Рефрактометр. Определение показателя преломления
Что происходит, когда луч света падает на поверхность прозрачного твердого тела? Некоторая часть света отражается от поверхности, причем под углом, равным углу падения света. Большая часть света входит в вещество, но в этой среде скорость распространения света будет уже другой. Как мы уже говорили, каждый минерал имеет определенный показатель преломления, по которому он может быть определен с помощью рефрактометра.
Принцип устройства рефрактометра основан на свойстве полного внутреннего отражения. Если свет проходит из более плотной среды в менее плотную, скажем из стекла в воздух. При этом лучи отклоняются от нормали АОВ. Луч СО на границе раздела преломляется и идет в воздухе под большим углом ОС', чем угол падения вдоль ОС; небольшая часть света не проходит в воздух и отражается от границы внутрь среды падения и идет вдоль ОС". Аналогично луч РО преломляется и идет вдоль ОР', частично отразившись вдоль ОР". Если мы будем рассматривать лучи, образующие все больший и больший угол с нормалью АОВ, то подойдем к такому случаю, когда преломленный луч будет идти точно вдоль поверхности раздела двух сред. Угол падения такого луча известен под названием критического угла. Все лучи, достигающие точки О и идущие из более плотной среды в менее плотную под углом падения, превышающий критический, пройти в менее плотную среду не могут и полностью отражаются обратно в плотную среду. Эти лучи испытывают полное внутреннее отражение. Критический угол зависит от разницы показателей преломления более плотной и менее плотной сред. Поэтому, если в двух средах, находящихся в оптическом контакте, мы сможем измерить критический угол, и при этом знаем показатель преломления более плотной среды, то мы можем рассчитать показатель преломления менее плотной среды. Это основной принцип работы всех рефрактометров полного отражения. Однако в приборах, предназначенных для определения ювелирных камней все расчеты остроумно исключены. В таких рефрактометрах оптически более плотная среда с известным показателем преломления имеет вид либо полированной полусферы из тяжелого свинцового стекла, либо призмы с углом 60º при вершине, изготовленной из того же материала. В каждом случае плоская верхняя поверхность является рабочим «столиком» прибора. Если плоская поверхность любого камня, с показателем преломления ниже, чем показатель преломления полусферы, находится в оптическом контакте с указанным столиком, лучи, проходящие через стекло к камню, преломляются в нем и выходят в воздух, когда они попадают на поверхность камня под углом ниже критического. Однако они полностью отражаются обратно от поверхности камня, когда попадают под углом, превышающим критический. Чем выше показатель преломления камня, тем больше критический угол между камнем и стеклом рефрактометра.
Для достижения оптического контакта минерала и столика рефрактометра используют контактную иммерсионную жидкость с показателем преломления 1,81 (это и является пределом, на который рассчитан рефрактометр).
Лучи, отраженные от поверхности камня, полностью и частично проецируются системой линз на прозрачную шкалу, которая видна через окуляр. Часть шкалы, на которую падают полностью отраженные лучи, будет ярко освещена, тогда как остальная часть шкалы будет затемнена. Шкала градуирована непосредственно в единицах показателей преломления, благодаря чему показатель преломления можно прочесть по положению края тени (по границе полного внутреннего отражения) на шкале.
Рефрактометры, основанные на принципе полного внутреннего отражения, использовались еще во второй половине 19 века, однако наиболее удобный прибор был сконструирован только в 1907 г. Гербертом Смитом (имеет полусферу). Рефрактометр Рейнера вместо полусферы имеет призму со срезанной вершиной. Однако принцип действия у них одинаков. Сейчас существует много разновидностей рефрактометров, в которых главным отличием является материал сферы (синтетическая шпинель, сфалерит, алмаз, окись циркония и др.), т. к. от него зависит диапазон показателей преломления, которые можно определять при помощи прибора. У обычных рефрактометров максимальный показатель преломления, который он может определить, не превышает 1,81, что вполне достаточно для определения большинства камней. Существуют специальные рефрактометры, которые рассчитаны, только на камни с высоким показателем преломления, например, столик из кубической окиси циркония позволяет определять показатели преломления до 2,10.
