ELEMENTAIRE EDELSTEENKUNDE DEEL m. Eigenschappen van het licht. Historische achtergronden

Transcriptie

1 André Molenaar ELEMENTARE EDELSTEENKUNDE DEEL m Optische eigenschappen van edelstenen Eigenschappen van het licht. Historische achtergronden Licht is een gecompliceerd natuurkundig verschijnsel dat reeds lang in de belangstelling van de wetenschap staat. Om de aard en de eigenschappen van het licht te verklaren zijn vooral in de laatste paar eeuwen verschillende theorieën ontwikkeld die soms in tegenspraak met elkaar leken te zijn. Zo introduceerde in de zeventiende eeuw Christiaan Huygens de golftheorie waarbij hij de voortplantingseigenschappen van het licht goed kon verklaren. Zijn tijdgenoot, de vermaarde Newton (waarvan weinigen weten dat deze een alchemist was) was het hier niet mee eens. Hij was een aanhanger van een veel oudere (!) theorie waarvan de grondgedachte reeds door de klassieke Grieken was geformuleerd. Zij beschouwden licht als een stroom van uiterst kleine lichaampjes die zich rechtlijnig zouden voortplanten ("corpusculaire theorie"). Het duurde dan ook tot het begin van de negentiende eeuw dat de golftheorie mede door het werk van Fresnel algemeen aanvaard werd. Met de theoretische benadering van het licht door Huygens en Fresnel konden echter alleen die eigenschappen worden verklaart die betrekking hadden op de voortplanting van het licht als transversale golfbeweging, zoals terugkaatsing, breking en interferentie. Maar voor eigenschappen als het ontstaan (emissie) en het verdwijnen (absorptie) van het licht moest naar een andere theoretische basis worden gezocht. Maxwell leverde in de loop van de vorige eeuw een belangrijke bijdrage ter verklaring van de aard en eigenschappen van het licht. Hij introduceerde de zo genaamde elektromagnetische theorie en volgens hem was licht een elektromagnetisch golfverschijnsel en zouden alle elektromagnetische golven zich met de snelheid van het licht verplaatsen. Het begin van deze eeuw bracht een nieuwe doorbraak in de theoretische en andere elektromagnetische energieën. benadering van licht De kwantumtheorie het licht. (Planck) verschafte Einstein een basis voor de verklaring van emissie van Het licht uitgestraald door een lichtbron moet opgevat worden als een vrij continue stroom van kleine energiedeeltjes oftewellichtkwanta. EE.l.03.01

2 André Molenaar r-. nm (golflengte in nanometer s) netspanning O'~ draadtelefonie telefonie & telegrafie LG loi~= 1 km MG KG i.nm VHF FMUKG TV R UHF = m "'" magnetron ' radar ~ 750 "" lcm tcod los = mm 640 oranje R: infrarood W l=l~m 555 geel groen hoogtezon UV: ultraviolet - ~ 485 blauw ~ zachte röntgenstrnjen Hf-nm röntgenstralen Vlolel "'la afstand a10men in kristalslructuur 366 UV lang golvig 0;. straling (kernsplijting) - Q-'l - J--cosmische straling (heelal) ' - G-fi. 300 zichtbaar licht (Het elektromagnetische spectrum waarop de meest bekende energiesoorten zijn aangegeven met de waarden van hun golflengten. De kleuren van het zichtbare licht zijn (rechts) apart aangeduid) Licht als elektromagnetische energie n de edelsteenkunde heeft men met beide hiervoor genoemde theoretische aspecten van het licht te maken; - licht als transversale golfbeweging ter verklaring van verschijnselen als terugkaatsing en breking, interferentie, dispersie en polarisatie; 'P.. - licht als energie dat geëmitteerd en geheel of gedeeltelijk geabsorbeerd kan worden, al dan niet resulterend in een kleur en voorts warmtestraling of fluorescentie kan veroorzaken. Licht is een energiestraling waardoor het netvlies van het menselijk oog gevoelig is of m.a.w. kan worden waargenomen. Het zichtbare licht maakt met andere stralingsenergieën zoals röntgen, ultraviolet en infraroodstraling deel uit van het elektromagnetisch spectrum. Al deze stralingsenergieën bezitten eigenschappen van een transversale golfbeweging. EE,

