Повне внутрішнє відбиття

Повне внутрішнє відбиття

1. Рефрактометр
Рівняння (2), що зв`язує кут повного внутрішнього відбиття з показниками переломлення двох дотичних середовищ, дозволяє зробити висновок, що якщо показник переломлення більш щільного середовища є постійною величиною, то показники переломлення всіх менш щільних середовищ можна легко розрахувати, визначивши відповідні кути. У рефрактометрах у якості постійного середовища звичайно застосовується скло з високим показником переломлення, а для спеціальних цілей — який-небудь ізотропний мінерал, наприклад сфалерит або навіть алмаз, що мають ще бблее високий показник переломлення. Існує, однак, одне утруднення, пов`язане з тим, що інструмент такого роду не може застосовуватися у випадку мінералів, показники переломлення. яких нижче, чим у рідини, що створює оптичний контакт між досліджуваним мінералом і постійною речовиною. Крім того, ще не створена рідина, яка мала б такий високий иоказатель переломлення, щоб її можна було тижнів-.
зовать у широкому діапазоні й щоб вона була вільна від серйозних недоліків, що перешкоджають її застосуванню
Оскільки всі рефрактометри засновані на тому самому принципі, з історичної точки зору цікаво розглянути прилад, розроблений автором в 1906 р.; цей прилад уперше
дозволив проводити точні виміри показників переломлення гранованих дорогоцінних каменів (рис. 46). Щоб полегшити спостереження, між двома лінзами окуляра вставляється призма, що повністю відбиває. Окуляр можна відрегулювати, пристосувавши
до зору спостерігача; для сильно далекозорих надається спеціальна приставка, що дозволяє висувати окуляр на необхідну відстань. Рефрактометр треба тримати так, щоб світло з вікна або від іншого джерела попадав усередину приладу через розташовану внизу лінзу (мал. 47). Гарне, рівне висвітлення поля можна забезпечити дуже просто, направляючи в прилад світло, відбитий від аркуша білого паперу» лежачого на столі. Дивлячись в окуляр, ми бачимо шкалу (мал. 48), причому окуляр можна при необхідності фокусировать, щоб розподілу шкали була видний чітко.
Смажемслегка Плоску поверхню щільного скла, яке трохи видається над рівнем, що охоплює його латунної пла-стинки, вазеліном або іншою жировою речовиною. Тепер поле зору освітлене не рівномірно, а ділиться на дві частини (мал. 49):
угорі розташовується відносно темна область, освітлена частково відбитим світлом, що й має закруглений край зеленого кольору, а внизу — яскраво освітлена область, куди попадає світло, що перетерпіло повне внутрішнє відбиття. Якщо ми
нахилимо прилад так, щоб світло входило в нього зверху через вазелін, те світла й темна області в поле зору поміняються місцями (мал. 50): темна область буде внизу, і край її буде червоного кольору. Можна так направити світло, що обидві області будуть освітлені однаково і їх границя стане майже невидимої. Тому длялучшего ефекту треба вільною рукою закрити пластинку
і стекло від світла, що падає зверху. Край тіні в даному приладі скривлений, і це дійсно дуга деякого кола. Кривизна обумовлена оптичною схемою приладу; у деяких рефрактометрах край тіні — прямолінійний. Тінь пофарбована, тому.
