Что такое дисперсия в бриллианте
Что такое дисперсия в бриллианте
Преломление света происходит на границе воздух-камень при входе светового луча в камень или при выходе из него. Показатель преломления воздуха принят равным 1, а показатель преломления алмаза равен 2.42, что делает алмаз одним из самых высокопреломляющих прозрачных минералов. Именно большая разница в показателях преломления воздуха и алмаза заставляет луч света при пересечении границы воздух-алмаз сильно изменять направление. Свет преломляется таким образом, что угол его падения в воздухе больше угла преломления в бриллианте (по отношению к нормали границы «воздух-алмаз»). Соответственно, при выходе из бриллианта в воздух луч света больше отклоняется от нормали. Начиная с определенного угла, свет, пройдя в бриллианте до границы с воздухом, отражается целиком в бриллиант. Такой угол называется критическим и для алмаза равен 24,5 градуса. 
В бриллианте, у которого соблюдены пропорции и углы, свет, входящий в бриллиант через грани короны, дважды полностью отражается от граней павильона по закону полного внутреннего отражения и выходит через корону камня (в глаз наблюдателя). Благодаря этому свойству бриллиант не пропускает свет «насквозь», в отличие от большинства имитаций. Преломленный в бриллианте свет, выходя наружу, смешивается с отраженным. Иногда блеском называют смесь отраженных и преломленных лучей. Для описания доли света, возвращаемой в наш глаз, по сравнению с количеством падающего света, применяется термин «сверкание» или «бриллианция».
Дисперсия выражается в способности камня разлагать белый луч света на спектральные составляющие, и на практике выглядит в виде выходящих из камня красных, зеленых, синих и т.д. цветных лучей. Это свойство также постоянно для каждого вещества и определяется различной величиной показателя преломления для лучей разных цветов (Рисунок 3), причем показатель преломления для фиолетового луча больше, чем для красного. Величина дисперсии для алмаза равна 0,044, и это также одно из самых высоких значений среди минералов. Любой луч белого света, проходя через бриллиант, разлагается на спектральные составляющие, но для того, чтобы дисперсия луча была заметна глазом, нужно, чтобы часть лучей после разложения на спектр вышла из камня наружу, а часть отразилась в бриллиант. Такое условие выполняется далеко не для всех лучей в бриллианте, поэтому большинство лучей, выходящие из бриллианта, белые, и только меньшая часть – цветные. Чем длиннее путь, который луч света проходит в бриллианте в результате многократных переотражений, тем больше расходятся цветные лучи и тем сильнее проявляется дисперсия. Как следствие, крупный бриллиант будет «играть» сильнее, чем мелкий.
Термины «игра» или «огонь» используются для характеристики тех разноцветных лучей, которые человек видит как результат дисперсии света в бриллианте.
Явление, возникающее, если бриллиант, источник освещения или наблюдатель приводятся в движение. В этом случае вся картина белых и цветных участков в бриллианте начинает сложным образом изменяться: различные грани камня то вспыхивают, то угасают, различные цвета игры сменяют друг друга. Для человека такая изменяющаяся во времени картина является эстетически привлекательной, и поэтому всю красоту бриллианта трудно оценить в неподвижном состоянии.
Итоговое впечатление от бриллианта определяется совокупностью отражения, преломления, дисперсии и поглощения, и воспринимается как блеск, сверкание, игра, цвет. Человеческое восприятие оптических свойств бриллианта можно представить в виде следующей схемы:
Бриллиантовый блеск
Важнейшими характеристиками бриллианта является их «игра» и блеск, ведь именно за эти качества данные камни так высоко ценятся и так любимы. Что влияет на блеск и яркость ограненного бриллианта? Огранка или финишная обработка играют важнейшую роль? На самом же деле, если алмаз имеет дефекты прозрачности и оптических свойств, то никакая полировка и огранка не смогут это компенсировать.
Оптические характеристики бриллианта
Оптические характеристики бриллианта подразумевают следующие явления:
Основными оптическими характеристиками драгоценных камней являются дисперсия и коэффициент преломления. Рассмотрим же их подробнее.
Коэффициент преломления
Коэффициентом преломления является отклонение луча света от своей траектории при пересечении поверхности и границы воздуха, и у разных видов камней он различный. При прохождении любого препятствия замедляется скорость светового луча, он проходит в камень и отражается от атомов кристаллической решетки, расщепляясь на цвета. От коэффициента преломления зависит блеск камня. Выше коэффициент преломления – ярче блеск.