3 Bij een transversale golfbeweging staat de trillingsbeweging loodrecht op de voortplantingsrichting. (Geluidsgolven zijn longitudinaal, de trillingsrichting is evenwijdig aan de voortplantingsrichting) n het navolgende figuur zijn twee voorbeelden van zo' n golfbeweging te zien. Beide golven verschillen van elkaar in golflengte (1) en amplitude (a) of maximale uitwijking. f\/\!\ f\!f V\iV a;: V t.. i.~, vcortplantingsrichting (Twee transversale golfbewegingen met verschillende waarden voor de golflengte (1) en de uitwijking ofwel amplitude (a)) De golflengte is een afstand waarbij de golf een volledige beweging aflegt en T is de tijd die daarvoor nodig is. De snelheid van een golfbeweging (v) is dus afhankelijk van de afstand per tijdseenheid, bijv. 1 seconde, of: v = 1: T (1) edere golfbeweging heeft een frequentie (f), het aantal trillingen of golfbewegingen dat per tijdseenheid een punt passeert. Frequentie en tijd zijn van elkaar afhankelijk: f= 1 : T (2) Uit (1) en (2) volgt nu dat: v = fl of de snelheid van een golfbeweging, dus ook licht, is afhankelijk van frequentie en golflengte. Men heeft de snelheid van het licht (= c) experimenteel kunnen bepalen en voor het luchtledige geldt : v (licht) = c = kmsec. Alle elektromagnetische golven hebben een constante stralingssnelheid die gelijk is aan de snelheid van het licht. Een hoeveelheid energie waarin (eveneens) alle componenten van het zichtbare lichtspectrum aanwezig zijn zal men waarnemen als wit licht. Men zegt ook wel : wit licht is opgebouwd uit alle kleursoorten met golflengten tussen de circa 380 en 750 nm. (alle kleuren van de regenboog). (10-9 = nano = n /nanometer (nm) = 0, meter) Lichtenergie met een (zeer) beperkt golflengtebereik wordt monochromatisch genoemd (= één-kleurig). EE.t.03.03

4 Elementaire Edelsteenkunde- sotropie en anisotropie Wanneer een lichtbron licht uitstraalt in een homogeen medium (bijv. lucht) dan zullen de lichtstralen of golven zich in alle richtingen met eenzelfde (licht-) snelheid verplaatsen. Het front van alle lichtgolven op een bepaald tijdstip is dan een bolvormig oppervlak dat zich met de tijd steeds verder uitbreidt. De afzonderlijke lichtstralen verplaatsen zich in een richting loodrecht op het golf oppervlak. lichtstraal çolloppervlak golffront (Uitbreiding van licht vanuit een lichtbron in een optisch isotrope (a) en anisotrope (b) stof) b Als licht zich in een homogeen medium "bolvormig" uitbreidt dan wordt zo'n medium optisch isotroop genoemd (luchtledige, gassen en lucht, meeste vloeistoffen en vele vaste stoffen). Het komt ook voor dat de voortplantingssnelheid van het licht in een medium in verschillende richtingen niet gelijk is. Het golf oppervlak zal dan niet bolvormig zijn maar de vorm hebben van een ellipsoïde (= drie dimensionaal ellipsvormig lichaam). Een medium met dergelijke eigenschappen wordt optisch anisotroop genoemd. Vele homogene vaste stoffen, waaronder mineralen, blijken optisch anisotroop te zijn. Een ellipsoïdvormig golfoppervlak heeft drie loodrecht op elkaar staande assen waarvan twee even lang zijn (het licht zal zich in die richtingen met eenzelfde snelheid verplaatsen) en de derde langer of korter (het licht is dan sneller of trager), of ze hebben alle drie een verschillende lengte die duiden op een verschillende snelheid. Terugkaatsing en breking van het licht De snelheid van het licht in het luchtledige en lucht is ongeveer (c=) 3 x 108 m/sec. De lichtsnelheid in een ander (dichter) medium, bijv. vloeistoffen en vaste stoffen, zal kleiner ZJn. Deze eigenschap van het licht heeft belangrijke consequenties voor.. de voortplanting van het licht bij een grensvlak van twee media met verschillende dichtheid. e.' Wanneer een lichtstraal scheef invalt op een grensvlak van twee doorzichtige stoffen met een verschillende optische dichtheid en dus een verschillende snelheid van het licht, bijv. lucht en een mineraal, dan zal een deel van het licht teruggekaatst worden in de lucht (reflectie), terwijl een ander deel in het mineraal binnendringt maar daarbij een richtingverandering ondergaat en dus gebroken wordt. (refractie) (Het is natuurlijk ook mogelijk dat een deel van het licht door het mineraal geabsorbeerd wordt.) EE

5 Voor reflectie en refractie gelden bepaalde wetmatigheden mag blijken. O;J zoals uit de onderstaande afbeelding i : hoek van inval t : hoek van terugkaatsing r.' hoek van beking n: lichtbrekingswaarde lucht (=1) N : lichtbrekingswaarde steen (N)n) ON: optisch normaal i=t i>r (Terugkaatsing (links) en breking (rechts) van licht bij het grensvlak van twee (isotrope) stoffen van verschillende optische dichtheid) - invallende straal, teruggekaatste straal, gebroken straal en optische normaal (ON) liggen in één vlak (Dit wordt de eerste wet van Snellius genoemd); - de hoek van inval (i) is gelijk aan de hoek van terugkaatsing (t); - de hoek van inval (i) is groter dan de hoek van, breking (r) als de straal een optisch dichtere stof (met een lagere snelheid van het licht) binnendringt en kleiner als de straal een optisch minder dichte stof binnendringt. Anders gezegd: wanneer een lichtstraal naar een optisch dichter medium overgaat treedt breking op naar de normaal (ON) toe en in het tegengestelde geval van de normaal af; - de stralengangen zijn omkeerbaar. De verhouding van de lichtsnelheid in vacuüm en de lichtsnelheid in een medium is een maat voor de breking van het licht in dat medium, of: n (steen) = c : vlm hierbij wordt n de brekingsindex of lichtbrekingswaarde genoemd en is vlm de lichtsnelheid in dat medium. Voor lucht geldt : n = c : v (lucht) = 1, (bij 15 graden Celsius) of afgerond 1. Met behulp van de theorie van Huygens is aan te tonen dat er tussen de lichtsnelheden in twee verschillende stoffen en de hoeken van inval (i) en breking (r) de volgende relatie bestaat: sin i : sin r = v: v2 EE

6 n~ hulpfiçuur; x. h k ZY sm oe ~ = ZX' z.j Y ON. ~: '0 :- r \\\ Verband tussen lichtbreking op het grensvlak van twee stoffen en de hoeken van inval en breking. We weten dat nl = c : v 1 en n2 = c : v2 en ingevuld geeft dit : sin i : sin r = n2 : nl (is de tweede wet Snellius) ndien een lichtstraal gebroken wordt op het grensvlak van twee media in optisch contact, wordt de constante verhouding tussen de sinus van de hoek van inval en de sinus van de hoek van breking brekingsindex genoemd,' n = sin i : sin r Alle grensvlakken van twee stoffen zullen licht enigszins reflecteren en de mate van reflectie neemt toe met toenemende invalshoek (altijd gemeten t.o.v. de optische normaal). Reflectie is van directe invloed op de glans van een mineraal. Daarnaast veroorzaakt reflectie allerlei optische effecten zoals ster- en katteoogeffect, opalescentie, maansteeneffect en het vuur van een steen. De wetten van reflectie spelen voortdurend een rol bij optisch onderzoek met behulp van opvallend licht en het gebruik van spiegels bij instrumenten.... Bij optisch onderzoek waar lichtbreking een rol speelt moet ermee rekening gehouden worden dat bij gebruik van wit licht kleurschifting optreedt. Totale inwendige reflectie (grenshoek) Gaat een lichtstraal over van een optisch dichtere naar een optisch minder dichtere stof dan wordt de lichtstraal van de optisch normaal afgebroken of de brekingshoek is groter dan de hoek van inval. EE.l.03.06

7 Bij vergroting van de hoek van inval zal op een gegeven moment een hoekwaarde worden bereikt waarbij de gebroken straal langs het grensvlak van beide media naar buiten treedt en de brekingshoek dus 90 graden is. De hoek van inval wordt dan grenshoek genoemd want bij een invalshoek groter dan de grenshoek zal de lichtstraal in het optisch dichtere medium blijven en dus totaal inwendig reflecteren. ON,, ~.' ~ ~~ ~~~~ j De grenshoek een kritische invalshoek waarbij nog net lichtbreking of totale inwendige reflectie optreedt. Snellius geldt voor een steen in lucht: en ingevuld voor de totale inwendige reflectie : Uitgaande van de tweede wet van n (st) = sin i : sin r n (st) = sin r : sin grenshoek = 1 : sin g want hoek r = 90 graden De grootte van de grenshoek is dus afhankelijk van de lichtbrekingswaarde van de sof. Een mineraal met een hoge lichtbrekingswaarde zal in lucht een kleinere grenshoek hebben. Een belangrijke toepassing van het principe van totale inwendige reflectie is de refractometer, een instrument voor het meten van lichtbrekingswaarden van edelstenen. Dispersie Wit licht zoals bijvoorbeeld zonlicht is opgebouwd uit oneindig veel.kleuren; de belangrijkste daarvan zijn rood, oranje, geel, groen, blauwen violet (spectraalkleuren).. Dispersie of kleurschifting is het verschijnsel waarbij wit licht ten gevolge van breking ontleed wordt in de spectraalkleuren. Bij breking zullen lichtgolven met een hogere frequentie sterker gebroken worden en dus is de afwijking of deviatie voor violet licht groter dan voor rood licht. Met behulp van een prisma, waarop licht scheef invalt en twee maal actereen gebroken wordt, kan dispersie van wit licht goed worden aangetoond (Newton).

8 Cl André Molenaar Ou: (geel) EE A " tophoek prisma N: lichtbrekingswaarde prisma Dispersie of kleurschifting van wit licht met behulp van een prisma. Bij een bepaalde waarde voor A (tophoek prisma) heeft iedere stof een kritische waarde voor de minimum deviatie (Dm). Het dispergerend vermogen van edelstenen is een belangrijke eigenschap want hoe groter de dispersie des te sterker is het vuur van de steen. De kleurschifting van edelstenen wordt altijd binnen een bepaald golflengtebereik opgeheven. De standaard gekozen golflengten zijn de Z.g. B en G Fraunhofer lijnen van het zonnespectrum. (B lijn = 686,7 nm (in rood) en G lijn = 430,8 nm (in violet). n de hieronder staande tabel is de dispersie (het dispergerend vermogen) van een aantal belan iike edelstenen samen evat. (~2.9) synth. rutiel (2.41) fabuliet (2.15) cub. zirkonia demantoïd (1.88) (2.41) diamant (~1.98) zirkoon

9 (2.03) GGG (1.83) YAG Vakopleiding Edelsteen Therapie spessartien (1.78) almandien (1.80) pyroop (1.75) (1.72) spinel peridoot (-1.67) (1.76) korund (-1.62) topaas spodumeen (-1.66) tourmalijn (-1.63) chrysoberyl (-1.75) (-1.55) kwarts beryl (-1.57) orthoklaas (-1.53) (1.63) glas silica glas (-1.46) n bovenstaande tabel zijn tussen haakjes, ter vergelijking, de gemiddelde lichtbrekingswaarden opgegeven., n de linkerkolom zijn diamant en zijn mogelijke imitaties vermeld en rechts de overige stenen. Het vuur van een steen is het beste te zien wanneer de steen kleurloos is en geslepen. De sterkte van het vuur is afhankelijk van twee factoren : - een goed slijpsel zodat op basis van totale inwendige reflectie het licht een zo lang mogelijke weg door de steen aflegt, en - een sterk dispergerend vermogen van het mineraal. 'wit Uëht' violet groen rood Het vuur komt verder het best tot zijn recht indien van een puntvormige lichtbron (of de zon) gebruik wordt gemaakt en het licht zoveel mogelijk via... de facetten langs de zijkanten van de steen binnentreedt. Het optreden van dispersie bij een geslepen steen (vuur) EE

10 Gepolariseerd Een rechtlijnige voortplanting van een hoeveelheid licht of een lichtstraal kan men ruimtelijk voorstellen als een koker waarvan de as de voortplantingsrichting aangeeft. Die as is de snijlijn van een oneindig aantal vlakken waarin de transversale golfbewegingen van het licht plaatsvinden. licht n het onderstaande figuur is een monochromatische lichtstraal getekend. a ongepolariseelde lichtstraal gepolaris rde lichtstraal polarisatiefilter A. Het verkrijgen van gepolariseerd licht met behulp van een polarisatiefilter (nicol) B. Het effect van gekruiste nicols : al het licht wordt tegengehouden. Een lichtstraal als de bovenstaande (monochromatisch) is niet gepolariseerd. Door m.b.v. een polarisatié filter het licht alleen in één trillingsrichting door te laten verkrijgt men een gepolariseerde lichtstraal. Gepolariseerd licht kan men met het blote oog niet onderscheiden van gewoon licht. Met behulp van een spiegelend vlak kan men op eenvoudige wijze gepolariseerd licht krijgen. Bij reflectie zal een teruggekaatste lichtstraal grotendeels gepolariseerd zijn waarbij de trillingsrichting van de gepolariseerde golf evenwijdig is aan het spiegelend oppervlak. Gepolariseerd licht is een belangrijk hulpmiddel bij de bestudering van mineralen en edelstenen. Voor het verkrijgen van gepolariseerd licht maakt men tegenwoordig gebruik van een Z.g. polaroid filter waarbij het principe van polarisatie berust op het vasthouden van het licht (absorberen) in een bepaalde richting en het doorlaten in een richting loodrecht daarop. EE