Taşların Optik Özellikleri: Renk, Işık ve Birefringans
Taşların optik özellikleri, iç yapıları ve ışıkla etkileşimlerinin bir sonucudur. Bu özellikler, bir taşın güzelliğini, parlaklığını ve kimliğini belirlemede önemli bir rol oynar. Bu makalede, taşların optik özelliklerini anlamak için temel kavramları ve terminolojiyi inceleyeceğiz.
Işık Dalgaları ve Taşların Optik Özellikleri
Işık, suda oluşan dalgalar gibi dalgalar halinde hareket eder. Işık dalgasının iki önemli özelliği vardır: dalga boyu ve genlik.
- Dalga Boyu: İki ardışık dalga tepesi veya çukuru arasındaki mesafe. Farklı dalga boyları, farklı renkleri temsil eder.
- Genlik: Dalganın orta noktasından tepe noktasına kadar olan mesafe. Genlik, ışığın yoğunluğunu belirler.
Işık, hareket yönüne dik olarak titreşir ve bu titreşim ışığın hareket yönüne dik olan her yöne gerçekleşir.
Kırılma İndeksi
Işık, hava gibi bir ortamdan suya gibi başka bir ortama geçerken yavaşlar ve yön değiştirir. Bu sapma, iki ortam arasındaki arayüzeye dik olan ve arayüzün normali olarak bilinen bir çizgiye göre tanımlanır. Işık, daha yavaş hareket ettiği ortamda her zaman normale doğru eğilir.
Kırılma indeksi veya kırılma oranı, ışığın iki ortamda hareket etme hızlarının oranına eşittir. İlk ortam, genellikle hava, birim ışık hızı (1) olarak kabul edilir. Bu durumda kırılma indeksi, v ışık hızının tersine eşit olur. Kırılma indeksi genellikle n harfi ile gösterilir ve ayrıca gelen ışın, yani olay ışını ve kırılan ışın (daha yoğun ortamda hareket eden) ile normale yapılan açılar cinsinden de tanımlanabilir. Bu terimlerle, kırılma indeksi, olay açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne bölünmesiyle elde edilir.
Kritik Açısı
Bir ortamdan daha az yoğun bir ortama, örneğin bir taştan havaya geçen ışık, arayüzeye o kadar bir açıyla çarpar ki, arayüzde ışık tamamen daha yoğun ortama geri yansır. Bu olayın meydana geldiği olay açısına kritik açısı denir.
Bu açı, taş kesimi için büyük önem taşır. Eğer bir taş kesici, taşın kırılma indeksine göre yanlış açılarda taş keserse, taşa giren ışık tabanından "kaçabilir". Bu durum, parlaklık kaybına neden olur. Ancak, taşın altındaki açılar doğruysa, ışık tamamen içsel olarak yansıtılır ve gözlemcinin gözüne geri döner. Bu, oldukça hoş bir parlaklık yaratır. Aslında, ışığın bu muhteşem şekilde geri dönmesini sağlamak için bu açılar hassasiyetle ayarlanır.
İzotropik Kristaller
Taşların kristal yapıları, optik özelliklerini belirler. Örneğin, izotropik kristaller, her yöne oldukça simetrik kristal yapılara sahiptir. Bu simetri nedeniyle, izotropik bir kristalin içinde herhangi bir yönde hareket eden ışık aynı hızda hareket eder. Malzemenin içinde, ışığı ölçülebilir şekilde yavaşlatan belirli bir yön yoktur. (Bu durum, amorf malzemeler, örneğin cam için de geçerlidir, çünkü amorf malzemelerin kristal yapısı yoktur.) Bu tür malzemeler izotropik olarak adlandırılır ve N harfi ile gösterilen tek bir kırılma indeksiyle karakterize edilirler.
Anizotropik Kristaller
Tüm diğer izotropik olmayan kristallerde ışık, iki polarize ışın, yani sıradan ışın ve olağanüstü ışın olmak üzere iki bileşene ayrılır. Tüm izotropik olmayan kristaller gelen ışığı bu şekilde böler ve anizotropik olarak adlandırılır.
Polarize Işık ve Taşların Optik Özellikleri
Her polarize ışın, ışığın hareket yönüne dik olarak her yöne değil, tek bir düzlemde titreşir.
Nicol prizması, mucidi William Nicol'un adını almıştır ve polarize ışığın varlığını göstermek için kullanılabilir. Bu prizma, yalnızca tek bir düzlemde polarize ışığın geçmesine izin veren özel olarak kesilmiş kalsit parçaları içerir. İki Nicol prizmasını birbirine hizalarsanız ve polarizasyon yönlerini birbirine dik olacak şekilde döndürürseniz, hiç ışık geçemez.
