От чего зависит дисперсия бриллианта

Опубликовано: 01.12.2022

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!

Блеск камня - это сила отражения света от его поверхности. Мы можем наблюдать блеск (и вообще видеть поверхность камня), потому что часть света отражается, не проходя внутрь. Отражательная способность, от которой зависит сила блеска, является свойством вещества, которое для минералов обычно описывается качественно. Например, для разных минералов характерен "металлический", "стеклянный", "алмазный", "перламутровый" или иной блеск. Алмазный блеск – сильный, т.е. минералы, обладающие алмазным блеском (и среди них алмаз), имеют сильную отражательную способность. Блеск, который проявляется на природной грани или сколе кристалла, более выигрышно выглядит на гладких полированных поверхностях, которые отражают весь пучок падающего на камень света в одном направлении. Поэтому кажется, что чем лучше отполирован камень, тем сильнее он блестит. Кроме того, блеск зависит от угла падения луча света на поверхность камня (коэффициент отражения для луча света, падающего перпендикулярно поверхности бриллианта, равен 17%). И, наконец, чистый бриллиант блестит сильнее, чем камень с загрязненной поверхностью.

Преломление света происходит на границе воздух-камень при входе светового луча в камень или при выходе из него. Показатель преломления воздуха принят равным 1, а показатель преломления алмаза равен 2.42, что делает алмаз одним из самых высокопреломляющих прозрачных минералов. Именно большая разница в показателях преломления воздуха и алмаза заставляет луч света при пересечении границы воздух-алмаз сильно изменять направление. Свет преломляется таким образом, что угол его падения в воздухе больше угла преломления в бриллианте (по отношению к нормали границы "воздух-алмаз"). Соответственно, при выходе из бриллианта в воздух луч света больше отклоняется от нормали. Начиная с определенного угла, свет, пройдя в бриллианте до границы с воздухом, отражается целиком в бриллиант. Такой угол называется критическим и для алмаза равен 24,5 градуса. В бриллианте, у которого соблюдены пропорции и углы, свет, входящий в бриллиант через грани короны, дважды полностью отражается от граней павильона по закону полного внутреннего отражения и выходит через корону камня (в глаз наблюдателя). Благодаря этому свойству бриллиант не пропускает свет "насквозь", в отличие от большинства имитаций. Преломленный в бриллианте свет, выходя наружу, смешивается с отраженным. Иногда блеском называют смесь отраженных и преломленных лучей. Для описания доли света, возвращаемой в наш глаз, по сравнению с количеством падающего света, применяется термин "сверкание" или "бриллианция".

Дисперсия выражается в способности камня разлагать белый луч света на спектральные составляющие, и на практике выглядит в виде выходящих из камня красных, зеленых, синих и т.д. цветных лучей. Это свойство также постоянно для каждого вещества и определяется различной величиной показателя преломления для лучей разных цветов (Рисунок 3), причем показатель преломления для фиолетового луча больше, чем для красного. Величина дисперсии для алмаза равна 0,044, и это также одно из самых высоких значений среди минералов. Любой луч белого света, проходя через бриллиант, разлагается на спектральные составляющие, но для того, чтобы дисперсия луча была заметна глазом, нужно, чтобы часть лучей после разложения на спектр вышла из камня наружу, а часть отразилась в бриллиант. Такое условие выполняется далеко не для всех лучей в бриллианте, поэтому большинство лучей, выходящие из бриллианта, белые, и только меньшая часть – цветные. Чем длиннее путь, который луч света проходит в бриллианте в результате многократных переотражений, тем больше расходятся цветные лучи и тем сильнее проявляется дисперсия. Как следствие, крупный бриллиант будет "играть" сильнее, чем мелкий.

Термины "игра" или "огонь" используются для характеристики тех разноцветных лучей, которые человек видит как результат дисперсии света в бриллианте.

Явление, возникающее, если бриллиант, источник освещения или наблюдатель приводятся в движение. В этом случае вся картина белых и цветных участков в бриллианте начинает сложным образом изменяться: различные грани камня то вспыхивают, то угасают, различные цвета игры сменяют друг друга. Для человека такая изменяющаяся во времени картина является эстетически привлекательной, и поэтому всю красоту бриллианта трудно оценить в неподвижном состоянии.

