Optikai tulajdonságok.
Az ásványoknak a fénnyel szemben való viselkedésük, vagy is optikai tulajdonságaik ismerete az ásványok felismerésében és meghatározásában a legbiztosabb segédeszköz. A vizsgálatok elvégezéshez azonban optikai műszerekre és elsősorban polarizációs mikroszkópra van szükségünk.
A fénysugarak visszaverődése és törése. Színszórás (diszperzió):
Ha valamely átlátszó test fényes felületére ferdén fénysugár esik, a sugár egy része visszaverődik, más része a testbe behatolva, tovább folytatja útját, de az eredeti irányától eltérítve. A testbe behatoló sugár tehát megtörik. A fény beesési pontjában a felületre állított merőleges a beesési merőleges, amely a beeső sugárral a beesési szöget, a megtört sugárral pedig a törési vagy refrakciós szöget zárja be. A beesési szög mindig egyenlő a visszaverődés szögével. A beesési szög szinusza úgy aránylik a törési szög szinuszához, mint a fény terjedési sebessége a beeső sugár közelében aránylik a fény terjedési sebességéhez a megtört sugár közegében. E két érték viszonya ugyanazon két közegre vonatkozóan mindig állandó szám. Ha a fény terjedési sebessége az egyik közegben V, a másikba v, akkor sin(i) / sin(r) = V/v. Ha az egyik közeg a levegő és ebben a fény terjedési sebességét 1-nek vesszük, akkor sin(i) / sin(r) = 1/v, ahol 1/v azt fejezi ki, hogy a második közegben a fény terjedési sebessége hányadrésze a levegőben való terjedési sebességnek és ezt a számot törésmutatónak, vagy törési együtthatónak nevezzük. Valamely testnek a levegőre vonatkoztatott törésmutatója tehát n= sin(i) / sin (r).
Mivel a törésmutató az egyes ásványokra nézve rendkívül jellemző, állandó szám, meghatározása az ásványok felismerésében és azonosításában igen hasznos segédeszköz. Sok esetben a kő fényéből már következtethetünk a fénytörés nagyságára, mert minél nagyobb valamely ásvány törésmutatója, annál erősebb a fénye.
Ez az oka, hogy egy színtelen topáz amelynek törésmutatója 1.62 – 1.63, erősebb fényű, mint a kisebb törésmutatójú hegyikristály, amelynek 1.55 – 1.56. A színtelen zafír (1.77), viszont erősebb fényű, mint a topáz, viszont mindezeknél nagyobb törésmutatójú gyémánt (2.419) a legerősebb fényű, olyannyira, hogy az összes átlátszó drágakövet túlszárnyalja.
Meg kell jegyeznünk, hogy a különböző színű fénysugarak különböző mértékben törnek meg, ezért a törési együttható meghatározását egyszínű (monokróm) fényben szokták elvégezni. A legkevésbé törik meg a vörös sugár, legjobban pedig az ibolya, a törésmutató az ibolyára nagyobb lesz, mint vörösre. Így pl. a gyémánt törésmutatói a különböző színekre vonatkozóan a következők: vörös: 2.407, sárga: 2.419, zöld: 2.426, ibolya: 2.464.
A legnagyobb, illetve a legkisebb törésmutató közt a különbség a gyémántban tehát 0.057 és a különbség adja a színszórás, vagy diszperzió mértékét. A csiszolt gyémánt csodálatos színszórása, „tüze” magas fokú diszperziójában rejlik. A kvarc diszperziója csak 0.011 és éppen ezért a csiszolt kvarcféleségekben hiányzik a gyémántra annyira jellemző ragyogás.
(Az igen ritka kalcium titán szilikát, titanit, vagy más néven szfén meglehetősen puha, a Mohs skálán 5-ös keménységű drágakő, ámde igen nagy törésmutatója 1.921 – 1.927 és a gyémántnál is magasabb diszperziója 0.051 (gyémánt: 0.044) miatt rendkívül közkedvelt ritkaság és kedvelt ékszerkő, mint ez a 41 karátos, Madagaszkárról származó, gyémántokkal körbevett darab. AlleGem gyűjtemény.)
Teljes visszaverődés, vagy totálreflexió:
Ha a fénysugár optikailag ritkább közegből sűrűbbe lép, akkor eredeti irányától a beesési merőleges felé törik, vagyis a beeső fénysugár a ritkább közegben a beesési merőlegessel nagyobb szöget zár be, mint a megtört fénysugár. Ha sűrűbb közegből ritkábba lép, akkor a beeséséi merőlegestől törik, vagyis akkor a beesési merőlegessel nem a belépő, hanem a megtört fénysugár alkotja a nagyobb szöget. Egy bizonyos nagyságú beesési szögnél tehát előállhat az az eset, hogy a megtört sugár éppen a határfelületen siklik végig, azaz a törési szög éppen 90 fok lesz. Ha pedig ennél a beesési szögnél is nagyobb szög alatt érkezik egy fénysugár, akkor az már nem tud a másik közegbe áthatolni, hanem teljesen vissza fog verődni a beesési szöggel egyenlő szög alatt. E jelenség neve teljes visszaverődés, vagy totálreflexió.