Benzer şekilde, taş bilimciler, bir kristal örnekten veya taştan geçen ışığın polarizasyon yönlerini test etmek için benzer bir cihaz, örneğin bir polarizasyon filtresi veya polarize mikroskop kullanabilirler. Genellikle mineraloglar, taşlar yerine minik mineral tanelerini incelemek için polarize mikroskoplar kullanırlar. Taş bilimciler, genellikle 1-3 inç çapında polaroid plastik disklerden oluşan ve bir polariskopta monte edilmiş daha büyük polarizasyon cihazlarını kullanmayı tercih ederler.
Tek Eksenli Kristaller
Tetragonal ve hekzagonal sistemdeki anizotropik kristaller, kristalin diğer iki ekseninden daha uzun veya daha kısa olan benzersiz bir kristal eksenine sahiptir. Bu eksenle paralel bir yönde hareket eden ışık, diğer iki eksenin düzlemde titreşir. Diğer iki eksen eşdeğer olduğundan, bu titreşim düzgün olur ve izotropik bir kristaldeki ışığın titreşimine benzer. Eğer iki Nicol prizması, tetragonal veya hekzagonal kristallerde bu özel yönde hareket eden ışıkla aynı hizaya getirilirse ve prizmalar, polarizasyon yönleri çapraz (dik) olacak şekilde döndürülürse, kristalin dışına çıkan hiçbir ışık gözlenmez. Tetragonal ve hekzagonal kristal sistemlerinde kristalleşen taşlar, bu benzersiz optik yönün varlığı nedeniyle tek eksenli olarak adlandırılır.
İki Eksenli Kristaller
Tüm diğer sistemlerdeki anizotropik kristaller, ışığın hareket yönüne dik olarak düzgün bir şekilde titreştiği iki farklı yön içerir. Sonuç olarak, ortorombik, monoklinik ve triklinik sistemlerdeki kristaller iki eksenli olarak adlandırılır. Bu tür kristallerde ışığın davranışının tam açıklaması oldukça karmaşıktır.
Tek Eksenli Kristallerde Birefringans
Tek eksenli kristallerde, optik eksen boyunca hareket eden ve bu yöne dik bir düzlemde eşit olarak titreşen ışın sıradan ışındır. Diğer ışın, benzersiz kristal eksen yönünü içeren bir düzlemde titreşen olağanüstü ışındır. Bu ışınlar (yönler) için kırılma indeksleri - o (sıradan) ve e (olağanüstü) olarak gösterilir - tek eksenli bir taş için temel optik parametrelerdir.
Eğer o ışının kristaldeki hızı e ışının hızından büyükse, kristale pozitif (+) denir. Eğer e ışının hızı daha büyükse, kristale negatif (-) denir.
Tek eksenli bir kristalde birefringans, o ve e için kırılma indeksleri arasındaki farkına eşittir.
İki Eksenli Kristallerde Birefringans
İki eksenli kristallerin üç farklı kristalgrafik ekseni vardır. Ayrıca, tek eksenli bir kristaldeki benzersiz optik eksene benzeyen, kristalin içinde iki benzersiz yönü vardır. Yunan harfleri α (alfa), β (beta) ve γ (gama) bir iki eksenli kristalin kırılma indekslerini gösterir.
En düşük indeks olan alfa, X olarak bilinen ve kristalin içindeki en hızlı ışık hızına sahip olan kristalin yönünü ifade eder. Orta indeks olan beta, Y kristalgrafik yönüne karşılık gelir ve orta ışın hızını temsil eder. En yüksek kırılma indeksi olan gama, Z kristalgrafik yönüne karşılık gelir ve en yavaş ışın hızına sahiptir.
İki eksenli bir kristalde birefringans, alfa ve gama indeksi arasındaki farka eşittir. Mineraloglar, kristalin içindeki iki optik eksen arasındaki dar açıyı, 2V olarak gösterilir, yararlı bir parametre olarak görürler.
Çıkan sonuç şu ki, eğer beta indeksi alfa ve gama arasında tam olarak ortadaysa, 2V açısı tam olarak 90° olur. Son olarak, beta değeri gamaya alfa'dan daha yakınsa, kristale optik olarak negatif denir. Beta değeri alfa'ya daha yakınsa, kristale optik olarak pozitif denir.
Hem kırılma indeksleri hem de birefringans, kristalleri karakterize etme ve tanımlamada yararlı parametrelerdir. Her ikisi de kompozisyon ve yabancı maddelerin varlığıyla değişir ve tek bir kristalin içinde bile değişebilir.
Dispersiyon ve Taşların Optik Özellikleri
Kırılma indeksinin esasen göreceli ışık hızının bir ölçüsü olduğunu her zaman hatırlayın. Işığın her dalga boyu, verilen bir ortamda (hava dışında) farklı bir hızla hareket eder. Sonuç olarak, her dalga boyunun kendi kırılma indeksi vardır. Dalga boyunda meydana gelen değişiklikle kırılma indeksindeki farka dispersiyon denir.
