Współczynniki załamania światła.
Współczynniki załamania światła minerałów są różne; jest to ważna cecha rozpoznawcza, pozwalająca na oznaczanie minerałów nieraz o bardzo podobnych własnościach.
Minerały optycznie izotropowe, tj. bezpostaciowe, jak opal, oraz krystalizujące w układzie regularnym, jak diament, granaty, spinele i fluoryt, mają tylko jeden współczynnik załamania światła, oznaczany symbolem n. Minerały optycznie anizotropowe należące do innych układów krystalograficznych mają dwie lub trzy wartości głównych współczynników załamania światła. W minerałach optycznie jednoosiowych współczynniki te określane są symbolem na dla promienia zwyczajnego i nt dla promienia nadzwyczajnego. Minerały optycznie dwuosiowe mają trzy współczynniki załamania światła.
Wartość podwójnego załamania światła jest cechą charakterystyczną, która w wielu przypadkach ułatwia identyfikację minerałów.
Światło białe, np. słoneczne, z lampy łukowej lub żarowej (żarówki), nie jest jednorodne. „Składa się ono z fal o różnej długości. Po przejściu przez szklany pryzmat wiązka promieni światła białego ulega odchyleniu od pierwotnego kierunku i rozszczepieniu, dając barwne widmo. Zjawisko to nosi nazwę dyspersji światła. Najsilniejszemu odchyleniu ulegają fale fioletowe, słabszemu — niebieskie, zielone, żółte, najsłabiej załamuje się światło czerwone. Światło rozszczepione można zebrać za pomocą drugiego pryzmatu z powrotem w wiązkę białą.
Światło jednobarwne, czyli monochromatyczne, którego fale mają ściśle określoną długość, wykazuje charakterystyczną barwę. Różne barwy światła monochromatycznego odpowiadają różnym długościom fal:
| barwa | długość fali w nm |
| czerwona | 780—660 |
| pomarańczowa | 660—590 |
| żółta | 590—570 |
| zielona | 570—510 |
| niebieska | 510—450 |
| fioletowa | 450—380 |
Wymienione barwy wchodzą w zakres światła widzialnego. Do światła niewidzialnego, na które nie reaguje ludzkie oko, należy światło podczerwone (o długości fal większej od światła czerwonego) i światło nadfioletowe, czyli ultrafioletowe (o długości fal mniejszej od światła fioletowego).
Od długości fali zależy wielkość współczynnika załamania światła, przy czym zwykle dla światła fioletowego jest on wyższy niż dla światła czerwonego. Do dokładnych pomiarów współczynnika załamania światła używa się światła monochromatycznego; najczęściej jest-to światło żółte (sodowe), co zaznacza się umieszczając symbol pierwiastka sodu Na poniżej litery n, oznaczającej współczynnik załamania: nNa. W bardzo dokładnych pomiarach współczynnika załamania podaje się ponadto temperaturę i ciśnienie, od nich bowiem zależy również częściowo jego wartość.
Dyspersja światła kamieni szlachetnych.
Różnica prędkości światła czerwonego i fioletowego przy przejściu przez jakąś substancję jest miarą dyspersji tej substancji. Wyraża ją różnica współczynników załamania światła fioletowego i czerwonego. Diament odznacza się wśród kamieni szlachetnych bardzo wysoką dyspersją; przewyższa ją jedynie dyspersja kilku minerałów, zwłaszcza syntetycznego rutylu. Dyspersję zbliżoną do diamentu (0,044) ma cyrkon (0,038). Wysoka dyspersja diamentu jest istotnym czynnikiem wywołującym tzw. ogień tak charakterystyczny dla tego najcenniejszego spośród kamieni szlachetnych. Patrząc na diament w pewnym kierunku można zauważyć blask barwy żółtej, nieznaczny obrót kamienia może wytworzyć blask czerwony lub niebieski. Ciała o niewielkiej dyspersji, jak kwarc lub szkło, nie mają ognia lub wykazują go tylko w bardzo słabym stopniu.
Określanie wartości współczynników załamania światła. Po przejściu światła ze środowiska optycznie rzadszego, tj. o niższym współczynniku załamania, do środowiska optycznie gęstszego, tj. o wyższym współczynniku załamania, następuje załamanie w kierunku prostopadłej padania światła. Kąt załamania jest mniejszy od kąta padania. Gdy natomiast światło przechodzi ze środowiska optycznie gęstszego do rzadszego, kąt załamania jest większy od kąta padania. W przypadku tym, gdy światło będzie padało pod coraz to większym kątem, okaże się, że pod pewnym kątem padania promień załamany będzie biegł na granicy środowisk o różnej gęstości optycznej. Przy jeszcze większym kącie padania następuje całkowite wewnętrzne odbicie światła. Występuje wtedy silny blask, mający tak duże znaczenie dla kamieni szlachetnych.