A teljes visszaverődés a csiszolt drágakövek felületén mindenütt tapasztalható, ahol a drágakőből, mint optikailag sűrűbb közegből, a fény a kő határlapján a levegőbe kilép. Minél nagyobb az ásványnak a levegőre vonatkoztatott törésmutatója, annál erősebb a teljes visszaverődés, ami pedig nagy mértékben hozzájárul a kő fényének, tüzének és színszórásának emeléséhez. Ennélfogva a teljes visszaverődés jelenségei is a legnagyobb törésmutatójú gyémánton jelennek meg a legnagyobb mértékben.
A teljes visszaverődésnél is vannak színszórási jelenségek. Mivel a teljes visszaverődés és színszórás jelenségei rendkívül fontosak a drágakövek fényének, tüzének előidézésében, a csiszolásnál nagy súlyt helyeznek arra, hogy ezek a jelenségek minél jobban érvényre jussanak.
Kettőstörés:
A fény a szabályos rendszerbe tartozó kristályokon és átlátszó, amorf testeken minden irányban egyenlő sebességgel halad keresztül. Ha pl. egy ilyen test belsejébe egy világító pontot képzelünk, akkor a világító pontból kiinduló fénysugarak, minden irányban egyenlő sebességgel haladnak és egy bizonyos meghatározott idő alatt minden egyes fénysugár egyenlő utat tesz meg. Azokat az ásványokat, amelyek belsejében a fénysugarak minden irányban egyenlő sebességgel haladnak, optikailag izotróp anyagoknak nevezzük. Ilyenek a szabályos rendszerbeli kristályok (gyémánt, spinell, gránát, stb.) és az amorf testek (opál, borostyán, moldavit). Tehát, ha a fénysugár valamely optikailag izotróp ásványba hatol, abban, mint egyszerű megtört fénysugár folytatja útját, az ilyen ásvány egyszerűen fénytörő.
A többi kristályrendszer ásványai optikailag anizotrópok. Az ezekbe ferdén behatoló fénysugár nemcsak egyszerűen megtörik, hanem ketté is válik és mint két különböző sugár folytatja útját, mindegyik különböző sebességgel. Ez a jelenség a kettőstörés és különösen jól a kalcitban figyelhető meg, így az átlátszó kalcitkristályon keresztül a tárgyakat kettőzve látjuk.
Kettőstörésnél a két sugár közül az egyiknek a sebessége minden irányban egyenlő, ez a rendes, vagy ordinális fénysugár, a másiknak a sebessége a különböző irányokban eltérő, ezek az úgynevezett extraordinális sugár. Az optikailag anizotróp testekben van egy, vagy két olyan irány, amelyben nincs kettőstörés, amely irányban tehát a fény úgy viselkedik, mint az izotróp ásványok belsejében, ezt az irányt optikai tengelynek nevezzük.
A négyzetes és hatszöges kristályrendszerbe tartozó ásványokban egy ilyen irány van, és ez egybeesik a kristálytani főtengely irányával, ezek az úgynevezett optikailag egytengelyű ásványok. Ha ezekben a kristályokban a rendes sugár sebessége kisebb, mint a rendkívülié, akkor a kettőstörést negatívnak nevezzük, ellenkező esetben a kettőstörés pozitív. Természetes, hogy a kettősen törő ásványokban a két különböző sebességgel haladó sugár törésmutatója is különböző. A két törési együttható (rendes és rendkívüli) különbsége adja a kettőstörés nagyságát. Így az egyes ásványok lehetnek erősen, vagy gyengén kettőstörők.
A rombos, egyhajlású és háromhajlású rendszerekbe tartozó ásványok szintén anizotrópok. A belsejükbe hatoló fénysugár, mint két megtört sugár halad végig, mindegyik különböző sebességgel. De ezek a kettősen törő ásványok optikailag abban különböznek lényegesen a hatszöges és négyzetes ásványoktól, hogy belsejükben két olyan irány van, amelyekben a fény úgy terjed, mint az izotróp testekben, vagyis két irányban nincs kettőstörés. Ezek az úgynevezett optikailag kéttengelyű ásványok.