Цвет камня - свойство, определяемое избирательным поглощением света. Идеальный бриллиант полностью бесцветен, однако в реальном камне всегда есть микропримеси и структурные дефекты, которые поглощают часть проходящего через камень света. При этом желтый цвет, присущий в той или иной мере большинству бриллиантов, возникает в камнях, которые поглощают главным образом синюю и зеленую часть спектра (см. рисунок). Редкие цветные бриллианты имеют другой характер поглощения. Алмазы с небольшой концентрацией центров окраски имеют не цвет, а "нацвет" или оттенок цвета. Наоборот, если поглощение сильное, то это начинает сказываться на прозрачности камня, и темноокрашенные камни воспринимаются как полупрозрачные.

Итоговое впечатление от бриллианта определяется совокупностью отражения, преломления, дисперсии и поглощения, и воспринимается как блеск, сверкание, игра, цвет. Человеческое восприятие оптических свойств бриллианта можно представить в виде следующей схемы:

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 драгоценных камней, которые всегда приводятся в описаниях, 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 так, да не совсем так. Коэффициент преломления действительно описывает, насколько луч света при стандартных условиях (температура 20оC, влажность 25%) отклонится от своей условно прямой (в воздухе) траектории в точке контакта воздуха и поверхности, например - того же драгоценного камня. Но зависит значение коэффициента преломления от другого.
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 чистого 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, 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!

Минерал алмаз по сути представляет собой одну из многочисленных модификаций углерода. Физические свойства алмаза определяются внутренним строением кристалла.

Как и другие минералы, физические свойства алмаза оцениваются по следующим критериям:

  • Твердость
  • Плотность (удельный вес)
  • Коэффициент преломления и дисперсия
  • Структура кристаллической решетки (см. Химические свойства алмазов)

Твердость алмаза

По шкале Мооса твердость алмаза является максимальной и равна 10.

Данная общепринятая шкала Мооса дает относительные значения по твердости . Ее показатели говорят о том, что минерал с более высоким числом царапает минерал с более низким.

Следующим после алмаза по твердости в шкале идет корунд со значением 9. Но его абсолютное значение твердости в 150 раз меньше чем у алмаза – что говорит об абсолютном лидерстве алмаза в этом отношении.

Существуют и другие способы определения твердости, но оценка по Моосу (царапание минерала другим минералом-эталоном) оказалась наиболее простой и наименее разрушительной методикой, которая широко используется и в настоящее время.

Твердый — значит не сломать?

Твердость алмаза не одинакова в разных направлениях кристалла. На этом основана распиловка, огранка и шлифовка алмазов. Высокая твёрдость обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Одновременно с твердостью, алмаз является достаточно хрупким, что несколько ограничивает его применение. Под воздействием сильного удара алмаз легко раскалывается по плоскостям, параллельным граням правильного октаэдра.

Плотность (удельный вес) алмаза

Удельный вес (плотность) алмаза находятся в промежутке 3,417-3,55 гр/см3. Это достаточно много, и высокая плотность в том числе влияет на прочность данного минерала.

Удельный вес тела есть отношение его веса к весу чистой воды равного объема.

Таким образом, при одинаковых объемах, алмаз весит примерно в 3,52 раза больше чем вода.

Коэффициент преломления и дисперсии алмаза

Характерный блеск и «огонь» ограненных и отполированных алмазов (бриллиантов) обусловлен очень высоким показателем преломления (от 2,417 до 2,421) и сильной дисперсией (0,0574).

Для справки: светопреломление – это отклонение направления светового луча при вхождении в другую среду, где свет резко меняет свою скорость. Дисперсия – это различия в показателе преломления в зависимости от цвета (длины волны) применяемого освещения.

Рис.1: Схематичное изображение дисперсии:

Рис.2: Игра «огня» в бриллианте

Алмаз имеет показатель преломления 2,42, что является самым высоким среди всех драгоценных камней, используемых в ювелирном деле. Именно поэтому мы имеем удовольствие наблюдать такие свойства камня бриллиант, как сверкающий, алмазный блеск.