Dispersiyon, taşları renklerle parlatır. Örneğin, elmaslarda, kırmızı ve mavi ışık arasındaki kırılma indeksi farkı oldukça büyüktür. Bu, elmasların parlaklığını sağlar. Işık kesilmiş bir taşın içinden geçerken, çeşitli dalga boyları (renkler) ayrılır. Işık nihayet taştan çıktığında, spektrumun çeşitli renk bölümleri tamamen ayrılmış olur.
Bilim adamları, dispersiyonu boyutsuz bir sayı olarak rapor eder, yani ölçü birimi yoktur. Ancak, referans noktaları olarak kullanılan dalga boylarını seçerken bazı seçimler mevcuttur. Genellikle, taş bilimciler bir taşın dispersiyonunu, Fraunhofer B ve G çizgileri arasındaki kırılma indeksi farkı olarak alırlar. Fraunhofer çizgileri, sırasıyla 6870 ve 4308 Å'de güneşin spektrumunda gözlenir.
Bir angstrom (Å), metrenin on milyarda biridir ve bilim adamları tarafından ışık dalga boylarını ölçmek için kullanılır. Ayrıca, metrenin milyarda biri olan veya 10 Å'ya eşit olan nanometre (nm) de kullanılır.
Hartmann Dispersiyon Ağı
Bazı durumlarda, gemoloji literatüründe bir taş için dispersiyon bilgisi bulunmaz. Ancak, mineraloji literatüründe, belirli farklı dalga boylarında (B ve G dalga boylarını içermeyen) ölçülen kırılma indeksi için veriler olabilir. Bu gibi durumlarda, taş bilimciler Hartmann Dispersiyon Ağı olarak bilinen özel bir grafik kağıdını kullanarak dispersiyonu hesaplayabilirler. Bu logaritmik tipte kağıda, tüm yararlı aralığı kapsayan belirli dalga boylarında kırılma indeksleri çizilebilir. Taş bilimciler, bu doğrusal çizimleri B ve G çizgilerinin konumlarına ekstrapole edebilirler.
Taşların Optik Özellikleri ve Opak veya Yarı Şeffaf Malzemeler
Bazı durumlarda, opak malzemelerde olduğu gibi, yalnızca bir refractometre kırılma indekslerini doğru bir şekilde ölçemeyebilir. Bunun yerine, cihaz, malzemenin ortalama bir indeksini temsil eden belirsiz bir çizgi verir. Bununla birlikte, bu sayı yine de taş bilimcilerin rutin bir incelemede ne bulmayı beklemeleri gerektiğini gösterir.
Tek Bir Dalga Boyunu Kullanarak Kırılma İndekslerini Ölçme
Bir refractometre, kırılma indekslerinin tamamını (tüm ışık dalga boylarını) etkili bir şekilde aynı anda ölçer. Taş bilimciler, yalnızca tek bir dalga boyu seçerek daha doğru ölçümler yapabilirler. Evrensel olarak, sodyum emisyon spektrumunu karakterize eden ve D olarak bilinen spektral (sarı) çizgiyi seçerler.
Pleokroizm ve Taşların Optik Özellikleri
Bir kristal, içinden farklı yönlerde geçerken ışığı farklı şekilde emebilir. Bazen, farklılıklar yalnızca emilim veya yoğunluk derecesinde olur. Ancak, diğer durumlarda, farklı yönlerdeki farklı dalga boyu bölümlerinin emilmesi, geçirilen ışığın renklerine yol açar. Bu olguya pleokroizm denir.
Tek eksenli malzemelerde, yalnızca iki farklı optik yön olduğundan, taş bilimciler bu olguya dikroizm derler. Diğer izotropik olmayan malzemelerin üç farklı optik yönü vardır, bu nedenle trikroizm gösterebilirler. Pleokroik renkler bazen çok belirgin ve güçlü bir şekilde görünür. Bu durum, onları taş tanımlaması için faydalı hale getirebilir.
İzotropik Taşlarda Anormal Renkler
İzotropik taşlar, ışığın hareket yönüne göre içlerinden geçen ışığın hızını veya özelliklerini farklı şekilde etkilemediği için, bu malzemeler asla pleokroizm göstermez. Ancak, bir izotropik malzemenin polarize ışıkta anormal renkler gösterdiği görülebilir. Genel olarak, bu etkiler gerilmeye bağlanır, ancak bol miktarda kanıt, belirli kristalgrafik bölgelerde atomların düzenli düzenlemesinin daha olası bir neden olduğunu göstermektedir.
Dr. Arem, sayısız organizasyonun kurucu ortağı ve başkanıdır ve mineraloji ve taş bilimi alanında ömür boyu süren bir kariyere sahiptir. Smithsonian bilim adamı ve küratörü, birçok tanınmış şirket ve kuruluşa danışmanlık yapmış, üretken bir yazar ve konuşmacı olmuştur. Ana faaliyetleri taş kesici ve satıcısı olmasına rağmen, her zaman odak noktası eğitim olmuştur.
