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, быстро, чисто и без расчетов.

Если бы путем простой установки камня на прибор можно было прочитать его название, указанное стрелкой на калиброванной шкале, такой прибор, несомненно, приобрел бы широкую популярность. Действительно, в последние годы были изобретены и выпущены в продажу (по довольно высокой цене) приборы, очень близкие к такому "идеальному" прибору. Эти рефлектометры предназначены для идентификации драгоценных камней, имеющих чистую и хорошо отполированную грань площадки, по данным измерения их отражательной способности при освещении этой грани узким пучком инфракрасного света. Такие приборы имеют некоторые преимущества перед традиционными типами ювелирного фрактометра, который вот уже три четверти века служит основным инструментом при диагностике драгоценных камней. Но они имеют серьезные ограничения, которые описаны ниже в этой главе.

Поэтому и сейчас рефрактометр является для геммолога одним из основных приборов, и поэтому ниже подробно рассмотрены принципы его устройства и методы использования с максимальной эффективностью. Однако прежде мы должны объяснить сущность явления светопреломления и показателя преломления и описать основные принципы работы рефрактометра.

Что происходит, когда луч света падает на поверхность такого прозрачного твердого тела, как драгоценный камень или лист стекла? Некоторая частьсвета отражается от поверхности камня, причем свет отражается от поверхности камня под углом, равным углу, под которым он падает на нее (угол падения). Именно этот отраженный свет и определяет блеск поверхности камня. Большая часть света, однако, входит в камень, но в этой более плотной среде движется со значительно меньшей скоростью, чем в воздухе.

При вхождении света в более плотную среду, в которой его скорость уменьшается, происходит изменение направления движения луча, падающего наклонно к поверхности, причем новый путь луча проходит ближе к перпендикуляру к границе раздела между двумя средами (или к нормали, как называют этот перпендикуляр).

Отклонение направления светового луча при вхождении в другую среду называется светопреломлением. На рис. 2.1 луч света Ю преломляется при вхождении в более плотную среду ниже поверхности PQ и идет вдоль направления OR. Пунктирной линией показано направление отраженного луча.

Угол, под которым изгибается или преломляется луч при вхождении в камень, зависит от светопреломления камня или его показателя преломления

,

?.

Рис. 2.1. Луч 10, идущий в воздухе, преломляясь в стекле, идет в направлении OR. NOM — "нормаль " (перпендикуляр) к пограничной поверхности. Угол i — угол падения,угол г — угол преломления. На рисунке показано светопреломление в обычном оконном стекле (п=1,52).

который обратно пропорционален скорости света в веществе. Другими словами, показатель преломления среды может быть определен как скорость света в воздухе

, деленная на скорость света в среде.

Скорость света в воздухе равна приблизительно 186 ООО миль/сек (300 ООО км/сек); с такой же огромной скоростью идет к нам свет от Солнца и звезд. В кварце (горный хрусталь, аметист) скорость света снижается примерно до 120 ООО миль/сек (194 ООО км/сек), а в алмазе даже до 76 860 миль/сек (124 ООО км/сек).

Таким образом, алмаз, в котором скорость света, как отмечено выше, составляет 124 ООО км/сек по сравнению с 300 000 км/сек в воздухе, имеет показатель преломления (300 000 : 124 000)=2,42, т. е. самый высокий по сравнению с показателями преломления всех драгоценных камней, используемых в ювелирном деле, что обусловливает сверкающий, алмазный блеск камня.

Как уже было отмечено выше, каждый минерал имеет определенный показатель преломления, по которому он может быть определен с помощью рефрактометра; список этих показателей приведен в табл. 2.1 и в приложениях.

Для тех, кто хотел бы получить по крайней мере общее представление о работе прибора, который они используют, ниже приведено краткое описание основного принципа, на котором основаны все типы рефрактометров, применяемых для определения драгоценных камней. Однако те, кто хотел бы просто знать, как пользоваться прибором, но предпочитает уклониться от таких объяснений, может познакомиться с практическими рекомендациями, которые

Рис. 2.2. Переход света из стекла с высоким светопреломлением (п—1,80), расположенного снизу, в воздух (вверху). Лучи АО и ОБ, достигая границы, частично преломляются и идут в направлениях OA и ОБ, а частично отражаются и идут в направлениях OA " и ОБ". Лучи, падающие под углом выше критического (СОМ-34"), не могут перейти в воздух, так как их угол преломления равен 90° и больше и поэтому они полностью отражаются от поверхности раздела.

