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Óptica de gemas: conceptos básicos –

contenido:

  • Longitudes de onda de la luz y la óptica de las gemas
  • índice de refracción
  • Ángulo crítico
  • cristal isotrópico
  • cristal anisotrópico
  • Luz polarizada y óptica de gemas
  • cristal uniaxial
  • cristal biaxial
  • Birrefringencia en Cristales Uniaxiales
  • Birrefringencia en cristales biaxiales
  • Dispersión y óptica de gemas
  • Óptica de gemas y materiales opacos o translúcidos
  • Medición del índice de refracción usando una sola longitud de onda
  • Pleocroísmo y óptica de gemas
  • Colores inusuales en piedras preciosas isotrópicas

Longitudes de onda de la luz y la óptica de las gemas

La luz viaja en ondas, como las ondas en un estanque. Esto forma la base de la óptica de cristal y piedras preciosas.

La distancia entre las crestas o valles sucesivos de tal onda se llama longitud de onday amplitud La altura de una ola es la altura de la ola sobre la mediana (a mitad de camino entre la cresta y el valle).

En términos familiares, diferentes longitudes de onda son diferentes colores y la amplitud es la intensidad de la luz. La luz vibra en ángulo recto con respecto a la dirección de su movimiento, y las vibraciones ocurren en todas las direcciones perpendiculares a la trayectoria de la luz.

índice de refracción

Cuando la luz pasa de un medio (como el aire) a otro (como el agua), en realidad se ralentiza. Además, el camino óptico es curvo.La desviación siempre se refiere a la línea perpendicular a la interfaz entre los dos medios, llamada normal a la interfaz. En un medio donde la luz viaja lentamente, la luz siempre se desvía hacia la normal.

índice de refracción o índice de refracción igual a la razón de las velocidades de la luz en dos medios. El primer medio, normalmente el aire, establece la velocidad uniforme de la luz (1). Entonces el índice de refracción se convierte en 1/vDonde v es la velocidad de la luz en un medio más denso.

índice de refracción, a menudo abreviado norte, También suele describirse en términos del ángulo normal formado por el haz incidente o el rayo incidente y el haz refractado (propagando en un medio más denso). En estos términos, el índice de refracción es igual al seno del ángulo de incidencia dividido por el seno del ángulo de refracción.

Ángulo crítico

La luz que se propaga de un medio dado a un medio menos denso (p. ej., de un cristal al aire) puede incidir en la interfase con un ángulo tal que, en la interfase, la luz se refleja completamente de vuelta al medio más denso.El ángulo de incidencia en el que esto ocurre se llama Ángulo crítico.

Este ángulo tiene implicaciones importantes para el corte de gemas. Si una máquina de facetas corta una piedra preciosa en un ángulo que no coincide con su índice de refracción, la luz que entra en la piedra preciosa puede «filtrarse» por la parte inferior. Esto resulta en una pérdida de brillo. Sin embargo, si el ángulo de la base de la piedra es correcto, la luz se refleja completamente internamente y regresa al ojo del espectador. Esto crea el brillo más agradable. De hecho, los cortadores de gemas tallan piedras precisamente para crear este maravilloso retorno de la luz.

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cristal isotrópico

La simetría cristalina de las piedras preciosas determina sus propiedades ópticas. Por ejemplo, los cristales isométricos tienen estructuras cristalinas que son muy simétricas en todas las direcciones. Debido a esta simetría, la luz que se propaga en cualquier dirección dentro de un cristal equiaxial viaja a la misma velocidad. En este material, ninguna dirección puede ralentizar significativamente la luz. (Esto también se aplica a los materiales amorfos sin estructura cristalina, como el vidrio).Este material se llama isotrópico y se caracteriza por un solo índice de refracción, abreviado como NORTE.

cristal anisotrópico

En todos los demás cristales no equidistantes, la luz se divide en dos componentes: dos polarización la luz se llama rayos ordinarios y Rayos extraordinarios. Todos los cristales no equidistantes provocan esta división de la luz incidente, llamada Anisotropía.

Luz polarizada y óptica de gemas

Cada rayo de luz polarizado vibra en un solo plano, no en todas las direcciones perpendiculares a la dirección de propagación de la luz.

lleva el nombre de su inventor, William NicoleUna especie de nicole prisma Se puede demostrar la existencia de luz polarizada. Contiene fragmentos de calcita especialmente cortados y orientados para permitir que solo pase la luz polarizada en un solo plano. Si alinea dos prismas de Nicol con sus direcciones de polarización perpendiculares entre sí, no puede pasar ninguna luz.