що відносна дисперсія у вазеліні
~
(n
і п
-показники переломлення для крайніх фіолетового й червоного променів відповідно) відрізняється від дисперсії в щільному склі. Дисперсія скла дуже висока: вона перевищує дисперсію будь-якого каменю, для якого може застосовуватися цей прилад! Деякі масла мають, однак, майже таку ж дисперсію тінь, що й відповідає їм, тому майже не пофарбована
Уважне око помітить, що пофарбована тінь — це в дійсності спектр, фіолетовий кінець якого перебуває в темній частині поля, а червоний кінець видається у світлу область. Жовтий колір натрового полум`я, який, рак уже вказувалося, прийнятий у якості стандарту для виміру показників переломлення, розташовується між зеленим і красньм, і та частина спектра, яка стає помітною, виявляється в підстави зеленого кольору, а виходить, практично в підстави тіні, тому що жовтий і червоний кольори майже повністю губляться в яскравому висвітленні нижньої частини поля. Якщо в якості джерела світла використовується натрове полум`я, край тіні стає різко обкресленою лінією. Шкала побудована й градуйована так, що там, де ця лінія перетинає її, можна прочитати значення відповідного показника переломлення; оскільки лінія крива, відлік треба брати в середині поля на правій стороні шкали. Таким чином, рефрактометр відразу ж, без усяких проміжних обчислень, дає значення показника переломлення з точністю до другого десяткового знака, а досвідчений спостерігач може оцінити й десяті частки інтервалу між сусідніми розподілами й добитися тим самим точності до третього знака; щоб спростити цю оцінку, розподіли шкали для значень більше 1,650 розділені навпіл. Діапазон вимірів майже досягає 1,800; для речовин з більш високими показниками переломлення прилад не придатний: усе поле виявляється темним
Жир або рідину змочують скло, тобто тісно стикаються снимо; якщо випробовувати тим же способом тверда речовина, таке, як гранований камінь (мал. 51), те між каменем і склом виявиться шар повітря, яке не дозволить виконати спостереження. Щоб цього не було, на плоску поверхню скла рефрактометра поміщають небагато рідини, що переломлює сильніше, чим випробувана речовина. Як правило, найкраще для цієї мети підходить иодистий метилен СН
1
, який у чистому виді має при кімнатній температурі показник переломлення 1,742. Свіжий, він*майже безбарвний, але на світлі стає бурим. Його можна, якщо потрібно, знебарвити (способом, описаним нижче), але на ціліше плівка рідини настільки тонка, що такі обережності звичайно не потрібні. Якщо випробовувати зразок звичайного скла — для цього дуже підходять скла, використовувані мікро-аналітиками для покриття тонких зрізів (шліфів),— попередньо наносячи на плоску поверхню щільного скла рефрактометра краплю иодистого метилену, то ми побачимо кольорову
тінь, відповідну до світлозаломлення скла, близько значення 1,530 і ще одну, майже безбарвну,— у значення 1,742, відповідного до рідини. Якщо випробувана тверда речовина переломлює світло сильніше, чим иодистий метилен, видна тільки друга тінь і ми повинні використовувати якусь більш заломлюючу рідину. Можна, однак, підвищити показник переломлення иодистого метилену, розчинивши в ньому сірку*} показник прілому-ления гарячої рідини, насиченою сіркою, становить близько 1,800, по при охолодженню, коли викристалізовується надлишкова сірка, показник переломлення зменшується приблизно до 1,785*. Чиста й насичена сірої рідини можуть комплектуватися із приладом; пляшечки з рідинами покривають зовні чорним лаком, щоб захистити їх від світла, і постачають пробками
із крапельницею, за допомогою яких потрібна крапелька рідини легко переноситься на поверхню скла приладу. Поки рідина переломлює сильніше, чим камінь, точне значення показника переломлення рідини не має значення, яким би не була ця випробувана тверда речовина. Для того щоб можна було одержати гарний результат, грань, використовувана для виміру, повинна бути плоскої і її слід поміщати на скло без натиску, так щоб вона була дійсно паралельна плоскої поверхні скла; більше того, щоб одержати гарний результат, треба як слід пополірувати цю грань
Помітимо, що добавка в зазначену насичену рідину невеликої кількості четирехиодистого єтилена підвищує показник переломлення до 1,81. Ще більш сильним переломленням має двухиодистий феніл-миш`як, світло-жовтогаряча рідина, показник переломлення якої при 15°С рівний для натрового світла 1,848; звертатися з нею треба дуже обережно, тому що вона отрутна й діє на шкіру й на скло приладу, якщо перебуває на ньому занадто довго. Пропонуються й інші рідини, але жодна з них у цілому не може вважатися більш підходящої, чому згадані тут.
