رفرکتومتر گوهرشناسی

رفرکتومتر گوهرشناسی یا شکست سنج  (به انگلیسی: Refractometer)

رفرکتومتر گوهرشناسی ضریب شکست، نسبت سرعت نور در دو محیط مختلف است. سرعت نور در محیط ۱ به سرعت نور در محیط ۲ به عنوان ضریب شکست تعریف می‌گردد. به وسیلهٔ تغییر غلظت محیط‌ ها و جنس و دمای محیط این ضریب تغییر می‌کند.

اساس کار شکست سنج در تابش  نور به شرط تکفام بودن آن است. هدایت آن به سمت محلول مورد نظر و عبور آن می‌باشد. چون این دو محیط با هم تفاوت دارند، نور شکسته شده و با ضریب شکست محدود قابل دریافت است. میزان شکست نور مانند اثر انگشت برای محلول‌های با غلظت یکسان و در دما فشار برابر منحصربه‌فرد می‌باشد.

جواهرشناسی و رفرکتومتر به این گونه عمل میکند. سرعت نور در محیط های مختلف به دلیل متفاوت بودن چگالی مولکولی متفاوت است. به همین دلیل نور در هنگام برخورد با سطح اجسام شفاف،به دلیل تفاوت در چگالی مولکولی از مسیر مستقیم منحرف می شود. در علم فیزیک از این پدیده به عنوان شکست نور یاد می شود که رفرکتومتر گوهرشناسی قادر به نمایش آن است.

با توجه به اینکه هر ماده ای چگالی مخصوصی دارد میتوان کمیتی به نام ضریب شکست نور برای هر ماده تعریف کرد. این کمیت عبارت است از “نسبت سرعت نور در هوا به سرعت نور در محیط ماده. رفرکتومتر یکی از تجهیزات مهم در علم گوهرشناسی به شمار می آید. رفرکتومتر با منبع نور خارجی یکی از رفرکتومترهای پرکاربرد و مناسب در آزمایشگاه های گوهرشناسی و دانشگاه ها می باشد. از آنجایی که هر ماده در طبیعت ضریب شکست منحصر به فرد دارد بنابراین وجود دستگاهی برای اندازه گیری این مقیاس سبب می شود تا نوع گوهر شناسایی گردد.

رفرکتومتر جواهر شناسی می توان ضریب شکست از بازه ی 1.30 تا 1.81 را در سنگ ها اندازه گیری کرد.دستیابی به ضریب شکست یکی از کاربردی ترین روش ها برای شناسایی گوهر است. معمولا نور مخصوص رفرکتومتر ها به دو صورت داخلی (Internal) و خارجی (External) تامین می شود. در رفرکتومتر با منبع نور خارجی از نور زرد رنگ مونوکروماتیک اکسترنال (External Monochromatic Yellow Light) استفاده شده است. این نور در محدوده استاندارد 590 نانومتر بوده و صورت پیچی به قسمت عقب رفرکتومتر متصل می شود.

تعیین ضریب شکست گوهر ها

می توان از دستگاه ضریب شکست سنج رفرکتومتر گوهر شناسی (ضریب شکست سنج) و یا از روش غوطه وری (ایمرسیون) استفاده کرد. از نظر تئوری نسبت سرعت نور در هوا یا خلا به سرعت نور در محیط دیگر را ضریب شکست آن محیط می نامند و با RI نشان میدهند. 

سرعت عبور نور از هر محیطی در ارتباط با تراکم اتمها در ساختمان آن محیط است. هر چقدر تراكم اتمها در محیط بیشتر باشد به همان مقدار سرعت عبور نور از آن محیط کمتر شده و لذا ضریب شکست آن محیط بزرگتر خواهد بود. برای مثال ضریب شکست 2.4 در الماس به این معنی است که سرعت سیر نور در هوا 2.4 برابر سرعت سیر نور در درون الماس است.

ارتباط مستقیمی بین ضریب شکست و وزن مخصوص گوهر ها وجود دارد. از طرفی میزان شکست نور در گوهر های مختلف ثابت است و لذا می توان با تعیین ضریب شکست نور توسط رفرکتومتر گوهر شناسی، انواع گوهر ها را از هم تمیز داد.