Asimismo, los gemólogos pueden utilizar equipos similares como polarizador o microscopio polarizador, Prueba la dirección de polarización de la luz que pasa a través de una muestra de cristal o una piedra preciosa. Por lo general, los mineralogistas usan microscopios de luz polarizada para examinar pequeños granos minerales, no gemas. Los gemólogos prefieren usar un dispositivo polarizador más grande, generalmente un disco de plástico polaroid de 1 a 3 pulgadas de diámetro, montado en el polarizador.

cristal uniaxial

Los cristales anisotrópicos en los sistemas tetragonal y hexagonal tienen ejes cristalográficos únicos que son más largos o más cortos que los otros dos ejes del cristal. La luz que se propaga en una dirección paralela a este eje vibra en el plano de los otros dos ejes. Dado que los otros dos ejes son equivalentes, esta vibración es uniforme, similar a la vibración de la luz en un cristal isotrópico.

Si coloca un par de prismas de Nicol alineados con la luz que se propaga en esta dirección particular en un cristal cuadrilátero o hexagonal, y si gira los prismas para que las direcciones de polarización se crucen (perpendiculares), no verá la luz que sale. de la Luz de cristal.Debido a esta orientación óptica única en los cristales tetragonales y hexagonales, las piedras preciosas cristalizadas en estos sistemas cristalinos se denominan eje único.

cristal biaxial

Los cristales anisotrópicos en todos los demás sistemas contienen dos direcciones en las que la luz vibra uniformemente perpendicular a la dirección de propagación.Por lo tanto, los cristales ortorrómbicos, monoclínicos y triclínicos se denominan Doble eje. Una descripción completa del comportamiento de la luz en tales cristales es muy compleja.

Birrefringencia en Cristales Uniaxiales

En un cristal uniaxial, los rayos de luz que se propagan a lo largo del eje óptico y vibran igualmente en un plano en ángulo recto con esa dirección son rayos ordinarios. Otro tipo de rayo que vibra en un plano que contiene una única orientación de eje cristalográfico es el rayo extraordinario.El índice de refracción de estos rayos (direcciones) – especificado como (normal) y mi (Extraordinario) — es el parámetro óptico básico de las gemas uniaxiales.

si La velocidad de los rayos en el cristal es mayor que mi rayos, los cristales se llaman positivo (+).si mi Los rayos tienen mayor velocidad, los cristales se llaman negativo (-).

Esta birrefringencia En cristales uniaxiales igual a la diferencia entre los índices de refracción y mi.

Birrefringencia en cristales biaxiales

Los cristales biaxiales tienen tres ejes cristalinos distintos. También tienen dos orientaciones únicas dentro del cristal, similares a los ejes ópticos únicos en los cristales uniaxiales.Alfabeto griego alfa (a), beta (beta), y γ (gamma) representa el índice de refracción del cristal biaxial.

Alfa, el exponente más bajo, se refiere a la dirección en el cristal llamada X, que tiene la velocidad de la luz más rápida dentro del cristal. Beta, el índice medio, corresponde a la dirección cristalográfica Y y representa la velocidad del rayo medio. Gamma es el índice de refracción más alto, corresponde a la dirección cristalográfica Z y tiene la velocidad de rayo más lenta.

La birrefringencia en cristales biaxiales es igual a la diferencia entre los índices alfa y gamma.

Los mineralogistas encuentran un ángulo agudo entre dos ejes ópticos dentro de un cristal, designado como 2Cincos, un parámetro útil. Resulta que si el índice beta está exactamente entre alfa y gamma, entonces 2Cincos El ángulo es exactamente de 90°.

Finalmente, si el valor de beta está más cerca de gamma que de alfa, el cristal se llama ópticamente negativoSi el valor de beta está más cerca del valor de alfa, el cristal se llama ópticamente positivo.

Tanto el índice de refracción como la birrefringencia son parámetros útiles para caracterizar e identificar cristales. Ambos varían con la presencia de composición e impurezas, e incluso pueden variar dentro de un solo cristal.