Бриллиант не является камнем с самым высоким коэффициентом преломления света. Он выше у гематита, рутила, муассанита, прустита, анатаза и куприта.
Сравним с бриллиантом коэффициент преломления света у таких камней, как танталит, сфалерит, ванадинит, вульфенит.
Уступают в коэффициенте преломления света бриллианту такие камни, как церуссит, фианит, циркон, андрадит, касситерит, пурпурит.
Дисперсия
За «игру» камня отвечает дисперсия. Чем сильнее расщепляется световой луч, тем выше дисперсия.
У алмаза дисперсия составляет 2,417. Именно она позволяет нам видеть на гранях камня «огненные вспышки» и «игру». Именно поэтому алмазы гранят по особо сложной технологии, чтобы явить его «игру» света во всей красе. Камням с низкой дисперсией сложная огранка не требуется, так как от нее блеска и «игры» не прибавится.
Дисперсия проявляется в полную силу при воздействии искусственного освещения, а вот при дневном свете «игры» камня не видно. Именно по этой причине в ювелирных магазинах используется сильная подсветка, под воздействием которой камень начинает переливаться и «гореть».
По дисперсии бриллианты превосходят муассаниты, андродиты, ванадиниты, сфалериты, вульфениты, церусситы, брукиты, танталиты, цинкиты.
Сравниться по «игре» с бриллиантами могут англезиты, шеелиты, диоптазы, цирконы, смитсониты.
Слегка уступают бриллиантам гранат, гроссуляр, спессартин, альмандин.
Значительно уступают рубин и сапфир.
Автор: Озерова Юлия.
Дата публикации: 30.10.2012
Дата обновления: 18.10.2016г. Виктория Голдина.
Перепечатка запрещена. Авторские права охраняются законом.
Вы можете приложить к своему отзыву картинки.
Физические свойства алмаза
Минерал алмаз по сути представляет собой одну из многочисленных модификаций углерода. Физические свойства алмаза определяются внутренним строением кристалла.
Как и другие минералы, физические свойства алмаза оцениваются по следующим критериям:
Твердость алмаза
По шкале Мооса твердость алмаза является максимальной и равна 10.
Следующим после алмаза по твердости в шкале идет корунд со значением 9. Но его абсолютное значение твердости в 150 раз меньше чем у алмаза – что говорит об абсолютном лидерстве алмаза в этом отношении.
Существуют и другие способы определения твердости, но оценка по Моосу (царапание минерала другим минералом-эталоном) оказалась наиболее простой и наименее разрушительной методикой, которая широко используется и в настоящее время.
Твердый — значит не сломать?
Твердость алмаза не одинакова в разных направлениях кристалла. На этом основана распиловка, огранка и шлифовка алмазов. Высокая твёрдость обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Одновременно с твердостью, алмаз является достаточно хрупким, что несколько ограничивает его применение. Под воздействием сильного удара алмаз легко раскалывается по плоскостям, параллельным граням правильного октаэдра.
Плотность (удельный вес) алмаза
Удельный вес (плотность) алмаза находятся в промежутке 3,417-3,55 гр/см3. Это достаточно много, и высокая плотность в том числе влияет на прочность данного минерала.
Удельный вес тела есть отношение его веса к весу чистой воды равного объема.
Таким образом, при одинаковых объемах, алмаз весит примерно в 3,52 раза больше чем вода.
Коэффициент преломления и дисперсии алмаза
Характерный блеск и «огонь» ограненных и отполированных алмазов (бриллиантов) обусловлен очень высоким показателем преломления (от 2,417 до 2,421) и сильной дисперсией (0,0574).
Для справки: светопреломление – это отклонение направления светового луча при вхождении в другую среду, где свет резко меняет свою скорость. Дисперсия – это различия в показателе преломления в зависимости от цвета (длины волны) применяемого освещения.
Рис.1: Схематичное изображение дисперсии:
Рис.2: Игра «огня» в бриллианте
Алмаз имеет показатель преломления 2,42, что является самым высоким среди всех драгоценных камней, используемых в ювелирном деле. Именно поэтому мы имеем удовольствие наблюдать такие свойства камня бриллиант, как сверкающий, алмазный блеск.
