УДК 553.2:622.34

ДВУПРЕЛОМЛЕНИЕ И ДИХРОИЗМ В ПРОЗРАЧНЫХ МИНЕРАЛАХ

Квон Св.С., Филиппова Т.С., Тян Е.В.

(Казахстан, КарГТУ)

Одно из основных требований, предъявляемых к драгоценным камням, . это их внешняя красота. Искусство огранки камня заключается именно в способности придать камню такую форму, при которой наиболее ярко выявляются его оптические свойства, которые собственно и определяют его эстетический вид. Оптические свойства кристалла определяются его способностью отражать, пропускать и поглощать световой луч. Эта способность в свою очередь зависит от симметрии кристалла и его строения, т.е. принадлежности к кристаллографической сингонии.

Прохождение луча света из одной среды в другую изучал еще в начале 16 века В. Снеллиус. Он доказал, что угол r, образуемый преломленным лучом с нормалью, связан с углом i, образуемым падающим лучом с тем же направлением, уравнением:

где: - константы двух сред, называемые константами преломления.

Измерение этих показателей служит одним из первых параметров, по которым происходит разделение камней.

С различной величиной показателя преломления вещества для света разного цвета связаны такие явления, как радуга и сияние, наиболее ярко проявляющиеся у алмаза и циркона. При попадании луча дневного света внутрь камня, он становится не белым, а разлагается в спектр. Показатель преломления последовательно возрастает при уменьшении длины световой волны, вследствие чего в обычном спектре один его конец – фиолетовый. Затем идут цвета: синий, зеленый, желтый, оранжевый и на другом конце спектра – красный. Угловая ширина спектра, т.е. разница в показателях преломления для разных частей спектра – разная. Это и есть дисперсия света, которая вызывает «игру», сияние драгоценных камней.

Величины дисперсии света приводятся в справочных данных физических свойств минералов. Обычно в качестве стандартов используются линия В (6870А⁰) и линия G (4308А⁰). Для точного определения дисперсии света в каком-либо камне надо использовать монохроматический свет с длиной волны, максимально приближенной к границе спектра, т.е. к линии В или к линии G.

Оптические явления, характерные для драгоценных камней, осложняются способностью этих камней расщеплять луч света на два луча, имеющие различные характеристики. Впервые явление двупреломления было обнаружено в 1669г. датским ученым Бартолином. Он заметил, что пластинки некоторых прозрачных минералов (исландский шпат) обладают свойством давать двойное изображение предметов, если смотреть на них сквозь минерал. Природа двупреломления была установлена Х.Гюйгенсом. Он доказал, что в кристаллах, подобных исландскому шпату один из лучей подчиняется закону Снеллиуса. Такой луч называется обыкновенным, и его показатель преломления обозначается символом . Другой луч ведет себя иначе и называется необыкновенным. Его показатель преломления меняется в зависимости от пути прохождения через кристаллическую структуру и может менять значения от до предельного значения . Показатель в разных веществах может быть больше или меньше, чем . Кристаллы, в которых обыкновенный луч распространяется быстрее всех других возмущений, называют оптически положительным (например, кварц). Кристаллы, в которых обыкновенный луч распространяется медленнее всего, называются отрицательными (например, кальцит).

Таким образом, если свет исходит из некоторой точки внутри одноосного кристалла, то спустя единицу времени, обыкновенный луч достигнет поверхности радиусом , а необыкновенный луч за то же время достигнет поверхности фигуры, которая представляет собой эллипсоид вращения с полуосями . Это две поверхности, взятые вместе, образуют волновую поверхность кристалла. В положительных кристаллах сфера заключает в себе эллипсоид; в отрицательных кристаллах наоборот: эллипсоид содержит в себе сферу (рис 1).

Рис. 1 Сечение волновых поверхностей положительных и отрицательных одноосных кристаллов

То, что фронт необыкновенной волновой поверхности имеет форму эллипсоида, вносит в оптические исследования двупреломляющих кристаллов значительные сложности. Для сферического волнового фронта нормаль совпадает с направлением луча, но для эллипсоидного фронта эти направления не совпадают, кроме тех случаев, когда луч идет вдоль оптической оси или под прямым углом к ней. Во избежание этих трудностей при исследовании кристаллов используют схематические изображения. Самое распространенное из них – индикатриса, понятие о которой ввел Флетчер. Одноосная индикатриса – это эллипсоид вращения, построенный на осях, прямо пропорциональных показателям преломления . Индикатриса используется для того, чтобы дать количественную информацию о преломляющих свойствах любой части кристалла. Само построение индикатрисы это некоторое умозрительное построение, не изображающее реальный кристалл, подобное построению пространственной решетки.