Дотепер ми припускали, що речовина, яку ми випробовуємо, має прості оптичні властивості й дає одну тінь, але багато дорогоцінних каменів мають двупреломлением, а такі речовини дають у поле рефрактометра в загальному випадку дві чітко помітні тіні, розділені більш-менш значним інтервалом. Припустимо, наприклад, що ми вивчаємо ефект, вироблений олівіном (хризолітом), у якому дьупреломление проявляється в помітному ступені. Якщо ми будемо повертати камінь так, щоб спостережувана нами грань залишалася паралельної площини скла рефрактометра, ми помітимо, що обидві тіні в загальному випадку будуть рухатися по шкалі нагору л униз. У деяких випадках, що залежать від положення обраної грані стосовно елементів симетрії кристала, одна тінь або обидві тіні можуть залишатися на місці або одна тінь може навіть перетинати іншу. Але яку б грань ми не вибрали для випробування і як би не були мінливі рухи тіні, вище й нижче значення отсчетов залишаються одними ж темн же; це і є головні показники найбільшого й найменшого переломлення, а їх різниця визначає максимальну величину двупреломле-ния, властиву даному каменю. Пояснення цьому явищу дається нижче. Процедура виміру проста: нам треба тільки повертати камінь на приладі, звичайно не більше, чим на прямий кут, і записувати найбільший і найменший отсчети. Відзначимо, що тіні перетинають шкалу в тому самому місці в деяких граничних положеннях і розходяться у всіх інших, проміжних
На мал. 52 показаний випадок, коли грань повернена так, що мі одночасно бачимо два необхідні відліки. Білі краї тіні ’ сьмеетътвуйт йаименипему (а) і найбільшому (Ь) значенням главйого пом а третя тінь, яка ледь помітна, відповідає показнику переломлення використовуваної рідини — иодистого метилену. Як ми побачимо в одній з наступних глав, по рухові тіней (якщо цей рух відзначається) можна довідатися дещо про характер двупреяомления в даному кристалі. Оскільки, однак, при висвітленні білим світлом тіні — це спектри, вони нє будуть чітко розділятися, якщо тільки дву-переломлення не перевищує дисперсію. Наприклад, топаз у білому світлі дає тільки одну тінь, і, таким чином, його легко відрізнити від турмаліну, у якого двупре-ломление звичайно досить велике й дві тіні різняться чітко. Однак при вимірах у натровому світлі не Виникає ніяких утруднень у виділенні двох тіней, що даються речовинами навіть із малим дву-переломленням, такими, як хризоберил, кварц і топаз, а досвідчений спостерігач може без праці побачити відмінність тіней і в крайніх випадках: при випробуванні апатиту, идокраза (везувіану) і берилла. Тінь, відповідна до більшого показника переломлення, завжди видна гірше, тому що вона знаходите» в області яскравого поля. Якщо камінь або його досліджувана грань малі, то камінь треба пересунути по площині скла приладу так, щоб добитися максимальної чіткої тіні або двох Тіней. Якщо камінь пересувати від далекого кінця приладу до спостерігача, то по шкалі спочатку опускається неясна тінь, а коли камінь займе потрібне положення, у поле зору з`являться чіткі тіні
Можна використовувати будь-яку грань каменю, якщо вона плоска, але зручніше за все верхня грань — табличка, тому що вона звичайно найбільша й найбільш доступна, якщо камінь вставлений в оправу. Одним з більших переваг цього методу є саме те, що камінь не треба виймати з оправи. Чим менше камінь, тем сутужніше з ним звертатися. Особливо треба стежити за тим, щоб камінь не нахилився, не тільки тому, що тінь тоді зміститься із правильного положення й буде отримано помилкове значення показника переломлення, але й тому, що кут або ребро каменю подряпають скло приладу: твердість свинцевого скла приладу набагато нижче, чим твердість дорогоцінних каменів. Иодистий метилен при довгому використанні
ушкоджує й забруднює скло» тому рідина треба відразу ж після вимірів видаляти з нього поверхні
У сумнівних випадках має сенс звернути увагу на те, який ефект виникає при висвітленні каменю зверху, а не знизу. Як відзначалося вище, області тіні й світла при цьому міняються місцями й замість темної області із зеленуватим краєм у верхній частині шкали ми бачимо тінь у нижній частині шкали, а край тіні буде червонуватим, але в обох випадках положення жовтої частини спектра в тіні залишається одним итем же. Насправді, якщо тіні при цьому не збігаються, це значить, що допущена якась помилка; наприклад, перша тінь може бути утворена гранню, нахиленої під невеликим кутом до тієї, для Якої виконується вимір
Виготовляються й інші рефрактометри, засновані; на тому ж принципі. У рефрактометрі Рейнера, випущеному в 1935 р., щільне скло має призматичну форму, яка характерна для приладів, призначені для вивчення рідин, і з нього виходить паралельний пучок евета, який можна зібрати короткофокусним телескопічним обладнанням звичайного виду. Шкала, що має діапазон від. 1,30 до 1,80, розбита на розподіли до другого десяткового знака. Отвір приладу закривається ковзним жовтогарячим, фільтром, що зменшують дисперсію вхідного світла; фільтр не потрібний, якщо використовується натрове світло. Окуляр фокусируется шляхом обертання; поляризующая насадка полегшує спостереження у випадку двупреломляющих каменів. Оскільки стекло приладу закріплене, для виміру найменшого й найбільшого показників цреломления необхідно повертати камінь; робити це треба обережно, щоб не подряпати стекло
У моделі, у якій замість щільного скла використовується □ризма зі сфалериту, верхня межа діапазону вимірів зрушать до значення 2,00; такого ж ефекту можна добитися, використовуючи скло не з РЬО, а з Ті0
. Застосування алмаза замість сфалериту суттєво не підвищує верхня межа вимірів, ио дає та перевага, що ми можемо одержати добре відполіровану поверхню такої твердості, що вона не буде зношуватися *. У більш пізній моделі використовується призма з безбарвної штучної шпінелі. Діапазон вимірів обмежений значенням 1,75, але крім більшої, ніж у свинцевого скла, твердості, шпінель дає значно меншу дисперсію світла: вона лише трохи вище, чим у більшості дорогоцінних каменів, що попадають у діапазон цього приладу. Отже, при висвітленні білим світлом краю тіні не пофарбовані, а видні чітко, так що
легко можна зробити точні отсчети, не прибігаючи до монохроматичного світла
У новій моделі «Викерс М14а» (фото 1) тінь видна на простому екрані. Індекс на ковзній стрічці сполучається із краєм тіні поворотом градуйованого барабана, з якого й зчитуються значення показника переломлення
Показник переломлення иа кривих поверхнях. Описана вище процедура вимірів вимагає, щоб на випробуваному камені була відполірована плоска грань. Донедавна вважалося, що наявність такої грані є неодмінною умовою успішного застосування рефрактометра, але методика, розроблена в Америці Бенсоном, дозволяє проводити виміру на кривої поверхні, у тому числі й на відполірованому кабошоні
Невелика цятка рідини поміщають між скривленою поверхнею й склом рефрактометра, так щоб рідина захоплювала область їх зіткнення. Замість того щоб наближати око до окуляра, спостерігач розташовується в 30-40 див від окуляра по оптичній осі приладу. У цьому випадку «пляма контакту» видасться невеликим кружком. Якщо дивитися на нижню частину шкали показників переломлення, ця пляма виявляється темним, але якщо тепер злегка підняти голову, щоб пляма перемістилася в область більш високих отсчетов, виникає повне внутрішнє відбиття й пляма стає еветлим. У граничному положенні пляма розсікається горизонтальною границею навпіл: верхня половина виявляється темної, а нижня — світлої. Щоб тепер зробити відлік по шкалі, тримаючи голову на відстані від окуляра, треба перефокусировать око; наскільки легко це зробити, залежить від індивідуальних здатностей спостерігача. Невелика короткозорість при цьому краще, чим далекозорість,. так що люди, що носять окуляри, мають тут перевага
Отсчети, одержувані способом такого «крапкового контакту», або «спостереження з відстані», не так надійні, як результати «правильних» вимірів на плоских поверхнях, але вони відкривають нову область практичного використання рефрактометра; таким же способом роблять виміри не тільки на поверхнях кабошонів, але й на дрібних гранях каменів настільки малого розміру, що звичайний спосіб для них не придатний