Kąt padania, pod którym promień załamany nie przechodzi już ze środowiska optycznie gęstszego do optycznie rzadszego, lecz ulega całkowitemu odbiciu, nazywa się kątem granicznym. Dla różnych ciał kąt graniczny ma różne wartości, np. dla szkła zwyczajnego wynosi 48°, natomiast dla diamentu — tylko 24°. Mierząc za pomocą przyrządów zwanych refraktometrami wielkość kąta granicznego badanych cieczy lub ciał stałych, możemy określić ich współczynniki załamania światła. W refraktometrach służących do mniej dokładnych, seryjnych oznaczeń wartości współczynników załamania światła badanych minerałów odczytuje się bezpośrednio ze skali.
Jeżeli do szklanki z wodą zanurzy się pustą probówkę, będzie ona błyszczeć, jak gdyby była posrebrzana, co polega na całkowitym zewnętrznym odbiciu światła. Srebrzyste odbicie zniknie, gdy probówkę napełni się wodą. Na całkowitym wewnętrznym odbiciu polega również zjawisko pojawiania się w preparatach mikroskopowych świetlnej smugi na granicy dwóch minerałów o różnych współczynnikach załamania światła. Jest to tzw. linia lub smuga Beckego. Aby szybko zorientować się o wartości współczynnika światła minerału, jego okruch umieszcza się pod mikroskopem w kropli żywicy, zwanej balsamem kanadyjskim, o znanym współczynniku załamania światła n = 1,54. Obserwując pod mikroskopem ziarno minerału można zauważyć na styku minerału z żywicą jasną smugę świetlną. Przy podnoszeniu tubusa mikroskopu ku górze smuga ta przesuwa się ku środowisku o wyższym współczynniku załamania. Odwrotne zjawisko następuje podczas obniżania tubusa, gdyż linia Beckego przesuwa się w kierunku środowiska o niższym współczynniku załamania. Niskim nazywa się współczynnik załamania światła zbliżony do balsamu kanadyjskiego, wysokim zaś — wyraźnie od niego wyższy, np. 1,7.
Im większa jest różnica współczynników załamania światła, tym wyraźniej występuje Unia Beckego. Jest ona widoczna zwłaszcza pod znacznym powiększeniem i przy niezbyt silnym oświetleniu. Minerały o bardzo wysokim współczynniku załamania, stykające się z balsamem kanadyjskim lub minerałami o zbliżonym do balsamu współczynniku załamania, są dobrze widoczne i wydają się jak gdyby grubsze od minerałów sąsiednich.
W ten sam sposób porównuje się minerał, który ma być oznaczony z minerałami rozpoznanymi na innej podstawie, np. według barwy lub rodzaju łupliwości. Do tego celu stosowane są tabele, w których minerały ułożone są według wzrastającego współczynnika załamania światła.
Metoda imersyjna oznaczania współczynników załamania światła nadaje się bezpośrednio do badania ziarn minerałów o wielkości mniejszej niż 0,04 mm. Jako cieczy imersyjnych używa się zwykle ciekłych substancji organicznych o znanych współczynnikach załamania.
Niekiedy stosuje się tylko jedną ciecz imersyjną, o wysokim współczynniku załamania, którą rozcieńcza się z odpowiednim rozpuszczalnikiem o niższym współczynniku załamania, uzyskując w ten sposób możność badania w zakresie współczynników załamania obu cieczy. Należy wówczas oddzielnie oznaczyć współczynnik załamania cieczy powstałej przez zmieszanie dwóch cieczy o znanych współczynnikach załamania. Zamiast mierzyć współczynnik załamania cieczy imersyjnej refraktometrem, można stosować .sposób pośredni, a mianowicie oznaczyć gęstość cieczy. Ta bowiem wielkość ściśle zależy od stosunku zmieszanych cieczy i od współczynnika załamania światła, który można odczytać z tabeli. Metodę tę stosuje się zwłaszcza do wodnych roztworów nieorganicznych, o dużej różnicy gęstości, jak roztwór jodku rtęciowego i potasowego (o współczynniku załamania 1,419—1,733, przy różnicy gęstości od 1,5 do 3,2) oraz roztwór jodku barowego i rtęciowego (o współczynniku załamania 1,515—1,769).