Понятие ди- и плеохроизма, изменение цвета александрита и других кристаллов
Александрит представляет собой разновидность минерала хризоберилла, двойной окиси бериллия и алюминия. Твердость хризоберилла 8,5, поэтому он является одним из самых твердых минералов. Наиболее обычный цвет хризоберилла - зеленовато-желтый - обусловлен примесями железа. Александрит - наиболее редкая разновидность этого минерала, для которой характерно замещение некоторого количества алюминия хромом. Его месторождения известны в Бирме, Шри Ланке и, наиболее значительные, на Урале в СНГ. Кристаллы таблитчатой или призматической формы обычно образуют двойники и тройники с плоскостью двойникования, имеющие вид псевдогексагональных кристаллов. На гранях часто наблюдается штриховка (слои нарастания).
Необычное явление изменения цвета, известное как александритовый эффект, до сих пор полностью не объяснено. При дневном освещении александрит обычно имеет серо-зеленоватый или даже насыщенный зеленый цвет, что зависит от содержания хрома, которое различно у минералов из разных месторождений. Зеленый цвет может иметь слабый красноватый оттенок в зависимости от того, как на камень падает свет. Однако если александрит поместить под искусственный свет, особенно идущий от флуоресцентной лампы, камень кажется красным. Иногда изменение цвета настолько сильное, что его можно наблюдать при вращении камня, когда свет проходит сквозь него, в разных направлениях.
Александритовый эффект связан с необычной ролью, которую играют ионы хрома в кристаллической решетке минерала. Александрит - двупреломляющий минерал, и изменение цвета, которое иногда наблюдается по мере вращения камня, можно понять лучше, если принять во внимание различные спектры поглощения вдоль различных осей кристалла. Этот минерал кристаллизуется в ромбической сингонии - атомы образуют прямоугольную решетку, в которой каждая сторона элементарной ячейки имеет разную длину.
Синий свет интенсивно поглощается, когда он проходит сквозь кристалл во всех направлениях, но вдоль так называемой оси а кристалла поглощается только этот свет; следовательно, если александрит наблюдать со светом, проходящим в этом направлении, то виден дополнительный цвет, а именно желтый.
Вдоль оси b существует дополнительная широкая область поглощения, охватывающая красный и желтый диапазоны, так что проходящий, т.е. видимый наблюдателем, свет - зеленый. Желтый свет также поглощается, когда проходит вдоль оси с, так что в этом направлении кристалл пропускает свет с длиной волны, соответствующей как красному, так и зеленому цвету, с частым преобладанием красного. Свет после прохождения через александрит обычно имеет различные длины волн и образуется из пучков лучей, которые пересекают кристалл в различных направлениях относительно осей а(а), в(б), с(в).
Человеческий глаз соединяет эти различные составляющие и складывает их в единый сигнал, который посылается в мозг, поэтому александрит кажется окрашенным в один цвет. Если этот минерал вращать или менять условия его освещения, то при этом будут меняться длины волн света, достигающего глаза, и даже небольшие изменения могут быть достаточными, чтобы повлиять на наблюдаемый цвет камня. Иногда эти изменения длин волн составляющих света настолько малы, что часто не улавливаются спектрометром, который измеряет интенсивность света определенной длины волны, а не усредненный полный свет.
По данным Э. Фарелла и Р. Ньюхема, длины волн 415 нм и 580 нм (4150 А и 5800 Å) являются критическими: если энергия переходов превышает критические значения, то александрит становится зеленым, если не превышает - красным. Александрит чувствителен к спектральному распределению энергии в освещении, так как энергия полос поглощения в спектре александрита перекрывает критические значения длин волн и колеблется от 410 до 420 и от 565 до 595 нм. Окна между полосами поглощения переходов между осями в спектре александрита пропускают спектр солнечного света с максимумом интенсивности в зеленой области, поэтому при дневном свете минерал кажется зеленым. Длинноволновое излучение лампы накаливания пропускается окном в красной области (более 600 нм или 6000 Å), что обусловливает красную окраску камня. Кажущееся резкое изменение окраски александрита на разном свету связано с физиологическими особенностями восприятия человеческого зрения, наиболее чувствительного к зеленому свету.
Таким образом, воспринимаемое наблюдателем изменение цвета александрита связано с природой зрительной системы человека больше, чем с резкими изменениями самого объекта. Однако относительная интенсивность красной или зеленой составляющей достигающего глаза света зависит от характера освещения. Искусственный свет более богат длинными волнами, так что красный свет становится преобладающим. В дневном свете преобладают длины волн, соответствующие зеленому и желтому свету, к которым глаз более чувствителен, поэтому в этих условиях александрит имеет зеленый цвет.
