寶石折射儀的原理及操作方法

1、寶石折射儀的原理及操作方法學(xué)前引導(dǎo)寶石的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)決定了寶石的折射率，折射率是寶石最穩(wěn)定的性質(zhì)之一。利用折射儀可以測定寶石的折射率值、雙折射率值、光學(xué)特征等性質(zhì)。學(xué)習(xí)目的和要求1、 掌握折射儀的工作原理及結(jié)構(gòu)。2、 學(xué)會折射儀的使用方法，測定寶石的折射率、雙折射率及光性特征。預(yù)備知識：1、折射率的定義某種的介質(zhì)的折射率n亦等于光在真空中的速度c跟光在介質(zhì)中的相速度v之比： 折射定律：n1sin1= n2sin2, 其中，1與2分別是光在介質(zhì)界面上的入射角和折射角，兩種介質(zhì)的折射率分別是n1與n2。圖2-1 光的折射2光率體及寶石的光性方位光率體是表示光波在晶體中傳播

2、時，光波振動方向與相應(yīng)折射率值之間關(guān)系的一種幾何圖形。設(shè)想自晶體的中心起，沿光波各個振動方向，以線段的方向表示光波的振動方向，以線段的長短按比例表示折射率值的大小，然后將各線段的端點(diǎn)連接起來構(gòu)成一立體圖形，即為光率體。均質(zhì)體光率體為圓球形，各個方向折射率值唯一，都是N。一軸晶光率體為以Ne軸為旋轉(zhuǎn)軸(平行c軸)、No(垂直c軸)為半徑組成的旋轉(zhuǎn)橢球體。Ne是非常光的折射率，No是常光的折射率。當(dāng)Ne>No時稱為一軸正晶，反之稱為一軸負(fù)晶。圖2-2 一軸晶光率體二軸晶光率體為三軸不等橢球體，三個主折射率：Ng、Nm、Np。大小關(guān)系Ng>Nm>Np。當(dāng)Ng-Nm>Nm-Np

3、，為正光性， 當(dāng)Ng-Nm<NM SPAN>-Np，為負(fù)光性。圖2-3 二軸晶光率體3雙折射非均質(zhì)體寶石不同方向上折射率不一樣，光線的傳播速度也不一樣，白光在非均質(zhì)體寶石中發(fā)生雙折射，分解成兩條振動方向相互垂直的偏振光，兩者之間存在一定的光程差。圖2-4 光的雙折射知識結(jié)構(gòu)圖授課內(nèi)容折射儀的工作原理寶石折射儀就是根據(jù)折射定律和全反射原理制造的。全反射：光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時，要離開法線折射。當(dāng)入射角i增加到某種情形時，折射線延表面進(jìn)行，即折射角為90°，該入射角ic稱為臨界角。若入射角大于臨界角，則無折射，全部光線均反回光密媒質(zhì)，此現(xiàn)象稱為全反射。當(dāng)光學(xué)從一種未知介質(zhì)

4、射入空氣中時，根據(jù)折射定律可知，只要測出入射角ic就可求出未知介質(zhì)的折射率。n=1/sinic。折射儀的結(jié)構(gòu)折射儀主要由高折射率棱鏡、棱鏡反射鏡、透鏡和標(biāo)尺及偏光片等組成。圖2-6 折射儀的結(jié)構(gòu)高折射率棱鏡該棱鏡材料需滿足兩個條件：單折射和高折射率。大多數(shù)棱鏡選用鉛玻璃。（1.86-1.96）接觸液其作用是使待測寶石與高折射率棱鏡產(chǎn)生良好的光學(xué)接觸。一般接觸液選用溶解飽和硫的二碘甲烷。（1.78）光源由于寶石存在色散，為獲得清晰的讀數(shù)，選用波長為589.5nm的黃光，光源為鈉光燈。待測寶石必須有拋光的平面或弧面。寶石為光疏介質(zhì)，棱鏡和接觸液為光密介質(zhì)。入射角小于臨界角時，光線發(fā)生折射進(jìn)入寶石，

5、入射角大于臨界角時，光線發(fā)生全反射。如圖所示，最終視域內(nèi)發(fā)生全反射的區(qū)域較亮，而發(fā)生折射的區(qū)域較暗。亮暗交接的邊界即與臨界角相對應(yīng)。以此可測定寶石的折射率。折射儀的操作步驟刻面法適宜于有良好拋光的大刻面的寶石。1)接通電源、打開儀器；2)用酒精清洗寶石和棱鏡；3)在折射儀棱鏡上點(diǎn)一滴接觸液（約2mm），使用鈉光照明，可見油的陰影邊界；4)將寶石最大的臺面放在棱鏡上，浸油使寶石和棱鏡之間形成良好的光學(xué)接觸；5) 眼睛靠近目鏡可觀察陰影區(qū)和明亮區(qū)并讀數(shù)，讀數(shù)保留小數(shù)點(diǎn)第三位； 6)按順序轉(zhuǎn)動寶石360°，經(jīng)驗(yàn)豐富者可轉(zhuǎn)動寶石0°、45°、90°進(jìn)行

6、觀察和讀數(shù)；7)測試完畢，將寶石輕推至金屬臺上，取下寶石； 8)清洗寶石和棱鏡。圖2-7 刻面法測定折射率的操作方法點(diǎn)測法應(yīng)用于弧面型寶石、小刻面寶石和拋光不好的寶石，得到寶石的近似折射率值。步驟：1). 清洗棱鏡和寶石；2). 在金屬臺上點(diǎn)一滴接觸油；3). 用寶石弧面或小刻面接觸金屬臺上的接觸油，以油滴直徑為0.2mm為宜,輕置于棱鏡中央；4). 眼睛距目鏡頭25-45cm,平行目鏡前后移動頭部；5). 觀察油滴半明半暗交界處，讀數(shù)并記錄，讀數(shù)保留小數(shù)點(diǎn)后兩位；6）換一個刻面重復(fù)以上步驟；7). 將寶石輕推下測臺，清洗寶石及棱鏡。閃爍法對于具有高雙折

