نور و الماس

همانطور که اغلب خصوصیات الماس منحصربه‌فرد است، خصوصیات نوری آن نیز اکثراً منحصربه‌فرد می‌باشند، که به بررسی آن می‌پردازیم.

با برخورد نور به یک جسم شفاف، بخشی از نور از سطح آن منعکس شده (Reflection) و بخشی دیگر به داخل آن وارد می‌گردد (Refraction) که هریک بحث جداگانه‌ای دارند.

Reflection )انعکاس(

میزان انعکاس نور از سطح اجسام به دو عامل زاویه تابش و ماهیت جسم بستگی دارد.

۱( با افزایش زاویه تابش شدت انعکاس نیز قوی‌تر می‌گردد، بطوری‌که چنانچه زاویه تابش نسبت به خط عمود فرضی صفر باشد، شدت انعکاس به حداقل رسیده و درحالی‌که زاویه تابش به نزدیک ۹۰ درجه برسد، میزان انعکاس به حداکثر خود می‌رسد.

۲( همانگونه که نوع و آرایش اتم‌ها موجب بسیاری از خصوصیات الماس می‌باشد در اینجا نیز این‌گونه پیوند بین اتم‌های کربن موجب شدت بالای انعکاس می‌گردد. بطورمثال درحالی‌که نور با زاویه صفر درجه (عمود) به سطح شیشه تابیده شود، چیزی در حدود ۴% نور منعکس می‌گردد، این درحالیست که در حالت مشابه الماس حدود ۱۷% نور را منعکس می‌کند، بطوری‌که الماس را از نظر شدت انعکاس در بین سنگ‌های شفاف در ردیف اول قرارداده‌است.

Luster )جلا(

Luster که در واقه همان شدت انعکاس نور می‌باشد در الماس بقدری زیاد بوده که آن را پس از جلای فلزات (MetallicLuster) در ردیف دوم قرار داده که به آن در اصطلاح Adamantine گفته می‌شود. دلیل آن نیز سختی و ضریب شکست نوری بالا در الماس است.

البته شدت و چگونگی انعکاس نور به یک عامل فرعی، یعنی کیفیت Polish نیز بستگی دارد، بدان معنا که گرچه یک جسم مانند الماس توانایی انعکاس زیادی را داشته باشد ولی در صورتی که خوب Polish نشده‌باشد به دلیل آن‌که در زمان انعکاس در نظم نورهای تابیده‌شده اخلال ایجاد می‌گردد، بنابراین موجب می‌شود تا سطح آن کدر بنظر برسد (مانند یک قطعه الماس Rough).

Refraction

سرعت نور در خلاء ۰۰۰/۳۰۰ کیلومتر بر ثانیه می‌باشد، ولی با ورود نور به محیطی دیگر، از آنجایی‌که در این محیط جدید اتم‌ها و ملوکول‌ها به صورت گاز، مایع یا جامد موجود می‌باشند از سرعت نور کاسته می‌شود. مقدار این کاهش سرعت به تراکم اتم‌های این محیط بستگی دارد، به‌طور مثال تراکم ملوکولی هوا بسیار کم است، بنابراین کاهش سرعت نور در هوا بسیار اندک بوده چنانچه به‌شورکلی سرعت نور در هوا را نیز از همان ۰۰۰/۳۰۰ کیلومتر بر ثانیه در نظر می‌گیرند، ولی در محیط‌های دیگر مثل آب، شیشه و یا سنگ‌ها از اآنجایی‌که تراکم اتم‌های بسیار بالا است، بنابراین کاهش سرعت قابل ملاحظه‌ای داریم.

به هرحال انسان این کاهش سرعت را هراندازه هم که زیاد باشد با حواس معمول احساس نکرده ولی اثر آن را به‌گونه‌ای دیگر احساس می‌کنیم که به‌صورت انحراف مسیر و یا همان شکست نور می‌باشد.