Предпринимались попытки понять причины сложного спектра поглощения александрита. Предполагалось, что ионы трехвалентного хрома локализуются в двух различных кристаллографических позициях, причем в одной больше, чем в другой. Александритовый эффект наблюдается и у других драгоценных камней, включая синтетические, которые выращивались как заменители александрита.
Выращиваются разновидность корунда с добавками ванадия, для которой также характерно эффектное изменение цвета, но от пурпурно-синего до розового, а не от зеленого до красного. При искусственном освещении розовый цвет преобладает и усиливается, тогда как на дневном свету сильнее проявляются пурпурные оттенки. Синтетические камни, подобные этим, не продавались США и Западной Европе, но нашли рынок сбыта в юго-восточной Азии (как обман) и честно без дополнительной наценки в СССР и Украине.
Кроме корунда также выращивалась разновидность шпинели, для которой характерно изменение цвета от зеленого до серого и розоватого. Кроме того, на александрит похожи некоторые другие природные и синтетические кристаллы.
Явления дихроизма и плеохроизма можно визуально наблюдать у прозрачного бездефектного монокристалла с идеальной гладкой поверхностью (кристалла с правильными повторяющимися звеньями кристаллической решетки) или у ограненного монокристалла. Атомы монокристалла расположены в правильной последовательности и между двумя любыми противоположными краями кристалла относительно простое распределение атомов многократно повторяется. В соответствии с такой симметрией внешние грани (обычно называемые габитусными или естественными гранями) образуют друг с другом постоянные углы, потому минерал в виде отдельного кристалла можно определить по его форме и цвету. Все прозрачные камни, включая драгоценные - алмаз, изумруд, рубин и сапфир, топаз, хризоберилл, горный хрусталь, аметист, цитрин, раухкварц (устар. рос. - раухтопаз) и другие - являются монокристаллами. Внутренняяя структура обуславливает особые свойства монокристаллов.
У кристаллов с большим количеством внутренних дефектов, у мутных или мелких, непрозрачных кристаллов визуально наблюдать описываемое явление крайне затруднительно. Для наблюдения этого явления разработаны специальные приборы, но данное явление при строго определенных условиях можно наблюдать визуально невооруженным глазом (желательно без очков, линз и увеличительных стекол). Некоторые монокристаллы не обладают плеохроизмом вообще или он выражен крайне слабо - например, горный хрусталь или гранаты.
Большое значение для диагностики ювелирных камней имеет плеохроизм, связанный с различием спектров поглощения вещества для лучей, имеющих разное направление и поляризацию. Отчетливый плеохроизм - различный цвет или различные оттенки одного цвета - характерен для таких ювелирных камней, как бериллы (изумруд, аквамарин, гелиодор и др.), кианит, кордиерит (дихроит), корунды (рубин, сапфиры), сподумен (кунцит, гидденит), турмалин, бенитоит, андалузит, аксинит, эпидот, титанит и др. У некоторых камней плеохроизм настолько сильный (турмалин, австралийские сапфиры), что его можно наблюдать визуально. Однако в большинстве случаев для обнаружения плеохроизма необходимо исследование под поляризационным микроскопом или дихроскопом Хайдингера, который представляет собой трубку с вмонтированными в ней кристаллом кальцита, окуляром и объективом. В настоящее время применяются также фильтродихроскопы с двумя поляризационными фильтрами в виде тонких пластинок.
В физике существует понятие поляризованного света. Фотографы, снимающие природу, сталкиваются с понятием поляризации света. Это явление рассматривается как свет, распространяющийся преимущественно в одном направлении. Приборы, выявляющие плеохроизм и дихроизм, излучают поляризованный свет, направляя его по очереди вдоль каждой из трех осей кристалла. Фотографы для поляризации света и удаления бликов используют специальные поляроидные фильтры. Например, обычный свет от лампочки, фонарика или солнца распространяется во всех направлениях практически одинаково, поэтому он не поляризован, как не поляризован свет от большинства источников света. В свете лампы накаливания или искусственных осветителей визуально изучать плеохроизм монокристаллов бессмысленно, так как их свет не поляризован.
К счастью, природа обеспечила нас прекрасными источниками сильно поляризованного естественного света. Это рассеянный свет, исходящий от ясного неба или неба, затянутого легкими облаками, в полуденное время, когда солнце стоит высоко над горизонтом. Это также отраженный свет от больших ровных полей снега, чистых шапок ледников в горах или от спокойного моря и океана при высоко стоящем солнце и ясном небе (или при ярком небе, затянутом легкими облаками). Но помните, что в горах много ультрафиолета. Этот же эффект дают спокойные зеркала пресных больших озер и водохранилищ, но они излучают не идеально белый свет. Именно свет от таких природных источников позволяет нам визуально иногда наблюдать явление плеохроизма кристаллов.