Уникальное сочетание дисперсии с высоким преломлением и твердостью алмаза, позволяющего отполировать его грани без малейших изъянов, составляет именно тот уникальный набор свойств, который позволил занять алмазу вершину в мире драгоценностей.

Другие физические свойства алмазов

Алмаз характеризуется аномально высокой теплопроводностью, которая составляет 900—2300 Вт/(м·К) и является наивысшей среди всех твердых тел. Это свойство позволяет рассматривать алмаз в качестве перспективного полупроводника (конечно, при условии, что будут разработаны достаточно дешевые методы производства синтетических алмазов). Существующие в настоящее время кремниевые полупроводники могут работать до 100°С, в то время как алмазные микросхемы будут работоспособны при гораздо более высоких температурах.

Из прочих свойств можно отметить, что алмаз не растворяется в кислотах и щелочах, является диэлектриком, обладает очень низким коэффициентом трения по металлу на воздухе (0,1) что объясняется образованием на поверхности алмаза тонких плёнок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Под действием дневного света и особенно ультарфиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться голубым, желтым и зеленым цветом, под действием катодных лучей проявляется люминесценция бледно-голубым цветом, под действием рентгеновских лучей – синеватым. Алмазы обладают свойством прилипать к некоторым жировым смесям. Это свойство широко используется для извлечения алмазов на обогатительных фабриках.

Температура плавления алмаза составляет 3700—4000 °C при давлении 11 ГПа. На воздухе алмаз начинает горение при 850°C. В струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720—800 °C, полностью превращаясь в углекислый газ. Нагревание алмаза без доступа воздуха приводит к его частичному переходу в графит при температурах выше 1500°С. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз переходит в графит за 15-30 минут.

Алмаз - царь камней

Бесцветный алмаз
Удивительный минерал, известен человечеству уже более 5 тысячелетий.
При описании алмаза всегда используют эпитет превосходной степени «самый» - самый твёрдый, самый блестящий, самый редкий, самый дорогой и прочее-прочее.
Алмаз прочно удерживает первенство в ряду всех драгоценных камней с тех пор, как его искусно огранённые формы, известные как бриллианты, выявили всё совершенство свойств этого минерала.
Именно поэтому посвящаем волшебному камню отдельное описание.
Алмаз сочетает исключительную твёрдость, высокое светопреломление, сильную дисперсию и яркий блеск.
« Сырой » алмаз часто имеет непрезентабельный, невзрачный вид и непривлекателен для глаз.
Именно поэтому не трудно понять, почему персы ещё в XIII веке располагали алмаз в ряду драгоценных камней после жемчуга, изумруда и рубина.

от древне-греческого: ἀδάμας [adamas] - «неодолимый», «несокрушимый»
через арабабский ألماس [’almās]
и турецкого elmas

В Древней Индии алмазам приписывал фантастические магические свойства, поэтому все сведения об их добыче оберегали, тщательно скрывали.
В Европу алмазы попали в V - VI веках до нашей эры. Плиний Старший в своей «Естественной истории» описал известные в те времена свойства алмазов.
Посетители Британского Национального музея могут увидеть бронзовую статуэтку, найденную в Древней Греции, с двумя неограненными алмазами вместо глаз.
На Руси слово алмаз впервые было упомянуто в путевых записках под названием «Хождение за три моря» тверского купца Афанасия Никитина, жившего в середине XV века. В «Лапидариях» (XI - XIII века, популярный жанр литературы эпохи Средневековья и Возрождения) алмазы были разделены на женские и мужские.
Древние жители думали, что алмаз вселяет в своего владельца дополнительную силу, твёрдость и мужество, защищает от враждебных сил, усиливает остроту ума, укрощает ярость и сластолюбие, дает воздержание и целомудрие.
Персы в XVI веке считали, что долгое и пристальное созерцание прозрачного алмаза разгоняет хандру, снимает с глаз пелену мрака, делает человека проницательнее и настраивает на весёлый нрав. А алмаз, прикреплённый к руке женщины, помогает разрешиться от бремени.
Также в те далёкие времена люди верили, что из двух воюющих сторон побеждает та, у которой алмаз больше.
Ослепляющая красота алмаза открывается только тогда, когда камень огранён в форму бриллианта. Название «алмаз» происходит от «адамас» - так называли минерал, который, как пологали во времена Плиния, превосходил по качеству другие камни.
Однако определение «адамас» Плиний часто применял для обозначения других минералов, помимо несравненного камня, который со времён Средневековья также известен как «diamond».
Название «diamond» происходит от латинского слова «adamantem» и его распространённой формы «adiamentem». Слово «борт» происходит, вероятнее всего, от старофранцузского «bord» или «bort», что означает «неполноценный». «Карбонадо» - португальское слово, означающее «углистый», употреблялось для обозначения плотных, зернистых разновидностей алмаза, встречающихся в Бразилии.