7、射率且拋光不良的寶石或弧面寶石，可用此法估測寶石的雙折射率。步驟：1). 清洗棱鏡和寶石；2）取下折射儀的偏光片和放大鏡；3）按點(diǎn)測法放置寶石，觀察其在折射儀上的液滴影像；4）將偏光片在目鏡上方來回90°轉(zhuǎn)動，按點(diǎn)測法觀察方法上下移動視線，注意液滴影像的明暗或顏色變化，雙折射率大的寶石的影像會出現(xiàn)由亮到暗，或者不同顏色的變化；5）如果液滴影像無變化，轉(zhuǎn)動寶石90°，重復(fù)上個步驟，仍然無變化可推斷寶石無高雙折射率；6）如果有變化，記錄開始變化和結(jié)束變化的位置的兩個數(shù)值，其差值為雙折射率的估計(jì)值（非準(zhǔn)確值）。注意事項(xiàng)： 1. 接觸液不宜過多，否則將導(dǎo)致陰影邊界不清；

8、2. 小心輕放； 3. 檢查寶石是否拋光。觀察現(xiàn)象及結(jié)論1).  各向同性寶石：待測寶石在折射儀上轉(zhuǎn)動360°時始終只有一條陰影邊界(固定不變)，說明該寶石為各向同性寶石（單折射寶石）。2). 一軸晶寶石： 待測寶石在折射儀上轉(zhuǎn)動360°時，出現(xiàn)兩條陰影邊界，一條陰影邊界固定不變，另一條發(fā)生移動，說明該寶石為一軸晶寶石。 如動值為大值，則為一軸晶正光性寶石如水晶； 如動值為小值，則為一軸晶負(fù)光性寶石如祖母綠。3) . 二軸晶寶石： 待測寶石在折射儀上轉(zhuǎn)動360°時，兩條陰影邊界都移動，說明該寶石為二軸晶寶石。如高值移動超過中間值，說明值接近值為

9、二軸晶正光性；如低值陰影邊界移動超過中間值，說明值接近值為二軸晶負(fù)光性。圖2-8 折射儀的讀數(shù)4）高折射率寶石：待測寶石在折射儀上轉(zhuǎn)動360°時，整個視線域較暗，僅能看到折射油形成的陰影邊界，表明寶石的折射率大于折射液的折射率值。難點(diǎn)分析：1） 待測寶石在折射儀上轉(zhuǎn)動360°時，好像只有一條陰影邊界，但快速轉(zhuǎn)動偏光片可見邊界上下跳動。這種現(xiàn)象表示寶石為非均質(zhì)體，雙折射率很小。2） 待測寶石在折射儀上轉(zhuǎn)動360°時，好像一條陰影邊界不動而一條移動，但快速轉(zhuǎn)動偏光片可見固定邊界上下跳動。這種現(xiàn)象表示寶石是二軸晶。3） 待測寶石在折射儀上轉(zhuǎn)動360°時，兩條陰

10、影邊界都不動，寶石為一軸晶，兩個讀數(shù)的差值為寶石的雙折射率。4） 待測寶石在折射儀上轉(zhuǎn)動360°時，出現(xiàn)兩條陰影邊界，一條陰影邊界固定不變，另一條發(fā)生移動。換一個刻面重新測量時兩條陰影邊界都移動，寶石為二軸晶。局限性1).  所測寶石一定要有拋光面；2).  寶石的RI<1.35或者>1.81都無法讀數(shù)；3).  不能區(qū)分某些人工處理寶石，如天然藍(lán)寶石與熱處理藍(lán)寶石；4).  不能區(qū)分某些合成寶石，如天然紅寶石與合成紅寶石。小結(jié)（1） 折射儀的工作原理：利用全反射的原理，選擇高折射率的棱鏡和折

11、射液，根據(jù)折射定律測定寶石的折射率，雙折射率和光性特征。（2） 刻面法適宜于有良好拋光的大刻面的寶石，可測定寶石的折射率，雙折射率和光性特征。（3） 點(diǎn)測法應(yīng)用于弧面型寶石、小刻面寶石和拋光不好的寶石，得到寶石的近似折射率值。（4） 閃爍法對于具有高雙折射率且拋光不良的寶石或弧面寶石，可用此法估測寶石的雙折射率。（5） 各向同性寶石：待測寶石在折射儀上轉(zhuǎn)動360°時始終只有一條陰影邊界(固定不變)，說明該寶石為各向同性寶石。（6） 一軸晶寶石： 待測寶石在折射儀上轉(zhuǎn)動360°時，出現(xiàn)兩條陰影邊界，一條陰影邊界固定不變，另一條發(fā)生移動，說明該寶石為一軸晶寶石。（7） 二軸晶寶石： 待測寶石在折射儀上轉(zhuǎn)動360°時，兩條陰影邊界都移動，說明該寶石為二軸晶寶石。（8） 高折射率寶石：待測寶石在折射儀上轉(zhuǎn)動360°時，整個視線域較暗，僅能看到折射油形成的陰影邊界，表明寶石的折射率大于折射液的折射率值。自測練習(xí)填空1折射儀的光源是，常用折射液的成分是，折射率是。2折射儀可以測定寶石的3待測寶石在折射儀上轉(zhuǎn)