Свет теряет свои свойства естественной поляризации в густой тени и на ярком солнце, при задымленной, запыленной и загрязненной атмосфере, во время дождя и тумана, при прохождении через грязное стекло, вблизи сильных источников искусственного освещения и т.д. Идеальное время наблюдения явлений плеохроизма в природных условиях - поздняя весна и все лето, когда солнце стоит высоко и можно открыть окна. Можно наблюдать это явление зимой на ровных заснеженных пространствах в ясные дни.
Самое главное - кристаллы не должны подвергаться воздействию дополнительных источников неполяризованного света (блики солнца и зайчики, яркий свет солнца, любые источники искусственного света). Идеально использовать поляризацию можно днем в светлой комнате нейтрального цвета, расположив стол для наблюдения камня возле открытого окна. Комната должна быть хорошо освещена естественным рассеянным поляризованным светом, не иметь бликов и ярких цветовых пятен. В горах и на море можно создать искусственную тень, расположив камень в этой тени в плоской коробочке из снежно-белого пластика между источником проляризованного света и глазами. Помните, что на воздухе камень с бумагой может сдуть ветер.
Камень необходимо расположить на идеально белом листе бумаги так, чтобы он лежал между Вами и источником поляризованного света (дневной свет из окна проходит сквозь светлый камень) или хорошо освещался естественным поляризованным светом (темный камень). Камень при первичном осмотре вращать в руках не нужно (его лучше вообще не трогать). На камень не должна падать тень или световые блики. При наблюдении неподвижного камня под разными углами (головой вправо-влево и вверх-вниз) Вы можете заметить характерное изменение цвета и окраски, цвет камня может стать гуще или даже полностью обесцветиться под разными углами обзора. Например, в зеленоватом александрите могут проявиться фиолетовые и красноватые вспышки света, а часть камня окрасится в более густой тон. Именно так в естественно поляризованном свете Вы визуально без приборов можете наблюдать у некоторых камней явление плеохроизма (изменение цветовых характеристик по всем трем осям) и дихроизма (изменение цветовых характеристик только по двум осям).
После наблюдения неподвижного камня нужно его взять и повращать в руках (при этом способе заметить плеохроизм тяжелее всего, так как руки могут дрожать). При определенных навыках Вы научитесь плавно вращать лежащий камень на листе бумаги или в коробочке, а также аккуратно плавно поворачивать сам камень пинцетом на белом фоне (как делают ювелиры-огранщики), но начинать всегда нужно с осмотра неподвижного камня на белом листе бумаги или молочно-белом пластике.
Свойства плеохроизма некоторых кристаллов
Плеохроизм у топазов отчетливый. В голубых топазах (особенно с зеленоватым оттенком) отмечается слабый плеохроизм по схеме: голубой - бесцветный или голубовато-зеленый - зеленый, причем тем отчетливее, чем ярче выражен зеленый оттенок. Обладают плеохроизмом некоторые желтые топазы: от светло- до темно-желтого или желто-красного. Розовые топазы иногда плеохроируют в карминово-красных и медово-желтых тонах. При этом у топазов, розовая окраска которых связана с нагреванием, плеохроизм особенно четко выражен. Топаз отличается от желтого цитрина твердостью (у топаза выше) и более четко выраженным плеохроизмом.
Сапфиры и рубины - разновидности благородного корунда. Дихроизм сильный: у рубина - пурпурно- и оранжево-красный; у синего сапфира - фиолетово- и зеленовато-синий; зеленого - зеленый и желто-зеленый; оранжевого - оранжевый и бесцветный; желтого - желтый и бледно-желтый; пурпурного - фиолетовый и оранжевый. При обработке рубина применяется фасетная огранка. Необходимо учитывать его сильный дихроизм. Для выявления наиболее красивого фиолетово-красного цвета (видимого затем через площадку камня) при огранке рубин ориентируется перпендикулярно к оптической оси, совпадающей с осью третьего порядка. Наличие двупреломления и ясно выраженного дихроизма отличает рубин от шпинели и граната. Издавна для имитации корундов применяются стекла соответствующего цвета, обладающие меньшей твердостью, с отсутствием плеохроизма. Сапфиры с зеленоватым оттенком и сильным плеохроизмом (австралийские, кенийские) ценятся ниже других сине-голубых сапфиров. Камни темно-синего цвета отличаются резко выраженным дихроизмом в сине-зеленых тонах (различимым на глаз без каких-либо приборов).