Свойства алмазов, диагностика

В настоящее время этот замечательный минерал изучен досконально.
Из всех драгоценных камней алмаз имеет самый простой химический состав.
Алмаз на 96-99.8% состоит из углерода. Алмаз является кристаллическим углеродом. В его кристаллической решётке атомы углерода прочно объединены силами ковалентных связей. Каждый атом соединён с четырьмя окружающими его атомами.
Кристаллы алмаза разнообразны, помимо плоскогранных, распространены кривогранные формы.
В качестве примесей алмаза, определяющих цвет и оттенок, в нём установлены в различных количествах до 0.3% более 25 элементов таблицы Менделеева, такие как: (водород) H, (алюминий) Al, (кремний) Si, (золото) Au, (серебро) Ag, (титан) Ti, (свинец) Pb и другие. В алмазе часто присутствуют примеси, в основном - окись железа и кремнезём со следами извести и магнезии, доля примесей не превышает 5%.
Алмаз бесцветен, либо, что бывает редко, обладает цветными оттенками разной степени интенсивности.
Совершенно бесцветные алмазы – большая редкость. Как правило, у них наблюдается какой-либо оттенок (нацвет). Алмаз может быть окрашен в жёлтоватые, сероватые, зеленоватые, сиреневатые и коричневые тона.
В основном встречаются алмазы, имеющие интенсивную окраску жёлтого, оранжевого, синего, голубого, розового, коричневого, серого, молочно-белого и чёрного цветов.
Именно наличие окиси железа объясняет желтоватый оттенок. Алмаз очень стабилен при нормальных условиях, но, находясь в вакууме или в инертном газе при повышенных температурах, переходит в графит.
Борт (bort или boart) представляет собой скрытокристаллическую форму, в которой кристаллы алмаза беспорядочно распределены. Этот термин используется также для обозначения кристаллов алмазов и их обломков, не находящих применения в ювелирном деле. Такие кристаллы измельчаются и используются при полировке.
Карбонаро (чёрный алмаз), как и bort, является скрытокристаллической разновидностью алмаза, неоднородная масса еще более мелких кристаллов. Используется при производстве режущих инструментов.

Твёрдость алмаза

Специалисты считают алмаз уникальным минералом, обладающим такими свойствами, которых нет у других веществ. Человеку пока неизвестны природные или искусственные материалы, более твердые, чем алмаз.
Высокая твердость и износостойкость алмаза обусловливает его широкое применение в науке и технике.
Например, на шкале твердости минералов алмаз является эталоном с самым высоким показателем, твёрдость алмаза равна 10, а самая высокая из всех минералов микротвёрдость находится в диапазоне от 93 157 до 98 648 Мпа. При этом у алмаза наблюдается анизотропия твёрдости. Это свойство проявляется так, что в разных направлениях и на различных гранях твёрдость кристалла отличается. Это свойство алмаза используется при его обработке.
Износостойкость алмаза колеблется в широких диапазонах, среднее ее значение в несколько раз превышает износостойкость известных абразивных материалов, таких как карбиды кремния и бора.