Уникальное сочетание дисперсии с высоким преломлением и твердостью алмаза, позволяющего отполировать его грани без малейших изъянов, составляет именно тот уникальный набор свойств, который позволил занять алмазу вершину в мире драгоценностей.
Другие физические свойства алмазов
Алмаз характеризуется аномально высокой теплопроводностью, которая составляет 900—2300 Вт/(м·К) и является наивысшей среди всех твердых тел. Это свойство позволяет рассматривать алмаз в качестве перспективного полупроводника (конечно, при условии, что будут разработаны достаточно дешевые методы производства синтетических алмазов). Существующие в настоящее время кремниевые полупроводники могут работать до 100°С, в то время как алмазные микросхемы будут работоспособны при гораздо более высоких температурах.
Из прочих свойств можно отметить, что алмаз не растворяется в кислотах и щелочах, является диэлектриком, обладает очень низким коэффициентом трения по металлу на воздухе (0,1) что объясняется образованием на поверхности алмаза тонких плёнок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Под действием дневного света и особенно ультарфиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться голубым, желтым и зеленым цветом, под действием катодных лучей проявляется люминесценция бледно-голубым цветом, под действием рентгеновских лучей – синеватым. Алмазы обладают свойством прилипать к некоторым жировым смесям. Это свойство широко используется для извлечения алмазов на обогатительных фабриках.
Температура плавления алмаза составляет 3700—4000 °C при давлении 11 ГПа. На воздухе алмаз начинает горение при 850°C. В струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720—800 °C, полностью превращаясь в углекислый газ. Нагревание алмаза без доступа воздуха приводит к его частичному переходу в графит при температурах выше 1500°С. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз переходит в графит за 15-30 минут.
Оптические эффекты: цвет и свет, или почему бриллиант не самый-самый
Твердость драгоценного камня, конечно же, очень важный параметр для определения его ценности, в особенности – для определения его практичности в качестве детали украшения. Но все же твердость – параметр не самый важный. Мы уже говорили, что важнейшим параметром является цвет. Также важны такие характеристики, как яркость и блеск ограненного полированного камня, его «игра».
И яркость с блеском, и игра зависят от качества огранки и полировки. Но при идеальном качестве механической обработки камня эти параметры зависят только от оптических свойств каждого конкретного минерала. И вот в этих категориях бриллиант хоть и располагается в числе «лидеров», но среди них – далеко не первый!
Прежде чем познакомиться с конкурентами бриллианта в категориях «яркость, блеск» и «игра», следует все же немного разобраться в сущностях света и цвета.
Известно, что в природе не существует только двух цветов – черного и белого. Идеальный черный цвет означает полное отсутствие, какого бы то ни было, цвета. Идеальный белый цвет означает наложение (сложение) всех возможных оттенков в один момент времени в одной точке пространства. Ничего идеального в природе не существует, и идеальные черный и белый цвета невозможны!
Любой предмет, который наш глаз видит черным, на самом деле обладает каким-то конкретным оттенком, просто тон этого оттенка исключительно, экстремально темный.
От любой поверхности луч света может отражаться, при этом разлагаясь на составляющие его спектра. Причем лишь часть спектра света при контакте с поверхностью отражается, другая часть поглощается. Полного отражения в природе не существует. Наш глаз наблюдает отраженные от поверхности лучи. Их «суммарный» спектр, или цвет, мы как раз и видим. Примерно так образуется для нашего глаза цвет непрозрачных объектов, в том числе и камней.
Цвет прозрачных для света камней формируется из суммы спектров отраженного и прошедшего через камни света, за «вычетом» поглощенной части.
Большинство драгоценных камней прозрачны, то есть лучи света проходят сквозь них, сквозь толщу камня. При путешествии луча света через камень с ним случаются всякие разные «приключения». Основным результатом этих «приключения» является то, что никогда, ни при каких обстоятельствах, луч не покидает камень в неизменном виде.
В перечне основных оптических характеристик драгоценных камней, которые всегда приводятся в описаниях, являются коэффициент преломления и дисперсия. Вот о них и поговорим подробнее.
Что такое «коэффициент преломления» и «дисперсия», и как их понимать?
В ответ на вопрос, что такое «коэффициент преломления света», практически любой человек почти сразу ответит что-то типа «насколько луч света в камне отклоняется от прямой линии»… Логика понятна, мы все знаем, что луч света распространяется всегда прямо! Об особых условиях, типа наличия рядышком черной дыры, способной за счет сверхмощной гравитации искривить луч света, мы говорить не будет в виду отсутствия поблизости таких черных дыр.
