شکست مضاعف، جذب و چند رنگی در کانی‌ها

در مقابل بلورهایی که شکست ساده دارند، بلورهایی وجود دارند که در آنها شکست مضاعف روی می‌دهد. شکست مضاعف یک عامل مشخصه بلورهاست. به طور کلی باید گفت که بلورهایی در سیستم کوبیک متبلور می‌شوند و همچنین شیشه دارای شکست ساده بوده و دیگر بلورها که در شش سیستم دیگر (هگزاگونال، تتراگونال، تری گونال، اورتورومبیک، منو کلینیک و تری کلینیک) متبلور می‌شوند دارای خاصیت شکست مضاعف می‌باشند.

شکست مضاعف

پدیده شکست مضاعف به شکل بسیار زیبایی در کانی کلسیت خودنمایی کرده است. اگر سطح رمبوئدریک کلسیت را بر روی یک خط کتاب قرار دهید آن وقت با مشاهده از طرف سطح روبروی سطح رمبوئدر، یک خط تبدیل به دو خط موازی و هم اندازه شده‌اند. ‌در واقع پدیده شکست مضاعف رخ داده و پرتوها تحت همان شرایط از کانی کلسیت خارج شده (همدیگر را قطع نمی‌کنند) و به چشم ناظر می‌رسند.

هرگاه از سنگ یا گوهری در جهات مقطع‌گیری شود، نور در هر مقطع دارای سرعت خاصی خواهد بود. این عامل وجود چند ضریب شکست متفاوت را در یک کانی نشان می‌دهد. این پدیده در قلمروی آنیزوتروپی بحث می‌شود یعنی این که در جهات مختلف در یک بلور بعضی از خواص نظیر سرعت مسیر نور متغیر است. در بین این ضرایب شکست که امکان وجودشان در کانی‌ها می‌رود، دو نوع ضریب شکست یافت می‌شود که یکی به نام ضریب شکست بزرگ و دیگری ضریب شکست کوچک می‌باشند. این ضرایب و مقادیر آنها از ویژگی‌های منحصر به فرد هر کانی به شمار می‌آید.

بلورهایی که در سیستم‌های تری گونال، هگزاگونال و تتراگونال متبلور می‌شوند، دارای ضرایب شکستی با علامت Σ و ꞷ می‌باشند که ضریب شکست رسمی و غیررسمی خوانده می‌شوند. این ضرایب شکست در بلورهایی با سیستم‌های اورتورومبیک، تری کلینیک و مونوکلینیک به سه شکل‌اند ‌که با علایم α , β , γ مشهورند. بزرگترین ضریب شکست γ و کوچکترین ضریب شکست α است و ضریب شکست β، حد واسط  , αγ می‌باشد. در علم گوهرشناسی تنها α و γ از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردارند.

یکی از کاربردهای ضرایب شکست در کانی‌ها و مخصوصا در گوهرها، اختلاف دو ضریب شکست اصلی و فرعی است. عدد حاصله (اختلاف دو ضریب شکست) خود یک عامل منحصر به فرد در گوهرهاست که می‌توان آن را یکی از عوامل تمیز دهنده گوهرها دانست. به عنوان مثال می‌توان این عدد را در کانی‌های زیرکن، پریدوت و بریل که به ترتیب عبارتند از ۰۵۹/۰ ، ۰۳۸/۰ ، ۰۰۶/۰ مشاهده کرد. اندازه این تفاوت ضریب شکست‌ها در گوهرها و کانی‌ها دارای اعتبار بالاتری نسبت به ضریب شکست اصلی است. محورهای اپتیکی(Optical axis)  در گوهرشناسی نوری از اهمیت و جایگاه خاص برخوردار است. بلورها تحت این موضوع به دو گروه تک محوری (Uniaxial)  و دو محوری(Biaxial)  تقسیم می‌شوند و نیز بلورهایی که دارای شکست ساده‌اند در بلورهایی که دارای محور اصلی‌اند ‌(سیستم‌های تریگونال، هگزاگونال و تتراگونال) تنها یک جهت یافت می‌شود که در جهت آن به هیچ‌وجه شکست مضاعف رخ نمی‌دهد. این جهت که در آن هیچ‌گونه شکست مضاعفی رخ نمی‌دهد با جهت محور اپتیکی همیشه منطبق است چون فقط در این بلورها یک چنین جهت خاصی وجود دارد، به آنها بلورهای یک محوری (Uniaxial)  گویند و ضریب شکست متعلق به آن را با علامت γ نشان می‌دهند و در تمام چنین بلورهایی در کلیه جهات فقط دو ضریب شکست یعنی ضریب شکست اصلی و ضریب شکست فرعی (ɛ) یافت می‌شود که ꞷ تابع جهات نیست ولی ɛ تابع جهات متفاوت است. یعنی با تغییر جهت، مقدار آن نیز تغییر می‌کند.

ضریب شکست فرعی (ɛ) می‌تواند بزرگتر و یا کوچکتر از ضریب شکست اصلی باشد. بنابراین در جهت محور اپتیکی عمل شکست مضاعف انجام نمی‌گیرد و در این جهت (جهت محور اپتیکی) هیچ‌گونه پدیده‌ای که ناشی از شکست مضاعف باشد را نمی‌توان مشاهده نمود و نیز دو ضریب شکست اصلی و فرعی در جهت این محور به روی یکدیگر منطبق‌اند.

بلورهایی که در سیستم‌های اورتورومبیک، منوکلینیک و تری کلینیک متبلور می‌شوند به جای یک جهت دارای دو جهت می‌باشند. در این بلورها به هیچ وجه عمل شکست مضاعف صورت نمی‌گیرد. چون در این نوع بلورها فقط دو جهت یافت می‌شود که دارای چنین خصوصیاتی‌اند ‌(یعنی در آنها عمل شکست مضاعف صورت نمی‌گیرد)، به همین دلیل به این بلورها، بلورهای دو محوره (Biaxial)  گویند.

در بلورهای دو محوره، دو محور کانی با یکدیگر زاویه‌ای ایجاد نمایند که به آن زاویه محورهای اپتیکی گویند. بزرگی این زاویه تابع نوع کانی به طول موج نور (عمل پراکندگی زاویه محورها)، ترکیب شیمیایی، حرارت و فشار حاکم بر کانی است. در این بلورها ضریب شکست متوسط (β) عمود بر محورهای اپتیکی قرار دارد. برای تشخیص گوهر‌ها و آزمایش اصالت آنها، نیازی به فاکتورها و عوامل فوق‌الذکر نیست.

حال باید در مورد محورها و کانی‌های با خصوصیات یک یا دو محوری بحث بیشتر نماییم. در بلورهای یک محوره، کار تا حدودی ساده به نظر می‌رسد. ولی فهم درک آن در بلورهای دو محوره مشکل است. همانطور که در بالا اشاره شد در بلورهای یک محوری دو حرکت نوری توسط ضریب شکست مضاعف ایجاد می‌شود که یکی حرکت نوری رسمی و دیگری حرکت نوری غیر رسمی است. خصوصیات نوری در یک محوری‌ها (بلورهای یک محوری) به وسیله اختلاف ضرایب شکست اصلی و فرعی یعنی ꞷ - ɛ به دست می‌آید. در اینجا اگر ɛ بزرگتر باشد، آنگاه اختلاف مثبت و در نتیجه بلور یک محوری مثبت خواهد بود. اما اگر ꞷ بزرگتر از ɛ باشد، آنگاه اختلاف منفی و در نتیجه بلور یک محوره منفی خواهد بود.