با ورود نور از یک محیط به محیطی دیگر نه تنها سرعت آن کاهش یافته، بلکه امتدا حرکت آن نیز تغییر می‌کند که دلیل آن نیز تاخیر زمانی در ورود شعاع‌های نوری به محیط جدید می‌باشدو تنها حالتی که نور تغییر محیط داده، کاهش سرعت داده ولی شکسته نمی‌شود حالتی است که نور به صورت عمود به سطح مشترک دو محیط تابیده می‌شود.

 از طرفی هرچه کاهش سرعت بیشتر باشد، میزان انحراف نور بیشتر می‌گردد. میزان این انحراف را می‌توان با تقسیم کردن سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست بدست‌آورد که آن را Refractive Index با ضریب شکست نوری نامیده و با RI‌ نشان می‌دهیم. البته برای بدست‌آوردن RI میتوان از تقسیم کردن سرعت نور در محیط اولیه به سرعت نور در محیط ثانویه نیز استفاده کرد.

ازآنجایی‌که تراکم اتمی هرماده به فرمول شیمیایی و ساختار کریستالی آن مربوط شده، بنابراین تراکم اتم‌ها در هر ماده مقدار ثابتی بوده، در نتیجه سرعت نور آن مقدار ثابتی است و در نهایت عدد RI‌ در هر ماده مقدار معینی می‌باشد، که به این ترتیب می‌توان از این عدد برای شناسایی سنگ کمک گرفت. باتوجه به این‌که سرعت نور در الماس ۱۲۴۱۲۱ کیلومتر بر ثانیه است، ضریب شکست نوری الماس برابر با ۴۱۷/۲ می‌باشد.

 البته این عدد یا بطورکلی تمامی ضرایب شکست نوری که در جداول یا کتب برای هر سنگ یا ماده‌ای ارائه می‌گردد برای نور زرد می‌باشد. زیرا مقدار شکست هریک از طول‌موج‌های نور مرئی در ماده متفاوت بوده و برای جلوگیری از اختلاف در جواب، نور زرد را به عنوان استاندارد برای اندازه‌گیری و تعیین ضریب شکست نوری در مواد انتخاب کرده‌اند.

بطورمثال RI نور قرمز در الماس ۴۰۷/۲ و RI‌نور بنفش در الماس ۴۵۱/۲ می‌باشد، و از آنجایی‌که نورهای قرمز و بنفش ابتدا و انتهای طیف نور مرئی می‌باشند، اختلاف این دو عدد که ۰۴۴/۰ می‌باشد مقدار Dispersion سنگ می‌باشد که با توجه به این مقدار الماس دارای بالاترین مقدار Dispersion در بین سنگ‌های طبیعی می‌باشد. همچنین در سنگ‌هایی که مانند الماس دارای ساختار Cubic‌ می‌باشند از آنجایی‌که فاصله یا تراکم اتم‌ها در تمامی جهات یکسان است، نور واردشده فقط دارای یک شکست بوده که به آن Single Refraction یا SR می‌گویند، ولی در سنگ‌هایی که ساختار غیر Cubic دارند، چون فاصله و تراکم اتم‌ها در جهات مختلف بلور متفاوت می‌باشد، بنابراین بیش از یک شکست داشته که به آن Double Refraction یا DR‌ می‌گویند.

با ورود نور از یک محیط رقیق‌تر (از نظر تراکم اتمی) به محیط غلیظ‌تر نور شکسته شده و زاویه شکست در مقایسه با زاویه تابش کوچک‌تر می‌باشد.

 البته چنانچه زاویه نسبت به خط عمود فرضی کوچک باشد، اختلاف آن با شکست درونی محسوس و زیاد نمی‌باشد، ولی با بزرگ‌ترشده زاویه تابش شکست نور نیز بیشتر شده و درنتیجه اختلاف در زوایه مذکور نیز بیشتر می‌شود و از آنجایی‌که بزرگ‌ترین زاویه تابش بیرونی که امکان ورود به محیط دوم را دارد نزدیک به ۹۰ درجه می‌باشد، بیشترین شکست را در این حالت داریم. حال چنانچه منبع نور را درون محیط غلیظ تصور کرده و در این حالت نور از محیط علیظ به محیط رقیق وارد شود، چون در این حالت سرعت نور افزایش پیدا کرده بنابراین در این حالت زاویه شکست بیرونی بزرگ‌تر شود.