Представьте себе такой пример: Вы идете по дороге со скоростью 5 км/час. При прочих идеальных условиях на каждый шаг Вам требуется определенное и неизменное усилие. А теперь попробуем двигаться со скоростью 5 км/час, будучи по шею в воде! Чтобы сохранить скорость, Вам потребуется значительное увеличение усилий! Если усилия не менять, скорость значительно упадет, то есть вода затормозит Ваше движение.
Когда луч света движется в идеальном вакууме, его скорость составляет 300000 км/сек. Но когда луч света движется не в вакууме, он «натыкается» на атомы и молекулы вещества. И эти атомы и молекулы тормозят луч света. Коэффициент преломления, или «индекс преломления», как принято говорить в англоязычном мире, является значением, обозначающим снижение скорости продвижения луча света в конкретном веществе/предмете. Коэффициент преломления дистиллированной воды равен 1.333, что означает – луч света движется в воде в 1.333 раза медленнее, чем в вакууме.
Понятное, что способность вещества замедлить свет зависит от его химического состава. Но не только! От структуры вещества тоже зависит очень много! И вода, и лед имеют одинаковый состав, но коэффициент преломления у льда составляет уже 1.313, а коэффициент 100%-но насыщенного водяного пара составляет 1.0002. А ведь и вода, и лед, и пар имеют совершенно одинаковый химический состав.
Можно привести и другой пример, очень близкий и понятный любителям камней и минералов. У самого обычного чистого кварца усредненный коэффициент преломления – 1.548. однако если тот же кристалл кварца расплавить, а затем охладить до комнатной температуры, то у перекристаллизовавшегося кварца коэффициент преломления составит уже примерно 1.456. У разновидностей кварца – опалов, содержащих от 1 до 20% воды, коэффициент преломления колеблется от 1.40 до 1.46. Чем больше воды в составе, тем ниже коэффициент преломления.
Кроме того, что происходит замедление движения луча, действительно меняется и его направление. Понять это несложно – если у Вас на пути окажется столб, Вам его придется обойти. Атом для луча света также является препятствием, и луч, «наткнувшись» на атом, отклоняется и меняет траекторию своего движения.
Выше мы уже упоминали, что любое непрозрачное вещество частично отражает свет, частично его поглощает. Поглощенная атомом часть луча света просто «исчезла», а отраженная часть луча, изменив свою траекторию, ушла дальше. Но сам по себе луч уже изменился, изменился его спектр.
«Гуляя» внутри камня, бесчисленное множество раз отражаясь от атомов, составляющих структуру камня, свет расщепляется на составляющие. Основных спектральных составляющих белого света, напомню, 7 (Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан). Насколько сильно условно «белый» свет расщепляется на составляющие, описывает параметр «дисперсия».
Если значение дисперсии высокое, это значит, свет расщепляется сильно, если значение дисперсии низкое, значит, свет расщепляется слабо.
Значения коэффициента преломления и дисперсии описывают очень важные параметры внешнего вида драгоценного камня.
Чем выше коэффициент преломления, тем ярче блеск камня. Чем больше луч света замедлился в камне, тем сильнее заметна разница между ним и другим, незамедлившимся лучем, и эта разница как раз и проявляется в наблюдаемом нами блеске.
Высокая дисперсия не всегда и не обязательно сопутствует высокому коэффициенту преломления. Ни по одному из описанных параметров бриллиант не является лучшим среди драгоценных камней.
Камни, которые «ярче блестят и играют сильнее» по сравнениею с бриллиантами или, как минимум, с бриллиантами конкурируют.
Камни, у которых коэффициент преломления выше, чем у бриллианта:
Гематит, Куприт, Прустит, Муассанит (синтетический), Рутил, Анатаз. Эти камни блестят ярче бриллианта.
Камни, у которых коэффициент преломления сравним с таковым у бриллианта, или же усреднённый коэффициент ниже, но верхнее его значение при двулучепреломлении превышает или сравнимо с коэффициентом преломления у бриллианта:
Очень близко к бриллиантам «подобрались», имея коэффициенты преломления хоть и ниже бриллиантового, но настолько высокие, что их невозможно определить с помощью стандартного рефрактометра с максимальным значением шкалы 1.89:
По показателю дисперсии бриллиант уступает следующим камням:
Анатаз, Вульфенит, Ванадинит, Сфалерит, Танталит, Брукит, Цинкит, Муассанит, Касситерит, Повеллит, Андрадит, Церуссит, Сфен, Бенитоит. Игра у этих камней, в случае идеальной огранки и полировки сильнее, чем у любого самого лучшего бриллианта.