در بلورهایی که از لحاظ نوری دو محوری‌اند، نیز می‌توان از خصوصیات اپتیکی صحبت به میان آورد با این تفاوت که در اینجا حرکت نور عادی و غیر عادی وجود ندارد زیرا که هر دو ضریب شکست با تغییر جهت تغییر می‌نمایند و ضریب شکست اصلی γ همیشه بزرگتر از ضریب شکست اصلی α خواهد بود. برای همین امر است که نمی‌توان از اختلاف آنها برای مقصود خویش استفاده کنیم. در اینجا خصوصیات نوری تابع تناسب β یعنی ضریب شکست متوسط است، که در ارتباط با بزرگی زاویه محوری می‌باشد. تنها با استفاده از میکروسکوپ پلاریزان می‌توان این پدیده‌ها را مشاهده کرد. این میکروسکوپ‌ها به دو پلاریزاتور مجهز می‌باشند که نور عادی را تبدیل به نور پلاریزه می‌کنند. با در نظر گرفتن این مورد که هر دو حرکت نوری یک بلور دارای خاصیت شکست مضاعف است، متقابلا تحت تأثیر پلاریزاتورها شدت نور (قوی و ضعیف شدن) تغییر می‌کند. این جریان را تولید طیف (Interference)  و رنگ‌های پدید آمده را رنگ طیف گویند.

اثبات شکست مضاعف با میکروسکوپ در تشخیص گوهرها از اهمیت خاصی برخوردار است، زیرا به کمک آن می‌توان سنگ‌ها ‌و یا کانی‌هایی که فاقد شکست مضاعف‌اند، ‌مانند الماس، گارنت، اسپینل، اُپال، فلوئوریت، اُبسیدین، مولداویت (Moldawite)، کهربا و ایمیتاسیون شیشه را از بقیه سنگ‌ها ‌یا بلورهایی که واجد شکست مضاعفند را به سادگی و به سرعت تشخیص داد. به عنوان مثال اسپینل مصنوعی توسط شکست مضاعف غیرعادی‌اش پدیده‌های خاصی را نشان می‌دهد که بلافاصله تعیین تشخیص آن می‌شود.

جذب (Absorption)

یکی از پدیده‌های نوری که در گوهرها بسیار جلب نظر می‌نماید، رنگ آنهاست که توسط عبور نور سفید از سنگ و یا کانی ایجاد می‌شود. اگر از نور سفید چند رنگ (طول موج) را حذف کنیم، بدین ترتیب یک رنگ مخصوص که باقیمانده نور سفید است باقی خواهد ماند. نظیر چنین حالتی را در کانی‌ها می‌توان ملاحظه نمود که به این پدیده، پدیده جذب(Absorption)  گویند. عمل جذب سبب شدت و یا ضعف نور و کوچک کردن نوسان ارتعاشات طول موج‌ها (رنگ‌ها) می‌گردد.

در عمل تراش گوهرها سرعت عمل کاهش شدت نور از درجه اهمیت عظیمی برخوردار است، زیرا که شدت نور و یا رنگ تابع طول مسافت نور است. در درجه دوم باید از ضخامت مقطع مورد مطالعه و یا سنگ نام برد. عمل جذب می‌تواند برای کلیه رنگ‌ها برابر و مساوی باشد. در این صورت بلور بی‌رنگ به نظر می‌رسد و برعکس اگر عمل جذب بسیار قوی باشد آنگاه کانی و یا بلور غیر قابل دید و یا سیاه به نظر می‌رسد. اگر برای طول موج‌های مختلف عمل جذب متفاوت باشد آنگاه نور رنگی به صورت نور باقیمانده خارج می‌شود. به عنوان مثال اگر نور قرمز جذب شود در این صورت طیف باقیمانده به رنگ سبز در می‌شود.

بزرگی توانایی جذب یک بلور برای یکایک طول موج‌ها توسط مقدار ثابت یا توسط اندیس جذب ذکر می‌گردد. عمل جذب در بلورهایی که دارای خاصیت شکست مضاعف می باشند نیز کاملا مانند سرعت نور می‌باشد که می‌تواند با تغییر جهت در بلور تغییر نماید. عمل جذب در ارتباط با اتم‌ها و ترکیبات شیمیایی بلور مربوط است. در ساختار اتمی بلورها هسته‌ها با بار مثبت و الكترون‌ها با بار منفی محل ذخیره انرژی الکتریکی می‌باشند، هرگاه از میان آنها پرتوی الکترومغناطیسی مانند نور بگذرد تحت تأثیر قرار می‌گیرد. این اثر بسته به نوع اتم، عمل جذب را از لحاظ شدت تضعیف برای یکایک طول موج‌ها ایجاد می‌کند. در نتیجه اتم‌های متنوع دارای خاصیت‌های جذب متفاوت هستند.