مایع مخصوص تعیین ضریب شکست گوهر سنگها

به طور کلی میزان ضریب شکست گوهر ها بین بازه 1.2 تا 2.6 تغییر می کند. برای تعیین ضریب شکست گوهر ها، سطحی از گوهر که ترجیحا سطح تخت آن می باشد بر روی سطح صیقلی شیشه ای قرار می گیرد.

سطح گوهر از سطح شیشه توسط لایه نازکی از مایع جدا می شود. هدف از به کار بردن مایع آن است که نوری که به گوهر می تابد از سطح آن بازتاب کلی پیدا کند و پس از انعکاس از سطح ایینه و عبور از عدسی به چشم ناظر برسد.

این مایع مخلوطی از متيلن بدید با گوگرد و تترایدید اتیلن با ضریب شکست 1.81 تا 1.82 است. توجه کنید که این مایع بسیار سمی است. با این نوع مایعات فقط می توان ضریب شکستهای تا 1.8 را در گوهر ها تعیین نمود.

 برخی از مایعات مورد نظر دارای خاصیت خورندگی می باشند که ممکن است به شیشه سربی رفرکتومتر گوهرشناسی آسیب برساند. در صورتی که جنس شیشه رفرکتومتر از اکسید زیرکن باشد (با ضریب شکست 2.16) این نوع شیشه ها در مقابل مایعات مقاوم بوده و لذا می توان با استفاده از مایعات دارای ضریب شکست 1.2، ضریب شکست تا 2.8 را در گوهر ها اندازه گیری نمود.

مثلا برای اندازه گیری ضریب شکست زیرکن، گروناها و روتیل می توان از این شیشه ها و مایعات استفاده نمود ولی ضریب شکست گوهر هایی مثل الماس را نمی توان با این نوع دستگاهها و مایعات تعیین کرد.

اجزای رفرکتومتر گوهرشناسی و روش کارکرد آن

دستگاههای ضریب شکست سنج یا رفرکتومتر گوهرشناسی بر اساس زوایای بازتاب کلی و زاویه بحرانی طراحی می شوند. این دستگاهها طوری تولید می شوند که به جای اندازه گیری زاویه بحرانی یا زاویه بازتاب کلی، مستقیما مقدار ضریب شکست بر روی مقیاس آنها به نمایش در می آید.

رفرکتومترهای گوهرشناسی عموما دارای ۶ اینچ طول، 3 اینچ ارتفاع و 1.5 اینچ عرض هستند. در مرکز همه دستگاهها شیشه ای سربی با ضریب شکست بالا قرار دارد که به شکل نیم استوانه یا منشور با سطح بالایی صیقلی و مسطح تراشیده شده است.

ضریب شکست این نیم استوانه حدود 1.9 می باشد. بر روی رفراکتومتر و در زیر در پوش آن بخش شیشه ای با طول 2.5 اینچ و پهنای 1.5 اینچ مشاهده می شود که محل قرار گیری گوهر است. در هنگام قراردادن گوهر روی شیشه بایستی بسیار دقت نمود تا گوهر باعث خراشیدگی شیشه نشود.

در قسمت جلوی رفرکتومتر گوهرشناسی، عدسی چشمی به همراه فیلتر پلاریزان که قابل چرخش ۳۶۰ درجه می باشد قرار دارد. جهت تولید نور در این دستگاه از لامپ هالوژنی معمولی یا از یک لامپ بخار سدیمی که نور تک رنگ با طول موج زرد ایجاد می کند استفاده می شود.با روشن نمودن لامپ دستگاه پس از بستن درپوش رفرکتومتر گوهر شناسی، نور از پشت دستگاه وارد قسمت شیشه ای نیم استوانه شده و بر روی گوهر می تابد. اگر پرتوهای نور زاویه ای بزرگتر از زاویه بحرانی داشتند به طور کامل به درون نیم استوانه بازتاب می یابند و بر روی مقیاسی که شفاف است می افتند.