Большинство кристаллов, обладающих способностью к двупреломлению кристаллизуются в тетрагональной, гексагональной и тригональной сингониях. В этих веществах имеется одно направление, по которому свет проходит без двупреломления. Это направление называется оптической осью, а сами кристаллы называются одноосными.

Кристаллы, кристаллизующиеся в ромбической, триклинной и моноклинной сингониях являются двуосными. В таких кристаллах имеется два направления, по которым не происходит двупреломления.

Таким образом, измерение показателей преломления при явлении двупреломления дает дополнительную информацию о симметрии кристалла и его природе, что облегчает диагностику камня.

Когда луч света проходит сквозь граненый камень, возникают различные цветовые эффекты. Самый наглядный из них – это цвет камня. Цвет камня обусловлен тем, что камень обладает свойством избирательного поглощения проходящего через него света. В связи с тем, что глаз не способен анализировать цвет, камни могут показаться очень близкими по цвету, хотя образующий эту окраску цвет составлен из разных частей спектра. Поэтому для идентификации цвета необходимо использовать различные фильтры, пропускающие избирательно узкие полоски спектра в его разных частях. Это дает возможность разделять камни, близкие по цвету, но имеющие разную природу (например, изумруд и другие зеленые камни в фильтре Челси).

В некоторых камнях падающий луч распадается на два луча, которые поглощаются по-разному. Это свойство, дающее мерцание таких камней называют дихроизмом. Самый наглядный пример дихроизма дает коричневый турмалин, который абсолютно непрозрачен для обыкновенного луча. Ранее пластинки из турмалина использовали для получения поляризованного света. В других минералах этот эффект менее нагляден, поэтому испытания на дихроизм проводят на специальных приборах – дихроскопах.

При анализ одноосного кристалла в направлении, идущем под прямым углом к его оптической оси, получаются цвета, соответствующие его обыкновенному и необыкновенному лучам. В любом другом направлении под меньшим наклоном к его оптической оси это соотношение меняется: цвет, соответствующий обыкновенному лучу сохраняется; другой цвет будет занимать промежуточное положение между цветом, соответствующим обыкновенному лучу и необыкновенному лучу.

При анализе двуосных кристаллов картина усложняется. В них образуются три главные цвета, а в кристаллах с низкой кристаллографической симметрией процесс еще более усложняется смещением главных направлений при изменении длины волны светового луча. Поскольку двуосные кристаллы имеют три главных цвета, то явление дихроизма в них называют трихроизмом или плеохроизмом. Однако в каждом отдельном сечении эти камни все равно обладают только двумя цветами. В общем случае при анализе на дихроизм всегда надо исследовать минерал в нескольких направлениях, т.к. можно случайно попасть на оптическую ось.

Испытание на дихроизм дает дополнительную и характерную информацию о минерале. Например, рубин: его цвета при испытании на дихроизм – пурпурный и желтовато-красный заметно отличаются друг от друга, что дает возможность отличать рубин от других менее ценных красных камней.

В данной работе были кратко рассмотрены только два явления, характерные для большинства прозрачных минералов, какими в подавляющем большинстве являются драгоценные камни – двупреломление и дихроизм. Эти явления естественным образом вытекают из процессов, происходящих при попадании светового луча на поверхность камня. Знание характера двупреломления и цветов, проявляющихся при дихроизме дает неоценимую информацию о природе камня и его диагностики с точки зрения геммологии.

Список использованной литературы

1.Б. Андерсон. Определение драгоценных камней. 1996 г.
2. Справочник: Товароведение и экспертиза ювелирных товаров. 2006г.
3. П.Н. Баранов. Геммология. 2002 г.

4. Д. Стоун. Все о драгоценных камнях. 2006г.

5. Шаскольская М.П. Кристаллография. М, 1989г.

6. Г. Смит. Драгоценные камни. Москва. АСТ, 2006г.