будут даны в разделе этой главы "Как применять рефрактометр".

Для того чтобы понять принцип работы рефрактометра, обратимся к рис. 2.2. Предполагается, что на рисунке лучи света идут из более плотной среды в менее плотную, скажем из стекла в воздух. При этом лучи отклоняются в сторону от нормали NOM (обратный процесс по сравнению со случаем, рассмотренным на рис. 2.1). Луч АО на границе раздела преломляется и идет в воздухе под большим углом, чем угол падения, вдоль OA;, небольшая часть света не проходит в воздух и отражается от границы внутрь среды падения и идет по линии OA", как показано пунктирной линией.

Аналогично луч ВО преломляется и идет вдоль ОВ, частично отразившись вдоль ОВ". Если мы будем рассматривать лучи, образующие все больший и больший угол с нормалью NOM, то подойдем к такому случаю, когда преломленный луч будет идти точно вдоль поверхности OQ — границы раздела двух сред.

V Угол падения такого луча известен как критический угол. Все лучи, достигающие точки О и идущие из более плотной среды под углом падения, превышающим критический, пройти в менее плотную среду не могут и полностью отражаются обратно в плотную среду. Эти лучи, как говорят, претерпевают полное внутреннее отражение, а лучи OA" и ОВ" претерпевают только частичное внутреннее отражение.

На рис. 2.2 угол СОМ может рассматриваться как критический угол падения; весь свет, который дает луч СО, таким образом, полностью отражается обратно вдоль ОС", и всякий другой луч, например DO, имеющий еще больший угол падения, конечно, также полностью отражается вдоль OD". Важно понять, что величина критического угла будет зависеть от соотношения показателей преломления более плотной и менее плотной сред. Поэтому, если в двух средах, находящихся в оптическом контакте, мы можем измерить угол, при котором начинается полное внутреннее отражение (т. е. критический угол), и если мы знаем показатель преломления более плотной среды

, то мы сможем рассчитать показатель преломления менее плотной среды

Это основной принцип действия всех рефрактометров полного отражения (называемых иногда полными рефлектометрами), однако в приборах, предназначенных для определения драгоценных 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 60° при вершине, изготовленной из такого же материала. В каждом случае плоская верхняя поверхность является рабочим "столиком" прибора. Если плоская полированная поверхность любого камня, показатель преломления которого ниже показателя 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 падают под углом, превышающим критический.

Здесь полезно отметин» один момент, поскольку он вызывает путаницу у читателей. Критическим является тот угол в камне, под которым проходят те лучи света, которые, выйдя из камня в воздух и преломившись, дадут угол в 90° с нормалью (линией, перпендикулярной поверхности преломления). Другими словами, преломленный луч в среде преломления просто скользит по поверхности между двумя средами. Лучи, падающие на внутреннюю поверхность камня под углами, превышающими этот критический угол, не могут выйти и претерпевают полное внутреннее отражение, т. е. отражаются обратно в камень. Здесь камень является более плотной средой, и чем больше показатель преломления камня, тем меньше его критический угол.

В случае рефрактометра принцип точно такой же, однако здесь стекло призмы рефрактометра является более плотной средой, а камень — менее плотной средой. Таким образом, в этом случае чем выше показатель преломления камня, тем больше критический угол между камнем и стеклом инструмента. v/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, выглядит ярко освещенной, тогда как остальная часть шкалы будет затемнена. Шкала градуирована изготовителями прибора непосредственно в величинах показателей преломления, благодаря чему показатель преломления испытуемого камня можно просто прочесть по положению края тени (по границе полного внутреннего отражения) на шкале.

Рефрактометры, основанные на полном внутреннем отражении, использовались еще во второй половине прошлого века, однако более удобный и недорогой прибор для определения драгоценных камней был сконструирован Гербертом Смитом только в 1907 г. Появившийся сравнительно недавно очень компактный рефрактометр Рейнера (рис. 2.3а) имеет вместо полусферы призму со срезанной вершиной, изготовленную из свинцового стекла, однако принцип действия прибора остался тем же самым. Первоначально применение призмы было обусловлено возможностью использования изотропных минералов вместо стекла. Специальные модели рефрактометров, сконструированные Андерсоном и Пейном, имели призмы из синтетической шпинели, сфалерита и алмаза. Эти приборы по сравнению со стандартными имели определенные преимущества, но в то же время некоторые ограничения. В рефрактометрах Рейнера пределы шкалы составляют 1,30—1,86. В шпинелевом рефрактометре сокращенный диапазон измеряемых показателей преломления (1,30—1,68) позволяет использовать более растянутую шкалу, тогда как в алмазном рефрактометре высокий верхний предел измеряемых значений (1,55—2,05) требует для наблюдения шкалы применения подвижного окуляра. В настоящее время появились приборы, использующие призмы из кубической окиси циркония, с диапазоном измеряемых показателей преломления 1,40—2,10.