بعضی از عناصر عمل جذب انجام نمی‌دهند و گروهی دیگر از عناصر فقط طول موج‌های معینی را جذب می‌کنند که این گروه به خاطر این که به گوهرها رنگ می‌بخشند در علم گوهرشناسی از اهمیت خاصی برخوردارند. عناصر زیر به ترتیب اهمیت از لحاظ رنگ کنندگی گوهرها مورد توجه قرار گرفته‌اند:

آهن (Fe)، کرم (Cr)، مس (Cu)، تیتان (Ti)، منگنز (Mn)، نيكل (Ni)، وانادیم (V)، کبالت (Co).

دورنگی - چندرنگی

(Dichroism – Polychroism)

یکی دیگر از پدیده‌های نوری که در مقاطع بلورها و کانی‌ها و گوهرها قابل ملاحظه است، خاصیت‌های دورنگی و چندرنگی است. در گوهر تراشی باید سعی بر این باشد تا این خاصیت خود را نشان دهد تا بر فروغ و جلای آن افزوده شود. این خاصیت بدین صورت در کانی‌ها و بلورها نمایان می‌شود که با تغییر جهات، رنگ‌های یک کانی تغییر کرده و یا از شدت به ضعف و یا برعکس تغییر می‌کند.

یکی از مثال‌های ملموس که در مقاطع سنگ‌های مختلف در دانشگاه‌ها در دسترس است، کانی تورمالین است. این کانی در سیستم تریگونال متبلور می‌شود و دارای یک محور درجه ۳ اصلی می‌باشد، که محور اپتیکی کانی نیز هست. این بدان معناست که در جهت محور درجه سه شکست مضاعف و نیز پدیده‌های دی‌کروئیسم و یا پلی کروئیسم هم وجود نخواهد داشت اما در جهت عمود بر آن بیشترین مقدار شکست مضاعف و نیز قوی‌ترین حالت دی‌کروئیسم وجود دارد. مقدار متوسط دی‌کروئیسم و شکست مضاعف حالتی مابین دو حالت قبل است یعنی نه هم‌جهت و نه عمود با محور درجه ۳ می‌باشد.

دو قطعه بلور تورمالین، با ضخامت مساوی یکی عمود و دیگری موازی با محور اپتیکی آن برش می‌دهیم، در حالت اول (عمود بر محور اپتیکی) رنگ مربوط به تورمالین سبز تیره رنگ است و دیگری (موازی با محور اپتیکی) دارای رنگ سبز روشن می‌باشد. اگر سنگ تراشان سطح لوحه را طوری انتخاب کنند که این سطح عمود بر محورهای اپتیکی باشد، آنگاه سنگی به دست خواهد آمد که رنگش بسیار تیره است، لذا باید سطح لوحه را به موازات محورهای اپتیکی قرار دهند تا رنگ مورد نظر حاصل شود.

معمولا گوهر تراشان مکان محورهای اپتیکی را توسط فرم بلور می‌شناسند زیرا محور ‌اپتیکی همیشه در جهت طولی منشور یا به عبارت دیگر در جهات محور C کریستالوگرافی قرار دارد. در یاقوت و سافیر (یاقوت کبود) عکس این مورد صادق است. در یاقوت رنگ زیبای سرخ فقط در جهت محور اصلی ظاهر می‌شود در حالی که عمود بر محور اصلی رنگ قرمز متمايل به زرد ظاهر می‌شود که از ارزش چندانی برخوردار نیست. در سافیر هم ایجاد رنگ شبیه به یاقوت است یعنی این که رنگ آبی تیره آن در جهت محور اصلی نمایان می‌شود و عمود بر آن رنگ سبز و زرد که حالتی مخلوط دارند ایجاد می‌شود که از ارزش گوهرشناسی کمتری برخوردار است.

تراش دادن یاقوت و سافیر مصنوعی کاری بس مشکل است زیرا در اینجا شکل کریستالوگرافی خاصی یافت نمی‌شود که با توجه و به اتکای به آن تراشیدن در جهت مناسب صورت گیرد. همانطور که می‌دانید سنگ مصنوعی یا سنتز به شکل لامپ یا توده‌ای مذاب رشد و نمو می‌کند که در هر لامپ جهت محور اپتیکی متفاوت است.

حالات چندرنگی (پلی‌کروئیسم) را می‌توان در کانی کردیوریت مشاهده کرد که در سه جهت محورهای اصلی کریستالوگرافی سه رنگ منحصر به فرد بنفش تا آبی، خاکستری تا خاکستری متمایل به آبی، بنفش یا زرد را از خود نشان می‌دهد. آنچه در این مثال در ارتباط با اختلاف رنگ‌ها در جهات مختلف حائز اهمیت است، توانایی جذب مختلف هر دو حرکات نوری است که توسط شکست مضاعف پدید می‌آید. بلورهایی که از نظر اپتیکی یک محوری‌اند، در جهت محور اپتیکی شکست مضاعف و حرکات دوگانه نوری را نمی‌توان مشاهده کرد بلکه فقط یک حرکت نوری و شکست ساده را می‌توان ملاحظه نمود.

چون شناخت دی‌کروئیسم در تشخیص گوهرها نقش مهمی را ایفا می‌کند، به همین دلیل برای تشخیص بهتر و مطمئن‌تر ‌گوهرها دستگاهی به نام دی‌کروسکوپ ساخته شده است که در آنها هر دوی رنگ‌ها در میدان مجزا در کنار یکدیگر طوری به نظر می‌رسند که به آسانی اختلاف آنها را می‌توان تشخیص داد. در تشخیص دی‌کروئیسم دو عامل که از مشاهدات نوری است نقش مهمی را بازی می‌کنند که عبارتند از:

۱. اختلاف درجه هر دو حرکات نوری

۲. آهنگ (Tone) رنگ آنها

به طور کلی کانی‌هایی که در سیستم کوبیک متبلور می‌شوند به هیچ وجه دارای خاصیت دی کروئیسم نیستند (کانی‌های ایزوتروپ) و کانی‌هایی که در بقیه سیستم‌ها ‌متبلور می‌شوند این درجات دورنگی قابل تشخیص‌اند ‌که دارای حالاتی از قبیل، فاقد دورنگی، دورنگی ضعیف، دورنگی قوی و دورنگی متوسط می‌باشند.

اما پدیده چندرنگی (پلی کروئیسم) در کانی تنها در بلورهایی که در سیستم‌های ارتورومبیک، منو کلینیک و تری کلینیک متبلور می‌شوند ظاهر می‌گردد. در بقیه سیستم‌ها ‌(به جز کوبیک) فقط دو رنگ اصلی و در سه سیستم فوق‌الذکر ( Mon , Tri , Orth)  سه رنگ اصلی ظاهر می‌شود. به عنوان مثال می‌توان از کانی کوردیریت نام برد که اهم این کانی از همان چندرنگی‌اش یعنی پلی‌کروئیسم مشتق شده است که دارای سه رنگ اصلی است. این کانی در سیستم اورتورومبیک متبلور می‌شود، که دارای سه محور درجه دو است که عمود بر هم واقع‌اند. ‌همچنین در جهات محورهای درجه دو واجد سه سطح تقارن است. در این سه جهت (جهات محورهای کریستالوگرافی) سه رنگ آبی متمایل به بنفش، خاکستری متمایل به آبی بنفش، و خاکستری دیده می‌شود.