این مقياس ضریب شکستهای 1.35 تا 1.80 را نشان می دهد و ضریب شکست اغلب گوهر ها نیز در این محدوده قرار می گیرد. تصویر این مقیاس توسط ایینه بازتاب می شود و پس از عبور از عدسی به چشم کاربر می رسد. بر اساس میزان ضریب شکست گوهر، سایه ای با رنگ سبز بر روی مقیاس مشخص خواهد شد. مرز بخشهای روشن از بخشهای رنگی یا تیره (لبه سایه) محدوده ضریب شکست گوهر را نشان خواهد داد.

روش تعیین ضریب شکست سنگهای قیمتی با استفاده از رفرکتومتر گوهر شناسی

برای مشخص نمودن مقدار دقیق و واقعی ضریب شکست گوهر های دارای تراش صاف لازم است از چند جهت گوهر را بر روی سطح شیشه ای صیقلی قرار دهیم و مقدار ضریب شکست آن را تعیین کنیم. ابتدا مایع مناسب بر روی قسمت شیشه ای که در درپوش قرار دارد می ریزیم. سپس گوهر از قسمت مسطح بر روی قطره روغن قرار داده می شود.

به آرامی پلاریزور روی چشمی دستگاه، 180 درجه چرخانده می شود. دقت کنید که از فاصله 30 سانتیمتری باید نگاه کنید. در صورتی که تغییر در مقدار ضریب شکست به وجود آمد مقادیر جدید را نیز یادداشت می نمایند. بعد از این کار گوهر را ۴۵ درجه از موقعیت قبلی خود می چرخانیم و دوباره فیلتر پلاریزور را تا 180 درجه حرکت می دهیم. اگر تغییر ضریب شکستی وجود داشته باشد مجددا داده های جدید یادداشت می شوند.

اگر مقدار ضریب شکست های نمایش داده شده توسط رفرکتومتر گوهر شناسی در دو مرحله فوق تغییر پیدا نکرد مؤید آن است که ای یک ضریب شکست است. مجددا گوهر را در سه بار متوالی و در هر بار ۴۵ درجه چرخانده، فیلتر پلاریزور را تا 180 درجه حرکت می دهیم و مقدار . شکستها را یادداشت می نماییم. اگر مقادیر ضریب شکستها کمی اختلاف داشت نتیجه این است که گوهر دارای بیش از یک ضریب شکست است.   به دست آوردن کمترین و بیشترین ضریب شکست در گوهر توسط این روش می توان اختلاف شکست مضاعف یا بیرفرنژانس را تعیین کرد.

شناسایی از طریق ضریب شکست

یک رفرکتومتر گوهرشناسی دستی سنتی
یک آزمون برای تعیین هویت گوهر اندازه‌گیری انکسار نور در گوهر می‌باشد. هر ماده دارای یک زاویهٔ حساس می‌باشد که بالای آن نقطه را نور به داخل منعکس می‌گردد. این را می‌توان اندازه‌گیری کرده و برای تعیین هویت گوهر استفاده نمود. به‌طور کلی این به وسیلهٔ رفرکتومتر اندازه‌گیری می‌شود، همچنین می‌توان از یک میکروسکوپ برای اندازه‌گیری استفاده کرد.

شناسایی از طریق وزن مخصوص 

وزن مخصوص به عنوان تراکم نسبی شناخته می‌شود. وزن سنگ بسته به ترکیبات شیمیایی و نوع ساختار کریستالی تغییر می‌کند. مایعات سنگین با وزن مخصوص معین برای تست گوهر سنگ‌ها استفاده می‌شود.
وزن مخصوص با مقایسهٔ وزن گوهر در هوا با وزن گوهر معلق در آب اندازه‌گیری می‌شود.

شناسایی از طریق طیف نما

این روش یک اصل مشابهی را برای چگونگی کار یک منشور در جداسازی نور سفید به طیف‌های رنگی آن استفاده می‌کند. طیف نمای گوهرشناسی برای تجزیهٔ جذب انتخابی نور در گوهر استفاده می‌شود. اساساً، زمانی که نور از محیطی به محیط دیگر عبور می‌کند، خم می‌شود. نور آبی بیشتر از نور قرمز خم می‌شود. میزان انحراف نور به ماده گوهر بستگی دارد.

منبع : سایت سنگ شناس