 به‌این ترتیب زاویه شکست بیرونی نزدیک بخ ۹۰ درجه بوده و این در حالی است که تابش درونی مربوط به آن به مراتب کوچک‌تر از ۴۰درجه می‌باشد. پس به این ترتیب در محیط درونی امکان اافزایش زاویه تابش وجودداشته ولی ازآنجایی‌که در محیط بیرون امکان افزایش زاویه به بیش از ۹۰درجه وجود ندارد، این تابش‌های اخیر امکان خروج از محیط غلیظ‌تر را نداشته و نور به سمت داخل منعکس می‌گردد (Total Reflection).

بنابراین آخرین شعاع نور که بیشترین شکست بیرونی (نزدیک به ۹۰درجه) را دارد یک مرز محسوب شده و در صورتی‌که زاویه تابش دورنی کوچک‌تر از آن باشد امکان خروج داشته و چنانچه بزرگ‌تر از آن باشد امکان خروج را ندارند. به این زوایه‌ای که این مرز را ایجاد می‌کند زاویه حد (Critical Angle) گفته می‌شود. مقدار زاویه حد در الماس ۵/۲۴ درجه می‌باشد.

برگشت نور واردشده به سنگ از Pavilion به سمت بالا نیز در اثر وجود همین زوایه حد می‌باشد، و فقط چنانچه عمق Pavilion ۴۳% باشد عمده نورهای واردشده به سنگ پس از رسیدن به Pavilion در بیرون زاویه حد قرار گرفته و درنتیجه به سمت بالا منعکس می‌گردند، چنانچه عمق Pavilion کمتر از ۴۳% یا بیشتر از آن باشد، به‌هرحال مقدار بیشتری از نور درون زاویه حد قرار خواهدگرفت و درنتیجه از سمت پایین سنگ خارج شده و به سمت بالا برگشت نداشته و نتیجتاً مقدار Brilliancy و Dispersion کاهش می‌یابد.

دلیل آن‌که بسیاری از Diamond Simulant‌ها به اندازه الماس دارای Brilliancy‌ نمی‌باشند نیز به خاطر پایین‌بودن RI و یا بعکس بزرگ‌بودن زاویه حدشان می‌باشد. این خاصیت باعث شده تا چنانچه الماس دارای تراش Brilliant را به صورت Face Down‌ برروی یک خط یا نوشته قراردهیم، این خط از طریق Pavilion قابل مشاهده نباشد، زیرا نورهای حامل تصور این خط امکان خروج از Pavilion‌ را ندارند، این کار یک آزمایش قدیمی برای تشخیص الماس از غیره می‌باشد که به آن See through effect گفته می‌شود. هرچند این آزمایش برمبنای زاویه حد کاملاً صحیح می‌باشد، ولی دو شرط دارد:

۱( به شرطی این خط از طریق Pavilion مشاهده نشده که تراش Pavilion سنگ منسب بوده و با حد ایده‌آل فاصله زیادی نداشته باشد، زیرا در غیراین‌صورت همانطور که نورهای واردشده به سنگ درون زاویه حد قرار گرفته و از Pavilion خارج شوند، دراینجا نیز به دلیل نامناسب بودن تراش Pavilion تصویر خط یا نوشته درون زاویه حد قرارگرفته، از Pavilion خارج‌شده و دلیلی هم بر الماس نبودن سنگ نمی‌باشد.

۲( از طرفی سنگ‌هایی مانند Synthetic Rutile، Strontium titanate و Moissanite هم مانند الماس دارای زوایه حد کوچکی بوده و در این آزمایش خط را نشان نمی‌دهند.

بنابراین می‌توان گفت در این آزمایش چنانچه Pavilion سنگ دارای تراش منسبی بوده و خط از طریق Pavilion مشاهده شود، این سنگ به احتمال زیاد الماس نیست ولی در صورتی‌که خط یا نوشته مشاهده نشود هیچ چیزی اثبات نمی‌شود.