Широко распространены рефрактометры, выпускаемые и в ряде других стран. Они действуют в точности по тому же принципу, что и английские приборы, описание которых дано в этой главе, а потому к ним в равной мере применимы приведенные здесь рекомендации.

Рефрактометр "Дайэлдекс" (Dialdex).

В 1972 г. фирма "Рейнер" выпустила рефрактометр совершенно нового типа (рис. 2.3 справа), хотя действует он по тому же принципу, что и все предыду-

щие модели. Вместо привычной шкалы, как в стандартном рефрактометре, наблюдатель, поместив каплю контактной жидкости и испытуемый камень на столик прибора, видит чистый экран, разделенный на светлую и темную части, причем в зависимости от природы камня граница между ними может быть одинарной или двойной, а ее положение на экране определяется, как обычно, одним или несколькими показателями преломления камня. При повороте калибровочного барабана, установленного с правой стороны прибора, в поле зрения движется черный лентообразный индикатор, который можно совместить с любым краем тени. Соответствующий показатель преломления может быть затем очень легко считан с барабана — отсюда и название прибора (Dialdex — угломерный круг). По сравнению с предыдущими моделями рефрактометра Рейнера этот прибор позволяет получить точность до одной или двух единиц в третьем после запятой знаке. Другим преимуществом является более низкая дисперсия нового стекла, из которого изготовлена призма, что дает более резкую границу полного внутреннего отражения при освещении белым светом, а при использовании темно-желтого фильтра в сочетании с интенсивным источником света границы области затенения получаются настолько резкие, что отпадает необходимость в натриевой лампе (см. ниже).

Производители оборудования уже нашли применение уникальным свойствам изотропных имитаций алмаза, обладающих высокими показателями преломления, используя их в качестве материала для изготовления призм рефрактометров вместо мягкого свинцового стекла. Рефрактометр, известный под названием "ЭР 602 Риплус"("Е11 602 Riplus") производится на коммерческой основе фирмой А.Крюсса в Гамбурге. Призма этого прибора изготовлена из титаната стронция (показатель преломления для обыкновенного луча 2,418); при этом затруднения, связанные обычно с применяемой контактной жидкостью, преодолеваются за счет использования расплава с высоким показателем преломления, жидкое состояние которого обеспечивается путем электронагрева призмы. Этот прибор позволяет измерять значения показателей преломления в диапазоне от 1,75 до 2,21 (рис. 2.16).

Еще одним шагом в развитии приборов данного типа стало использование в начале восьмидесятых годов для изготовления призм кубической окиси циркония (п

= 2,17). В этих приборах, имеющих встроенные источники оптимально подобранного освещения (желтого излучения светоиспускающих диодов либо белого света), в качестве контактных сред используются жидкости с высокими показателями преломления со значениями 1,80, 1,90, 2,00 и 2,11. Диапазон измерения показателей преломления составляет 1,40—2,10. Этот прибор разрабатывался калифорнийской фирмой "Эс-энд-Ти электро-оптикэл системе" (S&T Electro-optical Systems), однако сейчас рефрактометры с призмами из кубической окиси циркония выпускаются другими производителями.

Рефрактометры, в которых используются призмы из титаната стронция, обладают более широким диапазоном измерения показателей преломления, однако их уязвимым местом является низкая твердость (5,5) призмы, что требует очень осторожного обращения (очистки) при использовании расплава. Высокая твердость (8,5) призм из кубической окиси циркония, вероятно с лихвой, компенсирует несколько более низкий верхний предел измерения у таких приборов.

Большинство геммологов, однако, найдут, что возможностей стандартного рефрактометра, позволяющего измерять показатели преломления вплоть до значения 1,81, будет вполне достаточно для определения камней в подавляющем большинстве случаев.