номером 2 и массовым числом 4; они выбрасываются с громадной скоростью и ионизируют воздух, т. е. делают его проводником электричества;
испускание этих частиц приводит к тому, что атом данного элемента последовательно превращается в атомы более легких элементов, причем атомный номер при вылете каждой частицы уменьшается на две, а масса — на четыре единицы;
2) β-частиц, равнозначных электронам; испускание одной такой частицы, естественно, приводит к увеличению заряда ядра на единицу (при сохранении массового числа); следовательно и атомный номер продукта
3) γ-лучей, представляющих собой электромагнитное излучение, подобное рентгеновским лучам.
Это непрерывное превращение атомов, сопровождающееся большим расходом энергии, протекает вне зависимости от температуры и давления. Конечными продуктами, образующимися в результате последовательных испусканий α- и β-частиц, являются устойчивые изотопы свинца. Скорость распада образующихся промежуточных атомов колеблется в весьма широких пределах от долей секунды до миллиардов лет. Время, необходимое для распада половины всего количества атомов данного изотопа, называется «периодом полураспада». Оно постоянно для каждого изотопа.
Установлены три ряда последовательных радиоактивных превращений:
1) ряд урана, начинающийся с изотопа урана U238, где в числе промежуточных продуктов распада образуется и радий с периодом полураспада 1600 лет;
2) ряд актиния, начинающийся с другого изотопа урана — U235 и включающий в числе промежуточных продуктов превращений актиний;
3) ряд тория, начинающийся с изотопа Th232.
Радиоактивность минералов определяется по производимой ими ионизации воздуха с помощью электроскопов, ионизационных камер и различных систем счетчиков. Урансодержащие минералы, способные излучать химически активные лучи, оказывают сильное воздействие также на фотографическую пластинку. Этим пользуются для получения так называемых радиографий. С этой целью отполированный образец руды в темной комнате или в ящике для проявления кладут на фотопластинку на определенное время. Активные лучи в светочувствительном слое производят обычное химическое действие. После проявления места сильного почернения будут указывать на наличие урансодержащих минералов. На позитивном изображении радиографии, т. е. на фотобумаге, светлые участки будут отвечать минералам, богатым радиоактивными элементами, черные — минералам, не содержащим их.
Явление радиоактивного распада, протекающего в течение огромных периодов времени, используется при определении абсолютного геологического возраста различных пород, в которых в свое время образовались радиоактивные минералы. Такое определение возраста возможно прежде всего потому, что скорость распада каждого радиоактивного вещества не только постоянна, но и не зависит ни от температуры, ни от происходящих химических реакций. Вторым важным обстоятельством является то, что содержание конечных продуктов распада (гелия и свинца) минерала находится в прямой зависимости от времени, истекшего с момента образования радиоактивных минералов.
Типы изоморфизма
Типы изоморфизма различаются между собой по характеру сохранения электронейтральности кристаллической решетки, по числу атомов, участвующих в изоморфном обмене, по структурному положению изоморфных примесей, по степени совершенства. В соответствии с этим можно дать несколько классификаций изоморфизма: