شکست و بازتابش نور در کانی‌ها

در گوهرشناسی، یکی از فاکتورهای مهم، شکست نور در کانی‌هاست. شکست نور تأثیر زیادی در سنگ‌های تراش داده شده دارد و در روش‌های بررسی و آزمایش کانی‌ها نیز نقش بزرگی را بازی می‌کند.

هر گاه پرتو نوری تحت زاویه معینی به سطح مرزی دو جسم با دو نوع متفاوت ضریب شکست، بتابد، پرتو نور در هنگام عبور از این جسم (جسم دوم)، از جهت خود خارج شده و مسیر مستقلی را اتخاذ می‌کند. این تغییر جهت پرتو نور در محیط متفاوت با محیط اولش را شکست نور می‌گویند. در این مورد باید یادآور شویم که هرگاه پرتو نور از محیط کم تراکم به محیط متراكم‌تر بتابد پرتو شکست به خط عمود نزدیک می‌شود و جریان عکس این مورد نیز صحت دارد. یعنی اگر پرتو نور از محیط متراکم به محیط تراکم بتابد پرتو شکست از خط عمود دور می‌شود.

 بازتابش کلی (Total Reflection):

دانستید هنگامی که پرتوهای نور از یک محیط چگال‌تر که ضریب شکست بزرگتری دارد به محیط رقیق‌تری وارد می‌شود از خط عمود دور شده و در نتیجه زاویه شکست از زاویه تابش بزرگتر می‌شود (عبور پرتو نور از بلور به هوا). بنابراین وقتی که زاویه شکست به ۹۰ درجه برسد زاویه تابش به حد معینی می‌رسد که آن را زاویه حد می‌گویند. در صورتی که حالت فوق اتفاق بیفتد یعنی زاویه تابش پرتوها برابر زاویه حد شود، پرتوهای شکستن حالت مماس بر سطح جدایی در محیط عبور می‌کنند.

اگر زاویه تابش از زاویه حد بیشتر شود آنگاه هیچ پرتویی به محیط دوم منتقل نمی‌شود و پرتوها در محیط اول منعکس می‌گردند. این حالت را در علم فیزیک، انعکاس کلی گویند. انعکاس کلی و زاویه حد، برای تراش گوهرها از اهمیت خاصی برخوردار هستند. مقطع یا تراش بایستی شفافیت و منور شدن گوهرها را به روی سطح جلادار افزایش دهد به طوری که چنین به نظر برسد که بلور، نور را از خودش به اطراف ساطع می‌کند و همزمان با این عمل سنگ یا بلور باید رنگ صاف و خالص داشته باشد. پس می‌توان چنین استنباط کرد که پدیده‌های انعکاس کلی و زاویه حد در کیفیت جواهرات تأثیر مثبتی دارد اما نباید تأثیر منفی انعکاس کلی را در بلورها فراموش کرد.

تأثیر منفی انعکاس کلی در بلورها به صورت پوسته‌های نازک هوا که در دل بلور یا سنگ نفوذ کرده است جلوه می‌کند. در مرز بین هوا و بلور، انعکاس کلی رخ می‌دهد که به شکل بادبزنی و یا پر مانند می‌باشد که به آن خطای خشن گفته می‌شود. این امر کاملا در هنگام مشاهده میکروسکوپی مقطعی از این بلور جلب نظر می‌کند.

کلیه رفتارهایی که در پوسته‌های هوا رایج است در درزهای موجود در سنگ نیز صادق است. در درزها هوا امکان نفوذ ندارد و بیشتر این درزها، فضاهای خالی‌اند ‌یعنی یک حالت خلأ را نشان می‌دهند (ضریب شکست خط تقریبا با ضریب شکست هوا برابر است). به همین جهت در درزها همان پدیده انعکاس کلی نوری وجود خواهد داشت. اگر حباب هوا را در زیر میکروسکوپ مشاهده کنیم، آن وقت حباب را به شکل کره‌ای سیاه رنگ خواهیم دید این امر به علت انعکاس کلی نور در سطح مشترک حباب و محیط آن است. در تشخيص عملي گوهرها انعکاس کامل یک فاکتور و عامل بسیار مهم و با ارزشی محسوب می‌شود. دستگاه‌هایی وجود دارند که با استفاده از پدیده انعکاس کلی، ضریب شکست یک بلور را به طور ارقامی تعیین می‌نمایند.

این دستگاه‌ها دارای یک جسم شیشه‌ای‌اند ‌که از نوعی شیشه با ضریب شکست بالا ساخته شده‌اند. به روی این شیشه کانی و یا بلور مورد آزمایش را قرار می‌دهند و نور را از داخل شیشه به بلور می‌تابانند. به علت زیاد بودن ضریب شکست شیشه نسبت به بلور، حالت انعکاس کلی رخ می‌دهد. محیط و میدان دید فقط به خاطر پرتوهای منطبق بر سطح جدایی شیشه و کانی روشن است و بقیه محيط تاریک می‌شود. مکان این خط مرزی با بزرگی زاویه حد و این نیز به نوبه خود با ضریب شکست سنگ و جسم شیشه‌ای متناسب است.

بدین ترتیب، البته با مقیاس‌هایی که همراه دستگاه می‌باشد، ضریب شکست کانی را به دست می‌آورند. ضریب شکست و انعکاس و نیز انعکاس کلی به شدت تابع اختلاف ضریب شکست در جسمی که دارای مرز مشترکی‌اند می‌باشد. یک قطعه یخ در هوا به طور واضح دارای برجستگی یا کنتراست مشخصی است، حال آنکه در آب تقريبا و با سختی می‌توان آن را تشخیص داد. شبیه به این مورد اپال آتشی در تتراکلرید کربن، اورتوکلاز در منوکلروبنزول و کوارتز دودی برمیداتیلن می‌باشند. به طور کلی هر چقدر اختلاف ضریب شکست مایع و سنگ (کانی) افزایش یابد، به همان اندازه کنتراست و برجستگی آن نیز افزایش می‌یابد. با استفاده از این خاصیت می‌توان کانی‌های مشابه را از یکدیگر تشخیص داد. مهمترین آنها در گوهرها عبارتند از: تشخیص برلیان از الماس و زیرکن و یاقوت کبود (سافیر) و شیشه‌ای که دارای ضریب شکست بالا می‌باشد. ابتدا این نوع برلیان را با سطح لوحه‌ای‌اش به طرف پایین در داخل یک کاسه شیشه‌ای که دارای کف سطحی است قرار می‌دهیم و آن را پُر از یدید متیلن می‌نماییم، بدین وسیله الماس (به علت انعکاس کامل نور در آن) سیاه به نظر می‌رسد و یاقوت کبود، روشن و زیرکن و شیشه در محدوده سطح لوحه‌ای، یک دایره روشن ایجاد می‌کنند. این دایره توسط یک حلقه سیاه رنگ محاط شده است.

در سنگ‌های با اندازه بزرگتر می‌توان با چشم غیر مسلح پدیده‌های فوق را ملاحظه کرد. فقط بایستی سعی شود که یک پرتو به صورت خط مستقیم از منبع نور به شئی بتابد و عمود بر سطح لوحه‌ای عبور کند. این عمل با فاصله کافی شئی با چشم انجام پذیر می‌باشد. در نمونه‌های میکروسکوپی، بزرگنمایی میکروسکوپ باید زیاد باشد تا به نحو بهتری پدیده‌های فوق‌الذکر را بتوان مشاده کرد این روش این حسن را دارد که می‌توان آنچه را که در داخل میکروسکوپ ‌دیده می‌شود را توسط میکروفوتوگرافی جهت تشریح و اثبات ضبط کرد.

برای تحصیل و آزمایش گوهرها، اغلب در مکان‌هایی با سنگ برخورد می‌کنیم که گوهرها در این سنگ‌ها ‌با کانی‌های دیگری مرز مشترک دارند. همانطور که گفته شد کنتراست و برجستگی گوهرها با اختلاف ضریب شکست آنها با کانی‌های در برگیرنده آنها نسبت و رابطه مستقیمی دارد. یعنی هر چه این پدیده (کنتراست) زیاد باشد، اختلاف ضریب شکست‌های دو یا چند کانی بیشتر است و بالعکس. در مایعات و گازها اختلاف ضریب شکست‌ها به حدی زیاد است که پدیده انعکاس کلی رخ می‌دهد. یک حباب هوا را در گوهرها در زیر میکروسکوپ می‌توان مشاهده کرد ولی تنها رنگی که این حباب به چشم ما می‌رسد رنگ سیاه است. نوری که از منبع می‌آید ابتدا در خود سنگ جاری می‌شود و سپس به مرز مشترک هوا و سنگ می‌رسد. چون حباب هوا مدور است سطح مرزی در مقابل این پرتو تابش بر آمده و محدب است. در این حالت نور منعکس می‌شود و در نتیجه نور به چشم ناظر نمی‌رسد و مکان حباب هوا در صفحه دید وی تاریک و سیاه است.

آنچه که گفته شد را می‌توانیم در مورد پوسته هوا بر روی درزها نیز تعمیم دهیم. اگر مقطعی از یک گوهر درزدار تهیه کنیم طوری که سطح آن عمود بر محور میکروسکوپ باشد، آن وقت نور بدون مانع از داخل آن عبور کرده و پوسته هوا را در صفحه دید مشاهده کننده صاف و شفاف نمایان می‌کند. در این صورت چنین تصور می‌شود که گویی حبابی وجود ندارد اما محدوده حاشیه حباب به صورت خطوط باریک تیره‌ای قابل مشاهده است. چنین مشاهدات انعکاس کلی را نسبت به پوسته هوا در گوهرها را می‌توان طبیعتا بدون میکروسکوپ در گوهرهای بزرگ مشاهده کرد.