В популярной литературе можно встретить такой «метод» для отличия бриллианта от других камней (по твердости): бриллиант оставляет царапину на стекле, в то время как все остальные камни стекло не царапают.
В действительности же некоторые имитации бриллианта (в том числе самая распространенная – фианит) легко царапают стекло. Твердость оконного стекла равна 6, кварца – 7, топаза – 8, фианита – 8,5, бесцветного корунда (лейкосапфира) – 9, искусственного муассанита – 9,5. Поэтому тест со стеклом – не очень удачный диагностический метод. Теоретически вместо стекла можно воспользоваться другим более твердым материалом – например, корундом или муассанитом, твердость которых около 9. Но важно учесть, что в этом случае на не бриллиантах останутся царапины.
В итоге твёрдость алмаза, которой он действительно отличается от всех других камней, геммологи обычно не могут использовать как диагностическое свойство. Оно может служить только косвенным признаком: благодаря высокой твердости бриллиант не теряет блеска и игры с годами, поскольку его полировку сложно испортить. Нужно только время от времени очищать камень от микрочастиц пыли и жира.
При этом другие более мягкие имитации (стекло, например) с годами истираются: их грани покрываются царапинами, а ребра завальцовываются («затираются»).

Абразивная способность любого материала определяется отношением массы сошлифованного материала к массе израсходованного для этого абразива.
Если принять за единицу абразивную способность алмаза, то абразивная способность карбида кремния составит 0.2-0.3, а карбида бора – 0.5-0.6.

Электро и теплопроводность алмаза

Алмаз обладает высокой теплопроводностью. В основном, алмазы не проводят электричество,
исключение составляют голубые алмазы, содержащие бор.

Ювелиры часто используют для диагностики бриллиантов даймонд-тестер (даймонд-детектор). Их работа основана на измерении теплопроводности камня. Они позволяют отличить бриллиант от всех имитаций, за исключением муассанита (поскольку у последнего также очень высокая теплопроводность).
Различить между собой бриллиант и муассанит позволяет муассанит-тестер (или дуотестер), помимо теплопроводности измеряющие электропроводность:
в отличие от проводящего муассанита, алмаз электричество не проводит!

Теплопроводность алмаза может меняется под воздействием температуры.

Плотность алмаза

Плотность алмаза составляет 3.515 грамма на кубический сантиметр.
В природе попадаются алмазы, у которых находят существенные отклонения от этой величины, обусловленные наличием трещин, пор, различных включений.
Плотность прозрачных с наличием зеленоватых пятен алмазов или дымчато-коричневых немного ниже, чем у жёлтых или бесцветных алмазов. Но эти колебания плотности очень незначительны.
Однако в качестве диагностического признака у плотности есть важное ограничение: измерить плотность можно только для неоправленного камня.

Рассмотренные выше свойства – твердость, теплопроводность, электропроводность, плотность – условно относят к физическим. Другая группа свойств камней называется оптическими (например, показатель преломления, дисперсия, цвет).

Показатель преломления алмаза

Показатель преломления света в алмазе высокий – 2,42.
Он позволяет находить такие формы и пропорции огранки бриллианта, при которых лучи света, входя в камень со стороны короны, переотражаются гранями павильона и выходят обратно снова через грани короны.
В результате наблюдатель видит в бриллианте вспышки света, даже когда камень находится в изделии, и со стороны павильона свет в него не поступает. Если такую же форму огранки придать другому камню с близким к алмазу показателем преломления, лучи будут идти тем же путем, поэтому мы не можем отличить ограненный бриллиант от фианита ни по яркости, ни по рисунку отражений граней.
Если же стандартной бриллиантовой огранкой огранить бесцветный сапфир (его показатель преломления 1,76) или горный хрусталь (показатель преломления 1,54), то их можно отличить от бриллианта по внешнему виду: у этих камней по сравнению с бриллиантом яркость меньше, через грани павильона в лупу можно видеть фон, а рисунок отражений граней отличается от такового в бриллианте. Имитирующие бриллиант стекла могут иметь разные показатели преломления, и чем выше показатель, тем больше такое стекло внешне похоже на бриллиант. « Стразы » – старинное название имитаций бриллианта из стекла, которые за счет примесей обычно имеют высокий показатель преломления.

