Оптические эффекты: цвет и свет, или почему бриллиант не самый-самый.

Наверное, можно сказать, что бриллиант является самым известным драгоценным камнем. Бриллиант вознесен до небес людской молвой, и считается самым-самым во всем. Но в реальности «самость-самость» бриллианта не вызывает сомнений лишь в двух категориях. И только одна из этих категорий однозначно научная, то есть может быть понята, описана и объяснена с точки зрения физики. Речь о твердости. Классический алмаз уже не является самым твердым веществом, известным человечеству, но среди драгоценных камней бриллиант вне конкуренции, и остается самым твердым драгоценным камнем. Другая категория, в которой бриллиант лидер по «самости-самости» - популярность. Но к этой категории подход с точки зрения физики, к счастью, невозможен.

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.

Также каким-то конкретным оттенком, но исключительно, экстремально светлого тона, обладает любой объект, визуально воспринимаемый нашим глазом как белый или бесцветный. Причем, если быть уж совсем корректным, то «бесцветный» - это тоже цвет! Не будь «бесцветный» цветом, мы бы его просто не видели бы!

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 этой статье мы опустим и не будем рассматривать подробности таких явлений, как рассеивание света, поглощение света и отражение света. Нас интересует, да и то - частично, только то, что происходит с тем лучом света, которому довелось через толщу камня пройти и все же выйти «наружу».

В перечне основных оптических характеристик минералов и драгоценных камней 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.

На самом деле все не совсем так.

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 говорит 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 крупнокристаллического 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.

Чем выше дисперсия, тем сильнее «игра» у камня. Чем сильнее разложился на составляющие луч света, тем больше "вспышек огня", "игры" мы наблюдаем на его гранях. Именно по этой причине камни с высокой дисперсией стараются огранивать в сложные формы, наподобие "бриллиантовой" огранки, с целью добиться проявления максимального "огня", максимальной "игры". Камни с низкой дисперсией предпочитают огранивать в простые формы, наподобие "изумрудной" или "пошаговой" огранки - сильной игры от таких камней добиться невозможно, зато можно подчеркнуть "глубину и мягкость" цвета.

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:

Сфалерит, Стронция Титанат, Стибиотанталит, Ванадинит, Крокоит, Вульфенит, Танталит.

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:

Фианит (синтетический), Фосгенит, Цинкит, Касситерит, Симпсонит, Циркон, Повеллит, Шеелит, Андрадит, Англезит, Пурпурит, Байянит, Церуссит.

По показателю дисперсии бриллиант уступает следующим камням:

Анатаз, Вульфенит, Ванадинит, Сфалерит, Танталит, Брукит, Цинкит, Муассанит (синтетический), 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!