A kéttengelyű kristályok belsejében egy legkisebb (alfa), legnagyobb (gamma) és egy köztes fénytörés van (béta), és a legnagyobb és legkisebb törésmutató különbsége fejezi ki a kettőstörés nagyságát.
Fényelnyelés (abszorpció), pleokroizmus:
A testekbe behatoló fénysugár a testen való keresztülhaladása közben többé-kevésbé veszít erősségéből. A fényerősségnek ezt a csökkenését fényelnyelésnek, abszorpciónak nevezzük. A fényelnyelés különböző színű sugarakra nézve különböző lehet. Ha csak igen kis mértékű és a különböző színű sugarakra nézve közel egyenlő, akkor az illető test színtelen és átlátszó, ha azonban igen nagyfokú, akkor a test átlátszatlan, opak. Ha a fényelnyelés valamely testben bizonyos színű sugarakra nézve erősebb, mint egy más színű sugárra nézve, akkor az illető test színét a nem abszorbeált sugarak adják, mert csak ezek hatolnak át rajtuk.
Az ásványok színe tehát áteső fényben a különböző színű sugarakra gyakorolt fényelnyelő képességüktől függ. A fényelnyelés fokára hatással van a fénysugarat keresztül bocsátó ásvány testének a vastagsága is. A vastag kristálylemez több fényt abszorbeál, mint a vékony, ezért a vastagabb lemez sötétebb színű, mint a vékony.
Az optikailag izotróp ásványok fényelnyelő képessége minden irányban egyenlő. A kettősen törő, optikailag anizotróp ásványokban azonban a kettőstörés folytán keletkezett két sugár irányában különböző lehet a fényelnyelőképesség. Mivel a szín az abszorpciótól függ, az ásvány a két sugár irányában különböző színű lehet. Ez a jelenség a pleokroizmus és megnyilvánulása abban áll, hogy az erősen pleokrós, anizotróp ásványok különböző irányban, különböző színűek. Ez a különböző szín lehet egy és ugyanazon színnek sötétebb és világosabb árnyalata, amikor a két sugár fényelnyelő képessége csak abban különbözik egymástól, hogy ugyanarra a színre nézve, különböző mértékű, vagy lehet teljesen eltérő színű. Az előbbire igen jó példa lehet a drágakövek közül a rubin. Ha egy rubinkristályon a főtengely irányában nézünk keresztül, sokkal sötétebb piros színt tapasztalunk, mint az erre merőleges irányban. Mivel a drágakövek csiszolásakor nagy hangsúlyt helyeznek arra, hogy a csiszolás minél előnyösebb színben tüntesse fel a követ, a rubin csiszolása úgy történik, hogy a fő csiszolt lap (tábla) a kristály bázislapjával legyen párhozamos és így a legszebb piros szín jusson érvényre (lásd a képen: „A”).
A turmalinban a rendes sugár abszorpciója szintén jóval nagyobb, mint a rendkívüli sugáré. Ezért sok turmalin a főtengely irányában nagyon sötét és nem elég átlátszó, az ilyen turmalinokat úgy csiszolják, hogy a drágakő felső táblalapja a kristály főtengely irányával párhuzamos legyen, mert így érhető el a legszebb színhatás. (Lásd a képen: „B”
Különösen feltűnő a pleokroizmus jelensége azokban az ásványokban, amelyekben a két sugár fényelnyelő képességében nemcsak fokozatbeli, hanem színbeli különbség is van. Így van olyan turmalin, amely a rendes sugár irányában sötétzöld, a rendkívüliében vöröses ibolya, ezek az úgynevezett görögdinnye turmalinok. De van olyan is, amely az egyik irányban kék, a másikban halványvörös. A turmalin egy optikai egytengelyű ásvány, amelyben két fő színt különböztetünk meg. Optikailag egytengelyű az említett rubin is.
A két optikai tengelyű kristályokban három fő színt különbözetünk meg. Ezek között különösen igen erős a pleokroizmus a drágakőnek is használt, rombos rendszerbe tartozó cordierit, vagy dikroit nevű ásvány, más néven az iolit. A bázislapon sötétkék, a harántlapon világoskék és az oldallapon sárgásszürke színű. Az ékkőnek megcsiszolt ioliton a különböző irányokban való színbeli különbségek igen szépen érvényesülnek és a drágakő meghatározásában is nagy segítségünkre lehet. Különösképpen például a színben igen hasonló és akár megtévesztésből zafír helyett kínált ioltot lehet eképpen jól megkülönböztetni nála igencsak értékesebb drágakőtársától.
(Iolit, 1.75 karát, Srí Lanka, AlleGem gyűjtemény.)
(Zafír, 1.16 karát, Srí Lanka, AlleGem gyűjtemény.)