Дисперсия алмаза

Дисперсия света отвечает за «игру» камня. Для алмаза дисперсия численно равна 0,044, и по сравнению с другими камнями это высокая дисперсия, поэтому в бриллианте мы часто можем видеть не только белые, но и цветные вспышки света.
Высокий показатель преломления (2.417) объясняет яркий блеск алмаза. Для лучей света разной длины (цвета) показатель преломления алмаза неодинаков: для красного света – 2.402, для жёлтого – 2.417, для зеленого – 2.427, для фиолетового - 2.465.
Именно высокой дисперсией объясняется « игра » ограненных алмазов – бриллиантов. Дисперсия фианита и муассанита близка по значению к дисперсии алмаза, поэтому по частоте проявления цветных вспышек мы не можем отличить эти материалы от алмаза.
Некоторые имитации – например, титанат стронция (фабулит) или синтетический рутил, – имеют более высокую дисперсию и потому проявляют больше цветных вспышек, чем бриллиант.
С другой стороны, камни с низкой дисперсией (кварц, топаз, лейкосапфир) мы можем отличить от бриллианта по отсутствию цветных вспышек.

Цвет алмаза

По цвету все алмазы условно разделяют на две группы.
Бесцветные алмазы
Первая группа – это алмазы бесцветные или околобесцветные (с цветовыми оттенками, особенно часто – желтоватыми и коричневатыми), среди них наиболее ценными являются камни бесцветные, не обладающие цветными оттенками).
Жёлтый алмаз
Другая группа – это цветные алмазы.
Некоторые имитации алмаза, например, фианит, можно выращивать разных цветов, в том числе и таких, которых не бывает у алмаза.
В этом случае фианит является имитацией других камней, например, зеленый – изумруда, фиолетовый – аметиста. С другой стороны, природный цветной камень может быть имитацией цветного алмаза, например, коричневый циркон могут выдавать за коричневый бриллиант.
Чёрный искусственный муассанит используют как имитацию черных алмазов.
В отличие от остальных свойств, цвет в неодинаковой мере присущ разным алмазам. То есть все алмазы имеют одинаковую твердость и плотность, но разные алмазы могут иметь разный цвет, в зависимости от содержания в них окрашивающих примесей. Изредка можно встретить алмазы или бриллианты с заметным неравномерным распределением окраски.
Определённой привлекательностью обладают алмазы коричневато-жёлтого цвета. Обычны также камни зеленоватого оттенка, хотя этот цвет редко присутствует по всему объему алмаза. Нередки и коричневые алмазы, а розовые, рубиново-красные, розовато-лиловые и синие алмазы редки.
Окраска алмазов связана с наличием различных примесей в структуре кристаллов, иногда – с включениями ряда минералов. Наиболее распространена окраска алмазов жёлтого цвета, обусловленная наличием атомов азота. Зелёные пятна пигментации , окрашивающие поверхность алмазов в зеленоватый или голубоватый цвет, появляются в результате природного радиоактивного облучения. При нагревании они становятся жёлтыми. Жёлтые пятна пигментации наблюдаются на алмазах из древних россыпей.
Встречаются алмазы с синей и голубой окраской, обусловленной вхождением в структуру алмаза бора.
Сапфирово-синие алмазы чрезвычайно редки и стоят весьма дорого.
Очень распространены дымчато-коричневые и реже розовато-сиреневые алмазы, окраска которых связана с дефектами на плоскостях скольжения.
Молочно-белая окраска объясняется наличием мелкодисперсных включений граната во внешней части алмаза.
Серая, чёрная окраска алмазов зависит от концентрации включений графита.
Для обозначения алмазов с чёрными пятнышками вкраплений используют определение « пике » (от французкого слова «pique» - исколотый, пятнистый от укусов насекомых).

Алмаз становится синим, сине-зелёным, а при увеличении длительности облучения – темно-зелёным и чёрным.
В зависимости от свойств алмазы делят на ювелирные и технические. Технические алмазы низкосортны. К ювелирным относят прозрачные алмазы (бесцветные или с нацветом) с небольшим количеством дефектов.
Именно ювелирные алмазы после огранки превращаются в бриллианты .

Читайте также: