La óptica de las piedras preciosas: lo básico
Longitudes de onda de la luz
La luz viaja en forma de ondas, como ondas en un estanque.
Esto forma la base de la óptica de cristal y gema.
La distancia entre crestas sucesivas o valles de dicha onda se conoce como longitud de onda, y la amplitud de la onda es la altura de la onda por encima de la mediana, posición media entre la cresta y la vaguada.
Para poner esto en términos familiares, diferentes longitudes de onda son colores diferentes, y la amplitud es la intensidad de la luz.
La distancia entre crestas sucesivas o valles de dicha onda se conoce como longitud de onda, y la amplitud de la onda es la altura de la onda por encima de la mediana, posición media entre la cresta y la vaguada.
Para poner esto en términos familiares, diferentes longitudes de onda son colores diferentes, y la amplitud es la intensidad de la luz.
La luz vibra en ángulos rectos a su dirección de movimiento, y la vibración tiene lugar en todas las direcciones perpendiculares a la trayectoria de la luz.
Índice de refracción
Cuando la luz pasa de un medio, como el aire, a otro, como el agua, en realidad disminuye la velocidad.
Además, el camino de la luz se dobla.
La desviación siempre se refiere a una línea perpendicular a la interfaz entre los dos medios, conocida como la normal a la interfaz.
La luz siempre se inclina hacia lo normal en el medio en el que la luz viaja más lento.
El índice de refracción es igual a la relación entre la velocidad de la luz en los dos medios.
El índice de refracción es igual a la relación entre la velocidad de la luz en los dos medios.
El primer medio, generalmente aire, establece la velocidad de la luz de la unidad, 1.
El índice de refracción se convierte entonces en 1 / v , donde v es la velocidad de la luz en el medio más denso.
El índice de refracción, generalmente abreviado n, también se describe con frecuencia en términos del ángulo con respecto a la normal formado por el haz de luz entrante, o rayo incidente, y el hecho por el haz refractado, que viaja dentro del medio más denso.
El índice de refracción, generalmente abreviado n, también se describe con frecuencia en términos del ángulo con respecto a la normal formado por el haz de luz entrante, o rayo incidente, y el hecho por el haz refractado, que viaja dentro del medio más denso.
En estos términos, el índice de refracción es igual al seno del ángulo de incidencia dividido por el seno del ángulo de refracción.
Ángulo crítico
La luz que viaja desde un medio dado a un medio menos denso, por ejemplo, de un cristal al aire, puede golpear la interfaz en un ángulo tal que la luz se refleje totalmente en la interfaz, de nuevo en el medio más denso.
La luz que viaja desde un medio dado a un medio menos denso, por ejemplo, de un cristal al aire, puede golpear la interfaz en un ángulo tal que la luz se refleje totalmente en la interfaz, de nuevo en el medio más denso.
El ángulo de incidencia en el que esto ocurre se conoce como el ángulo crítico.
Este ángulo tiene un gran significado para el corte de gemas.
Este ángulo tiene un gran significado para el corte de gemas.
Si un facetero corta una piedra preciosa en ángulos que coinciden de forma incorrecta con su índice de refracción, la luz que entra en la piedra puede filtrarse por la parte inferior.
Esto provoca una pérdida de brillo.
Sin embargo, si los ángulos son correctos en la parte inferior de la piedra, la luz se refleja totalmente de manera interna y vuelve al ojo del espectador.
Esto crea un brillo más agradable.
De hecho, las gemas se facetan precisamente para crear este maravilloso retorno de la luz.
Cristales isotrópicos
Las simetrías cristalográficas de las piedras preciosas determinan sus propiedades ópticas.
Por ejemplo, los cristales isométricos tienen estructuras de cristal altamente simétricas en todas las direcciones.
Como resultado de esta simetría, la luz que viaja en cualquier dirección dentro de un cristal isométrico viaja a la misma velocidad.
Dentro del material, no hay una sola dirección que disminuya la luz de forma medible.
Esto también se aplica a los materiales amorfos, como el vidrio, que no tienen estructura cristalina.
Dichos materiales se denominan isotrópicos y se caracterizan por un índice de refracción único, abreviado como N.
Cristales anisotrópicos
En todos los demás cristales no isométricos, la luz se separa en dos componentes: dos rayos polarizados conocidos como el rayo ordinario y el rayo extraordinario.
Todos los cristales no isométricos causan esta división de la luz incidente y se llaman anisotrópicos.
Luz polarizada
Cada rayo polarizado vibra en un solo plano en lugar de en todas las direcciones perpendiculares a la dirección de desplazamiento de la luz.
Nombrado en honor a su inventor, William Nicol, un prisma de Nicol puede demostrar la presencia de luz polarizada.
Contiene piezas especialmente cortadas de calcita orientadas para permitir que solo pase la luz polarizada en un solo plano.
Si alineas dos prismas Nicol y giras sus direcciones de polarización en ángulos rectos entre sí, ninguna luz puede pasar a través de ellos.
De manera similar, los gemólogos pueden usar un dispositivo comparable, como un polariscopio o un microscopio de polarización, para probar las direcciones de polarización de la luz que han viajado a través de un espécimen de cristal o una piedra preciosa.
De manera similar, los gemólogos pueden usar un dispositivo comparable, como un polariscopio o un microscopio de polarización, para probar las direcciones de polarización de la luz que han viajado a través de un espécimen de cristal o una piedra preciosa.
Por lo general, los mineralogistas utilizan microscopios de polarización para examinar pequeños granos minerales, no piedras preciosas.
Los gemólogos prefieren trabajar con dispositivos polarizadores más grandes, generalmente discos de plástico polaroid de 1-3 pulgadas de diámetro, montados en un polariscopio.
Cristales uniaxiales
Los cristales anisotrópicos en el sistema tetragonal y hexagonal tienen un eje de cristal único, que es más largo o más corto que los otros dos ejes en el cristal.
La luz que viaja en una dirección paralela a este eje vibra en el plano de los otros dos ejes.
Dado que los otros dos ejes son equivalentes, esta vibración es uniforme y se asemeja a la vibración de la luz en un cristal isotrópico.
Si un par de prismas Nicol se colocan en línea con la luz que viaja en esta dirección especial en cristales tetragonales o hexagonales, y si los prismas se giran de manera que las direcciones de polarización se crucen, perpendicular, no se verá ninguna luz emergiendo del cristal.
Si un par de prismas Nicol se colocan en línea con la luz que viaja en esta dirección especial en cristales tetragonales o hexagonales, y si los prismas se giran de manera que las direcciones de polarización se crucen, perpendicular, no se verá ninguna luz emergiendo del cristal.
Como resultado de la presencia de esta dirección óptica única en los cristales tetragonales y hexagonales, las gemas que cristalizan en estos sistemas de cristales se llaman uniaxiales.
Cristales biaxiales
Los cristales anisotrópicos en todos los demás sistemas contienen dos direcciones en las que la luz vibra uniformemente perpendicular a la dirección del viaje.
En consecuencia, los cristales en los sistemas ortorrómbico, monoclínico y triclínico se denominan biaxiales.
La descripción completa del comportamiento de la luz en tales cristales es muy compleja.
Birrefringencia en cristales uniaxiales
En los cristales uniaxiales, el rayo que viaja a lo largo del eje óptico y vibra igualmente en un plano en ángulos rectos en esta dirección es el rayo ordinario.
El otro rayo, que vibra en un plano que incluye la dirección única del eje del cristal, es el rayo extraordinario.
Los índices de refracción para estos rayos, direcciones, designados como o, ordinarios y e, extraordinarios, son los parámetros ópticos básicos para una piedra preciosa uniaxial.
Si el rayo o tiene una velocidad en el cristal mayor que el rayo e, el cristal se denomina positivo (+).
Si el rayo o tiene una velocidad en el cristal mayor que el rayo e, el cristal se denomina positivo (+).
Si el rayo electrónico tiene una velocidad mayor, el cristal se denomina negativo (-).
La birrefringencia en un cristal uniaxial es igual a la diferencia entre los índices de refracción para o y e .
Birrefringencia en cristales biaxiales
Los cristales biaxiales tienen tres ejes cristalográficos diferentes.
La birrefringencia en un cristal uniaxial es igual a la diferencia entre los índices de refracción para o y e .
Birrefringencia en cristales biaxiales
Los cristales biaxiales tienen tres ejes cristalográficos diferentes.
También tienen dos direcciones únicas dentro del cristal que se asemejan al eje óptico único en un cristal uniaxial.
Las letras griegas α (alfa), β (beta) y γ (gamma) designan los índices de refracción de un cristal biaxial.
Alfa, el índice más bajo, se refiere a una dirección en el cristal conocida como X con la velocidad de luz más rápida dentro del cristal.
Alfa, el índice más bajo, se refiere a una dirección en el cristal conocida como X con la velocidad de luz más rápida dentro del cristal.
Beta, el índice intermedio, corresponde a la dirección cristalográfica de Y y representa una velocidad de rayo intermedia.
Gamma, el índice de refracción más alto, corresponde a la dirección cristalográfica Z y tiene la velocidad de rayo más lenta.
La birrefringencia en un cristal biaxial es igual a la diferencia entre el índice alfa y el índice gamma.
Los mineralogistas encuentran que el ángulo agudo entre los dos ejes ópticos dentro del cristal, designado como 2 V, es un parámetro útil.
La birrefringencia en un cristal biaxial es igual a la diferencia entre el índice alfa y el índice gamma.
Los mineralogistas encuentran que el ángulo agudo entre los dos ejes ópticos dentro del cristal, designado como 2 V, es un parámetro útil.
Resulta que si el índice beta está exactamente a medio camino entre alfa y gamma, el ángulo de 2 V es exactamente 90°.
Finalmente, si el valor de beta es más cercano a gamma que a alfa, el cristal se denomina ópticamente negativo.
Finalmente, si el valor de beta es más cercano a gamma que a alfa, el cristal se denomina ópticamente negativo.
Si el valor de beta es más cercano al de alfa, el cristal se denomina ópticamente positivo.
Tanto los índices de refracción como la birrefringencia son parámetros útiles para caracterizar e identificar cristales.
Tanto los índices de refracción como la birrefringencia son parámetros útiles para caracterizar e identificar cristales.
Ambos cambian con la composición y la presencia de impurezas, e incluso pueden variar dentro de un solo cristal.
Dispersión
Recuerde siempre que el índice de refracción es básicamente una medida de la velocidad relativa de la luz.
Cada longitud de onda de la luz viaja a través de un medio dado distinto del aire a una velocidad diferente.
En consecuencia, cada longitud de onda tiene su propio índice de refracción.
La diferencia en el índice de refracción con la variación en la longitud de onda se conoce como dispersión.
La dispersión hace brillar las piedras preciosas con los colores.
La dispersión hace brillar las piedras preciosas con los colores.
En los diamantes, por ejemplo, la diferencia en el índice de refracción entre la luz roja y la azul es bastante grande.
Esto explica su brillo.
A medida que la luz viaja a través de una piedra preciosa cortada, las diversas longitudes de onda, colores, divergen.
Cuando la luz finalmente emerge de la piedra, las distintas partes de color del espectro se han separado completamente.
Los científicos reportan la dispersión como un número adimensional, lo que significa que no tiene una unidad de medida.
Los científicos reportan la dispersión como un número adimensional, lo que significa que no tiene una unidad de medida.
Sin embargo, existe cierto grado de elección al seleccionar las longitudes de onda utilizadas como puntos de referencia.
Típicamente, los gemólogos toman la dispersión de una gema como la diferencia en el índice de refracción entre las líneas B y G de Fraunhofer.
Las líneas Fraunhofer son líneas espectrales observadas en el espectro del sol, a 6870 y 4308 Å, respectivamente.
Un ångstrom (Å) equivale a una diez billonésima parte de un metro, y los científicos lo utilizan para medir las longitudes de onda de la luz.
Un ångstrom (Å) equivale a una diez billonésima parte de un metro, y los científicos lo utilizan para medir las longitudes de onda de la luz.
También utilizan el nanómetro (nm), una mil millonésima parte de un metro, o 10 Å.
En algunos casos, no existe información de dispersión para una piedra preciosa en la literatura gemológica.
Sin embargo, la literatura mineralógica puede tener datos para el índice de refracción medido en ciertas longitudes de onda diferentes, sin incluir las longitudes de onda B y G.
En tales casos, los gemólogos pueden calcular la dispersión utilizando un tipo especial de papel cuadriculado conocido como Hartmann Dispersion Net.
En este documento de tipo logarítmico, se pueden trazar índices de refracción en longitudes de onda específicas que cubren todo el rango útil.
Los gemólogos pueden extrapolar tales gráficos lineales a las posiciones de las líneas B y G.
Índices de refracción para materiales opacos o translúcidos
En algunos casos, al igual que con los materiales opacos o translúcidos, un refractómetro solo no puede medir los índices de refracción con precisión.
En su lugar, el instrumento solo proporciona una línea vaga que representa un índice promedio para el material.
Sin embargo, este número aún indica lo que los gemólogos pueden esperar encontrar en un examen de rutina.
Uso de una longitud de onda única para medir índices de refracción
Un refractómetro mide efectivamente todos los índices de refracción, todas las longitudes de onda de la luz simultáneamente.
Los gemólogos podrían realizar mediciones más precisas seleccionando solo una única longitud de onda.
Universalmente, eligen la línea espectral amarilla conocida como D , que caracteriza el espectro de emisión de sodio.
Pleocroismo
Un cristal puede absorber la luz de manera diferente a medida que pasa en diferentes direcciones.
A veces, las diferencias son solo en el grado de absorción o intensidad.
En otros casos, sin embargo, la absorción en diferentes direcciones de diferentes porciones de longitud de onda de la luz transmitida resulta en colores.
Este fenómeno se denomina pleocroísmo.
En el caso de los materiales uniaxiales, ya que tienen solo dos direcciones ópticas distintas, los gemólogos llaman al fenómeno dicroismo.
En el caso de los materiales uniaxiales, ya que tienen solo dos direcciones ópticas distintas, los gemólogos llaman al fenómeno dicroismo.
Otros materiales no isotrópicos tienen tres direcciones ópticas distintas, por lo que pueden mostrar tricroismo.
Los colores pleocroicos a veces aparecen muy claramente y fuertemente.
Los colores pleocroicos a veces aparecen muy claramente y fuertemente.
Esto puede hacerlos útiles para la identificación de gemas.
Colores anómalos
Dado que las piedras preciosas isotrópicas no afectan la velocidad o las propiedades de la luz que pasa a través de ellas de manera diferente según su dirección de viaje, estos materiales nunca muestran pleocroísmo.
Sin embargo, en ocasiones, un material isótropo puede mostrar colores anómalos en la luz polarizada.
En general, estos efectos se atribuyen a la tensión de los cristales, aunque hay abundantes pruebas de que la disposición ordenada de los átomos en sitios cristalográficos específicos es una causa más probable.
Fernando Gatto
Kaia Joyas Uruguay
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