Лекция 13
Методы определения ювелирных минералов. Ювелирные приборы: полярископ, рефлектометр, дихроскоп, спектроскоп – методы работы и определение оптических свойств минералов.
Основные методы определения ювелирных минералов
Человек по своей природе ленив, и не зря говорят, что большинство из его изобретений появилось как необходимость предохранить себя от лишних забот. Видимо поэтому ювелиры, которые далеки от науки, приветствовали бы появление такого прибора, который позволил бы определять камни простым способом, чисто и без расчетов. Если бы путем простой установки ювелирного камня на прибор можно было бы прочитать его название, указанное стрелкой на калиброванной шкале, такой прибор, несомненно, имел бы большой успех. Действительно, в последние годы были изобретены и выпущены в продажу новые приборы, претендующие на универсальность, например, рефлектометры. Рефлектометры предназначены для идентификации ювелирных камней, имеющих чистую и хорошо отполированную грань площадки, по данным измерения их отражательной способности при освещении этой грани узким пучком инфракрасного света. Они имеют свои преимущества над традиционным рефрактометром, но также и серьезные ограничения. В любом случае, используя рефлектометр или рефрактометр исследователь должен знать, что он меряет, т. к. в неопытных руках, в руках тех, кто не очень понял, что он меряет, можно получить неверные определения.
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 (рис. 17).
Рис. 17Рейнеровские рефрактометры: стандартный (слева),
типа «Дайэлдекс» (справа) (по Б. Андерсону, 1996).
Рефрактометры, основанные на принципе полного внутреннего отражения, использовались еще во второй половине XIXвека, 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 (рис. 19).
В рефрактометре Г. Смита (см. рис. 18,б) и других рефрактометрах подобного типа (см.рис. 17)определение показателя преломления осуществляется с использованием явления полного внутреннего отражения. Для этого полированную пластинку кристалла кладут на плоскую поверхность полуцилиндра, изготовленного из стекла с высоким показателем преломления. Чтобы удалить воздух, между кристаллом и полуцилиндром помещают жидкость с показателем преломления большим, чем у кристалла. Свет поступает через один из квадрантов, а та его часть, которая испытывает полное внутреннее отражение на нижней поверхности кристалла, образует светлую область в поле зрения оптической трубы, сфокусированной на другой квадрант. Граница между темной и светлой областями указывает предельный угол между стеклом и кристаллом. На полусферической поверхности не происходит преломления лучей, так как они пресекают ее по нормали.
а б
Рис. 18 Полное внутреннее отражение (а); принцип действия рефрактометра Г. Смита:
луч 1 идет параллельно разделу двух сред, луч 2 испытывает полное внутреннее
отражение, луч 3 – имеет промежуточный угол падения (по Х. Батти, А. Принг, 2001).
а б
Рис. 19Шкала стандартного рефрактометра Рейнера (а), какой видит ее наблюдатель при исследовании шпинели. Показатель преломления 1,715.слабая тень при 1,81 от контактной жидкости. Шкала рефрактометра с двумя границами (б) затенения при исследовании хризолита при их максимальном удалении друг от друга (1,653–1,690)
(по Б. Андерсону, 1996).
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 (см. рис. 19).
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). Поскольку жидкость образует тонкую пленку с параллельными поверхностями, ее влияние уравновешивается на входе и выходе лучей и им можно пренебречь. Хотя измеряемым предельным углом является угол между жидкостью и кристаллом, в действительности оно соответствует предельному углу между стеклом и кристаллом за счет отклонения света на границе стекло – жидкость.
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.
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 (см. рис. 19, а).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 (см. рис. 19, б). 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.