Dispersión y óptica de gemas

Recuerda siempre que el índice de refracción es básicamente una medida relativa a la velocidad de la luz. Cada longitud de onda de luz viaja a través de un medio determinado (excepto el aire) a una velocidad diferente. Por lo tanto, cada longitud de onda tiene su propio índice de refracción.La diferencia en el índice de refracción en función de la longitud de onda se llama dispersión.

La dispersión hace que la piedra preciosa brille con color. En los diamantes, por ejemplo, la diferencia en el índice de refracción entre la luz roja y la azul es muy grande. Esto muestra dónde brillan. Cuando la luz viaja a través de una piedra preciosa tallada, varias longitudes de onda (colores) divergen. Para cuando la luz emerge finalmente de la piedra, las diversas partes de color del espectro se han separado por completo.

Los científicos reportan la dispersión como un número adimensional, lo que significa que no tiene unidad de medida. Sin embargo, hay un grado de elección en la elección de la longitud de onda que se utilizará como punto de referencia. En general, los gemólogos se refieren a la dispersión de una piedra preciosa como la diferencia en el índice de refracción entre la línea B y la línea G de Fraunhofer. Las líneas de Fraunhofer son líneas espectrales observadas en el espectro solar a 6870 y 4308 angstroms, respectivamente.

El espectro solar con líneas de Fraunhofer que aparecen visualmente. imagen es de dominio público.

Un angstrom (Å) es igual a una mil millonésima parte de un metro, y los científicos lo usan para medir la longitud de onda de la luz. También utilizan nanómetros (nm), mil millonésimas de metro o 10 Å.

Red de dispersión Hartmann

En algunos casos, la información sobre la dispersión de las piedras preciosas no existe en la literatura gemológica. Sin embargo, la literatura mineralógica puede tener datos de índice de refracción medidos en algunas longitudes de onda diferentes (excluyendo las longitudes de onda B y G).En este caso, los gemólogos pueden calcular la dispersión usando un tipo especial de papel cuadriculado llamado Red de dispersión de Hartmann. En este tipo de papel logarítmico, los índices de refracción para longitudes de onda específicas se pueden trazar cubriendo todo el rango útil. Un gemólogo puede extrapolar dichos gráficos lineales a la ubicación de las líneas B y G.

Óptica de gemas y materiales opacos o translúcidos

En algunos casos, como con materiales opacos o translúcidos, Refractómetro El índice de refracción por sí solo no se puede medir con precisión. En su lugar, el instrumento solo mostró una línea borrosa que representaba el índice promedio del material. Aún así, el número indica lo que un gemólogo podría esperar encontrar durante una inspección de rutina.

Medición del índice de refracción usando una sola longitud de onda

Los refractómetros miden efectivamente todos los índices de refracción (todas las longitudes de onda de la luz) simultáneamente. Los gemólogos pueden realizar mediciones más precisas eligiendo solo una longitud de onda.Por lo general, eligen la línea espectral (amarilla), llamada Dque caracteriza el espectro de emisión del sodio.

Pleocroísmo y óptica de gemas

Los cristales pueden absorber la luz de diferentes maneras cuando pasan en diferentes direcciones. A veces, la diferencia está solo en el grado o la fuerza de absorción. En otros casos, sin embargo, la absorción en diferentes direcciones de diferentes longitudes de onda de la luz transmitida produce color.Este fenómeno se llama pleocroísmo.

Para los materiales uniaxiales, dado que solo tienen dos orientaciones ópticas diferentes, los gemólogos llaman a este fenómeno dicroísmoOtros materiales no isotrópicos tienen tres direcciones ópticas diferentes, por lo que pueden mostrar tricromacia.

Los colores policromáticos a veces pueden aparecer muy distintos e intensos. Esto puede hacerlos útiles para la identificación de piedras preciosas.

Colores inusuales en piedras preciosas isotrópicas

Dado que las piedras preciosas isotrópicas no afectan la velocidad o las propiedades de la luz que pasa a través de ellas de manera diferente según la dirección en la que viajan, estos materiales nunca muestran pleocroísmo. Sin embargo, a veces los materiales isotrópicos pueden exhibir colores inusuales en luz polarizada. En general, estos efectos se atribuyen a la tensión del cristal, aunque la evidencia sustancial sugiere que la disposición ordenada de los átomos en posiciones específicas del cristal es una causa más probable.

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