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珠宝知识250：珠宝考研考证篇（六十七）：常规仪器之折射仪原理折射率是宝石最为稳定的性质之一，因此折射仪是常规鉴定仪器中最为重要的一个仪器了，对于抛光良好的宝石，能够精确的测定宝石的折射率、双折射率，从而推断出宝石的光性、轴性，最终可以鉴定出宝石的种属，为宝石的鉴定提供最为关键的证据。下图就是常见的宝石用折射仪。 
折射仪，顾名思义就是测定宝石折射率的，关于折射定律和反射定律，知识的回顾参见《珠宝知识224：珠宝考研考证篇（四十一）：光的折射定律与反射定律》，根据折射率的定义，想要测定一个介质的折射率，需要测定两个参数——入射角和折射角。下图是高中物理实验中折射率的测定装置。
很显然，在测定的过程中，误差的存在是必然的，再加上正弦值的计算、商的计算，最终得到的数据显然误差只能更大，另外，对于具有双折射的宝石来讲，此种测定方式并不适用。那么折射仪的制造者很巧妙的利用的全反射的概念。所以根据全反射的定义，只要能够测定出一个参数——临界角就可以计算出待测介质的折射率了。
下图是一个折射仪的结构示意图，主要由光源、棱镜（载物台）、标尺、反光镜和目镜组成，从光源发出来的光，我们可以大致分为两部分：该部分的光由于入射角相对较大，满足全反射发生的条件，因此没有光强度的损失，经过反光镜的反射之后，观察时得到的是较亮的区域；该部分的光由于入射角相对较小，小于临界角，不会发生全反射，因此会有一部分光通过宝石折射出去，产生光强度在一定程度上的损失，通过反光镜反射后，相对于红色区域的光强度会偏弱，因此形成就是暗区。亮区与暗区的界线，就是全反射发生的临界点，此时对应的入射角为临界角，对应标尺上面的读数对应的就是宝石的折射率值。
下图就是通过目镜观察到的图像，对于单折射的宝石，会出现一个明暗交界的界线，对于双折射宝石，会出现两个明暗交界的界线，每个界线对应不同光线的折射率值。
从这个图像中我们会看到，整个视域是黄色的，也就是说折射仪所使用的光源是黄色的，这是为什么呢？还记得“色散”这个概念吗？任何一个介质对于不同颜色光的折射率是不同的，这就是我们看见彩虹，看见钻石火彩最基本的原理，因此当我们谈论折射率的时候，需要确定好光的颜色，或者光的波长，此时谈论的折射率才有意义，通常情况下，我们所说的折射率值为波长589.5nm黄色光的测定值，所采用的光源也是钠黄灯。插上一个题外话：钠黄灯在我们日常生活中的应用也是非常多的，路灯、车的雾灯等等应用的都是钠黄灯，主要是由于黄色光穿透力非常强，并且色调柔和，不那么刺眼，再加上很低的电压就能够让灯亮起来，因此也比较节能。
放置宝石的位置，我们称之为载物台，同样也是一个棱镜，那么对于这个棱镜有两个作用，一是作为载物台与宝石相接触，另一个就是起到了光密介质的作用（因为光线先经过棱镜，然后经过宝石，为了能够形成全反射的条件，棱镜必须是一个光密介质），因此对于棱镜的要求就比较高了。