Благодаря разнообразной и красивой окраске, прозрачности и блеску бериллы издавна пользуются огромной популярностью. При обработке необходимо учитывать плеохроизм бериллов. В изумрудах довольно отчетливо выражен дихроизм, особенно в колумбийских: по оси Ne - зеленый, голубовато-зеленый; по оси No - желтовато-зеленый (ось No меньше оси Ne). Часто в изумрудах наблюдается зональная окраска. При огранке изумрудов и получении максимальной густо-зеленой окраски, видимой через верх камня, необходимо учитывать дихроизм изумруда. Облученные темно-синие аквамарины-максикс имеют отчетливый дихроизм: No - кобальтово-синий, Ne - бесцветный. В розовых бериллах наблюдается отчетливый плеохроизм: Ne - бледно-розовый, No - голубовато-розовый до бесцветного. В золотисто-желтых гелиодорах наблюдается отчетливый дихроизм: Ne - желтый, красновато-желтый, No - золотисто-желтый.
Хризоберилл - минерал оптически двуосный, положительный. Характерен плеохроизм: для желтых и зеленовато-желтых камней (цимофанов) - в желтых и коричневых тонах, для александрита по Ng - фиолетово-красный, Nm - оранжевый, Np - изумрудно-зеленый. Этот очень сильный плеохроизм отчетливо виден даже невооруженным глазом.
Во всех турмалинах обычно отчетливо проявляется дихроизм (NoZ>Ne), что необходимо учитывать при их обработке и огранке. Площадку камня необходимо располагать таким образом, чтобы цвет выявился максимально. Индентификация турмалинов, обладающих разнообразными окрасками, производится по высоким значениям твердости и двупреломления, отсутствию спайности, отчетливому дихроизму, газовым и газово-жидким включениям.
Плеохроизм у природных цирконов (не фианитов) выражен слабо, только у голубых термообработанных цирконов (подвергшихся облагораживанию высокой температурой) он довольно отчетлив (No - небесно-голубая окраска, Nc - бесцветная).
У всех сподуменов отчетливо выражен сильный плеохроизм: цвет розового кунцита по Np - темно-фиолетовый или темно-розовый, по Nm - фиолетовый или розовый, по Ng - кунцит бесцветен; цвет зеленого гидденита по Np - изумрудно-зеленый, по Nm - голубовато-зеленый, по Ng - минерал бесцветен. Это свойство сподуменов необходимо учитывать при их огранке. Для того чтобы получить наиболее яркую красивую окраску, площадку при огранке камня располагают почти под прямым углом к ребру призмы. Крайне редко встречаемый гидденит не следует принимать прежде всего за изумруд и хризоберилл.
Плеохроизм отсутствует у диопсида, но у хромдиопсида, похожего на изумруд, наблюдается плеохроизм от желто- до изумрудно-зеленого. Это несколько затрудняет диагностику камня для неспециалистов.
Окраска в кристаллах аметиста распределяется неравномерно: пирамиды роста граней положительного ромбоэдра окрашены в пурпурно-фиолетовый цвет, отрицательного - бесцветные или слабо фиолетовые, гексагональной призмы - бесцветные или дымчатые. Это связано с неравномерной заселенностью элементарной ячейки кварца центрами аметистовой окраски и вызывает явление аномального плеохроизма. В кристаллах дымчатого кварца, как и аметиста, можно наблюдать явление аномального плеохроизма - изменение окраски от фиолетово- до зеленовато-дымчатой, что необходимо учитывать при обработке камня. Кристаллы цитрина с природной окраской обладают слабым плеохроизмом и не меняют цвет при изменении углов осмотра и при вращении камня.
Танзаниту (кристаллам циозита сапфирово-синего, фиолетового, зеленовато-голубого цвета) свойствен очень сильный плеохроизм: от синего к фиолетовому до зеленого (или коричневого). Обработанный танзанит напоминает сапфир.
Голубые и голубовато-зеленые апатиты характеризуются отчетливым дихроизмом: голубой или голубовато-зеленый цвет по Ne и желтый по No. В остальных апатитах дихроизм выражен довольно слабо.
Гранат пироп красного цвета можно спутать с рубином, но рубин обладает отчетливым дихроизмом, а гранаты этим свойством не обладают. Зеленые гранаты часто путают с изумрудами. Изумрудно-зеленый уваровит из-за малого размера кристаллов редко встречается в ограненном виде. Он так же, как демантоид, гроссуляр и другие зеленые и иные гранаты изотропен, не обладает дихроизмом (в отличие от изумруда).