Мы можем увидеть разную картину на шкале рефрактометра в зависимости от сингонии минерала, который мы определяем. Изотропные минералы, такие как гранаты, шпинель, флюорит на шкале рефрактометра дадут одну затемненную полосу, положение которой не изменится, как бы мы не поворачивали камень на столике. Анизотропные минералы, в зависимости от того, в каком положении они лежат относительно их оси или плоскости симметрии, дадут две полосы затемнения, положение которых будет изменяться, если мы будем поворачивать камень на столике. Правильное положение камня относительно его структуры (симметрии) позволяет определить его двупреломление. Это будет возможно, в том случае, если нам удастся положить камень гранью, параллельной оси (или плоскости) симметрии. В этом случае расстояние между двумя полосами на шкале рефрактометра будет наибольшим. Вычислив разницу между показаниями на шкале, мы определим двупреломление минерала, которое является одним из важнейших диагностических свойств минералов. Например, для оливина (хризолита) двупреломление составляет 0,036, для турмалина – 0,018, для топаза только – 0,008. Например, розовый топаз визуально трудно отличить от розового турмалина, потому что и показатели преломления этих минералов близки: 1,63 топаз и 1,62 турмалин. Однако их легко можно отличить по двупреломлению.
Полярископ
Мы уже говорили с вами об оптическом явлении, которое называется двупреломлением, характерном для всех минералов, за исключением тех, которые кристаллизуются в кубической сингонии. У некоторых минералов двупреломление является постоянным свойством и зависит от химического состава минерала. У других оно меняется 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. Каким образом, кроме как на рефрактометре, можно определить, обладает ли камень двупреломлением? Наиболее простой способ после небольшой практики, заключается во внимательном осмотре камня с помощью карманной 8х – 12х лупы. Например, если рассматривать нижние грани циркона, то можно видеть как они раздваиваются. Однако, надо помнить, что у анизотропных минералов существует одно или два направления, которое характеризуется лишь одним показателем преломления, т. е. это направление совпадающее с оптической осью (или осями) кристалла. Минералы средних сингоний имеют только одну ось (например, циркон, рубин, сапфир, берилл, турмалин, кварц), а минералы низших сингоний – две (хризолит, хризоберилл, топаз, сподумен и др.).
У циркона, сфена и хризолита (оливина) двупреломление настолько сильное, что и неспециалист без труда увидит эффект раздвоения граней в небольших камнях. Вместе с тем, чтобы заметить двупреломление в небольших образцах кварца или корунда, необходима большая практика.
Более чувствительным методом выявления двупреломления, по сравнению с лупой, является использование поляризованного света. Даже не имея поляризационного микроскопа, а только две пластинки поляроидов, можно определить двупреломление. Через поляроид проходит свет, колеблющийся в одном направлении. В двупреломляющих камнях могут распространяться только два типа лучей, колеблющихся перпендикулярно друг другу, эти направления в минералах жестко фиксированы их структурой. Луч свет, который проходит через поляризатор и колеблется, скажем, в направлении север – юг, не может пройти через другой поляризатор, установленный под прямым углом к первому, т. е. в направлении запад – восток. Такая система, которая практически не пропускает свет, называется скрещенными поляризаторами. Если один из поляризаторов чуть повернуть, то система понемногу начнет пропускать свет. При дальнейшем повороте поток света возрастает, пока не достигнет максимума при параллельном положении поляризаторов. Если между двумя скрещенными поляроидами поместить кусочек стекла, в поле зрения не произойдет никаких изменений, т. к. стекло, будучи аморфным не оказывает никакого воздействия на направление колебания света, проходящего через первый поляризатор. Когда же между скрещенными поляризаторами поместить двупреломляющий минерал, 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, давать четыре положения погасания и четыре положения максимальной освещенности.
Это явление широко используется в минералогии для отличия однопреломляющих веществ от двупреломляющих. Двупреломление хорошо наблюдать в поляризационный микроскоп, но можно использовать более простой прибор – полярископ, который представляет собой два поляроида, между которыми оставлена площадка для камня. Иногда, в более сложных полярископах, между поляроидами помещают специальную линзу, которая дает интерференционную фигуру, указывающую на осность камня (крест или одну изогиру). Иногда для этой цели используют стеклянный шарик или карманную лупу.
Рефлектометр
Еще один прибор, который был создан в основном для отличия алмаза от его многочисленных имитаций. Много лет назад французским физиком Френелем была установлена связь между отражательной способностью минерала и его показателем преломления, который в случае перпендикулярно падающего луча из уравнения (n-1)2 / (n+1)2· 100 позволяет определить процент отраженного света (n – показатель преломления образца). Интересно, что по этому уравнению алмаз отражает 17,2% света, падающего перпендикулярно его поверхности, тогда как кварц отражает чуть больше 4%.
Однако приборы-измерители, определяющие показатель преломления на отражательной способности минерала (т. к. они предназначены в основном для определения алмаза), сейчас уступили место в области коммерческого тестирования алмазов приборам, фиксирующим тепловые свойства алмаза. Это измерители теплопроводности, которые очень надежно могут отличить алмаз от его имитаций (это дуотестеры, алмазные тестеры, тепловые зонды).