我们可以想象一下，如果棱镜是双折射、宝石又是双折射，光线首先通过棱镜会产生双折射，分解成两条光线，这两条光线在通过宝石发生双折射，变成四条光线，分析的数据就会更多，读数势必会造成混乱，因此为了能够方便读数，棱镜必须要是一个单折射的介质。刚刚我们讲到，棱镜是作为一个光密介质的角色出现的，因此只有当棱镜的折射率大于宝石才能够满足全反射发生的条件，因此为了能够满足多数宝石折射率的测定，就必须要求棱镜有足够大的折射率。棱镜还有一个功能就是载物台，它需要频繁的与宝石发生摩擦，如果棱镜的硬度过低，在频繁的使用过程中会发生磨损，严重影响折射仪的使用寿命，另外，在测定宝石折射率时需要借助“折射油”，这是一个具有腐蚀性的有机溶液，因此为了延长仪器的使用寿命，棱镜需要有足够大的硬度和足够强的化学稳定性。为了能够满足以上条件，目前最为理想的材料为合成立方氧化锆，这种材料最开始是作为钻石的一种仿制品出现在市场上的。不过它的硬度为8.5，不易发生磨损；化学性质稳定，不易发生腐蚀；折射率为2.16，大于绝大多数的宝石，能够满足测定多数宝石折射率的要求；因此是一种较为理想的棱镜使用材料。除了合成立方氧化锆以外，还有其他类型的棱镜，但由于缺点相对较多，目前使用并不是很广泛硬度最大，折射率高达2.417，为单折射材料，单纯的从性质上来看，钻石实在是最完美的棱镜候选，但是钻石的价格太高，导致折射仪的制作成本太高，因此不常用。现在市场上很多价格较低的折射仪使用的都是玻璃棱镜，当玻璃种铅含量增高时，玻璃的折射率会增大，甚至可以高达1.96，但是玻璃的硬度会随着玻璃之中的铅含量的升高而降低，小于多数宝石，因此在使用过程中非常容易受到磨损，耐久性较差。尖晶石的硬度为8，单折射宝石，但是尖晶石的折射率较低，仅为1.718，只能测定折射率小于该值的宝石，因此该棱镜的折射仪使用范围受到了很大的限制，因此应用也较少。闪锌矿的折射率为2.37，能够满足绝大多数宝石的测定，但是硬度太低，仅为3.5，因此耐磨性较差，应用同样也不广泛。两个固体之间想要形成一个良好的光学接触其实是一件非常困难的事情，但是如果两个固体之间有液体的帮忙，情况就会好很多，在日常生活中我们会发现，当两块玻璃中间夹有水的时候，再想将他们分开，就变得很难了。
所以在测定宝石折射率的时候，也需要一种液体，目的就是为了让宝石与棱镜之间形成良好的光学接触。这个液体就是折射油，也称之为接触液。由于光线的传播的路径是棱镜——折射油——宝石，因此同样是为了满足全反射发生的条件，折射油也必然是一种光密介质，对于折射率的要求就比较高了。，目前折射油有两种，一种为二碘甲烷溶解饱和的硫，此时折射率为1.78；当再加入18%的四碘乙烯时，折射率可以升高到1.81，这样的折射率范围能够满足绝大部分宝石品种的测试。
同样是为了能够形成良好的光学接触，单纯的使用折射油是不行的，宝石还需要配合着满足一个非常重要的条件——抛光良好，对于磨损较严重的宝石、宝石的原石往往不适合折射仪的使用。
在目镜上面其实还有一个小小的配件，那就是偏光片，简单回顾一下双折射以及偏光片的相关的概念，当一束自然光照射到双折射宝石时，除了特殊的方向，均会发生双折射，两束光线的振动方向相互垂直。偏光片则是一个仅仅可以通过一个震动方向上的光的装置。光线在折射仪内部发生全反射之后入射到目镜中时，同样是两束相互垂直的偏振光，对于那些双折射率较大的宝石来讲，可以非常清晰的对两条阴影边界分别准确的读数，但是对于双折射率较小的宝石来讲（比如说磷灰石），两条阴影边界距离非常近，每条阴影边界在读数的时候就会受到另外一条的影响，那么偏光片最大的用处就是用于屏蔽其中一条光线（因为仅允许与它对应的振动方向相同的光通过，与它相垂直的光泽无法通过），从而使得另外一条光线的读数变得更加容易。
好了，关于折射仪的原理，以及相关组件的相关要求及功能就介绍到这里，希望对大家有所帮助。
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