Сравнимы с бриллиантом по игре или мало ему уступают:
Англезит (дисперсия как у бриллианта), Циркон, Шеелит, Смитсонит, Диоптаз. Не очень сильно уступают бриллиантам по игре гранаты спессартины, альмандины и гроссуляры. А вот, к примеру, корунды (сапфиры и рубины) по игре значительно уступают всем перечисленных выше камням, даже у гранатов альмандинов и гроссуляров дисперсия в полтора раза выше, чем у сапфиров и рубинов!
Дисперсия и многоцветный блеск камней. Алмаз, сфен, циркон и демантоид
Как получается что дисперсия у циркона бывает выше чем у бриллианта?
Дисперсия, а точнее многоцветный блеск у циркона, демантоида и особенно сфена несколько выше, чем у бриллианта.
Дисперсия алмаза = 0.044
Дисперсия сфена = 0.051
Дисперсия демантоида (граната андрадита, с хромофором Cr) = 0.057
Дисперсия Гроссуляра (цаворита) = 0.032
Поясним. Многоцветный блеск ограненного камня зависит НЕ ТОЛЬКО от значения дисперсии, которая характеризует разницу в угловых отклонениях лучей света при преломлении. Многоцветный блеск СИЛЬНО ЗАВИСИТ И ОТ ЦВЕТА КАМНЯ. Так как свет с разными длинами волн отклоняется на границе сред по-разному (собственно, это и есть явление оптической дисперсии).
Поэтому многоцветность правильно ограненных сфена, демантоида и гроссуляра (в случае граната Мали) много выше, чем многоцветность алмаза. Интересно, что многоцветность зеленого алмаза также выше, чем радужная игра бесцветного камня. И еще. Известно, что многоцветный блеск хуже всего проявляется в коричневых алмазах. В коричневых андрадитах его тоже нет, так что такой камень не стоит называть демантоидом. Плохо играет и желтый бриллиант, особенно, если усиливаются оттенки песочного цвета.
Наконец, стоит отметить, что на практике все еще более сложнее. Рассмотрим три граната андрадита. Один из Дальнегорска, другой с реки Бобровки (Урал) и третий из Антетезамбато (Мадагаскар).
Радужный блеск выше всего у Мадагаскарских коричнево зеленых камней.
У камней примерно такого же цвета с Уральского месторождения многоцветный блеск много ниже, чем у мадагаскарских разностей.
Наконец, радужный блеск у Дальнегорских коричнево зеленый камней практически отсутствует.
Известно также, что концентрация хрома выше всего в Мадагаскарских демантоидах. Поэтому можно, конечно, связать блеск с этой примесью. На самом деле все сложнее. Ограненный камень проявляет максимум многоцветного блеска для длины волны, соответствующей примеси хрома в андрадите.
Но и это еще не все. Если в гроссуляр «добавить» хотя бы немного андрадита в виде твердого раствора (Гранат Мали), то и гроссуляр превращается в самый настоящий демантоид с многоцветным блеском.
Так что для геммологов здесь поле не паханное. Жалко, что они русского не знают. А те, что знают исследовать ничего не могут. Нет ни приборов, ни финансирования, а иногда и знаний совсем нет. Успехов Артур и спасибо за вопрос.
А у гранатов » Мали» дисперсия выше у зеленых или у коричневых?
И в случае цаворитов у светлых дисперсия выше чем у темных?
У коричневых и коричневатых гранатов Мали многоцветный блеск гораздо выше, чем у желтых. Это точно.
По поводу двух других Ваших вопросов точного ответа не знаем. Кажется, у светло-зеленого цаворита многоцветье выше. Не точно.
По вопросам приобретения драгоценных камней для ювелирных украшений:
ВНИМАНИЕ! РАБОТАЕМ ТОЛЬКО ПО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСИ.
8 968 750 10 00 Татьяна
8 963 750 34 34 Елена
По вопросам приобретения камнесамоцветного сырья, коллекционных минералов и элементов декора: