effetti OTTICI 1-generalità-rifrattometro

Bellezza
Colore
Fenomeni Ottici
Trasparenza
Lucentezza
Brillantezza
Lucentezza
Quantità di luce riflessa dalla superficie della gemma; concorre a
determinare l’aspetto delle gemme rappresentandone la capacità delle
superfici di assumere un grado di luminosità più o meno elevato.
-vitrea: assomigliante a quella del
vetro;quarzo,
topazio,
berillo,
in
generale la maggior parte delle gemme.
-adamantina: molto brillante ad esempio
il diamante.
Quarzo ialino
diamante
1
Bellezza
Colore
Lucentezza
Trasparenza
Brillantezza
Fenomeni Ottici
TRASPARENZA
La trasparenza può essere un fattore indice delle
caratteristiche interne di un minerale, deve essere
quindi sempre riportata nella descrizione di un
campione (specie nel campo delle gemme).
Un minerale si dirà:
-trasparente (fig. 1), quando la luce passa attraverso
il minerale ed è possibile osservare quello che c'e'
dietro (stupendo esempio ne è il quarzo ialino);
-traslucido (fig. 2), la luce può attraversare il
minerale, ma non si riesce a vedere attraverso la
pietra (ad es. sono traslucidi i vetri smerigliati dei
bagni);
-opaco (fig. 3), non passa luce attraverso il minerale
(es. lapislazzuli, turchese, grafite).
2
Bellezza
Colore
Trasparenza
Lucentezza
Brillantezza
Fenomeni Ottici
Quantità di luce che torna all’occhio dell’osservatore dopo
aver subito un determinato percorso all’interno della gemma
3
Fu verso la fine del XIV secolo che soprattutto a Venezia , ma anche
a Genova e a Firenze, si videro le prime gemme sfaccettate.
L’invenzione del taglio del diamante con la sua stessa polvere si
attribuisce ai tagliatori italiani, ed è molto plausibile che così sia
stato perché non si conoscono pietre che siano state importate in
quel periodo dall’India già tagliate.
Inizialmente il taglio si limitava a lucidare e regolarizzare le facce
naturali del cristallo, cioè il cosiddetto taglio a punta, che spopolò
nel Medioevo e nel primo Rinascimento soprattutto sugli anelli.
Intanto nel XV e XVI secolo si andavano sviluppando i traffici
internazionali, specialmente sulla scia delle nuove scoperte
geografiche, e acquisivano sempre maggiore importanza i centri
urbani dell’Europa del Nord, come ad esempio Bruges, Anversa, e
Parigi, dove si costituivano le prime piccole Corporazioni di tagliatori
e commercianti di diamanti. In questo ambito si svilupparono i primi
veri tagli, come ad esempio quelli a tavola e a rosa, che si
distanziavano sempre di più dalla forma naturale del cristallo
acquistando in brillantezza.
4
Taglio a rosa
In tempi antichi si cercava di migliorare la
pietra grezza togliendole le asperità e dandole
l’aspetto della pietra a cabochon; in tempi
successivi,
nel
tentativo
di
migliorarla
ulteriormente, si cominciò a ricavare sulla sua
superficie arrotondata delle zone piatte
(faccette). Questo processo ha dato vita a un
taglio conosciuto come taglio a rosa, la cui
forma somiglia a quella di un cabochon
tondo, con 24 faccette triangolari nella
parte superiore. La parte inferiore è
costituita da una base piatta e quindi non ha
faccette.
5
TAGLIO IDEALE
Solo se le Proporzioni sono rientranti in determinati parametri il
diamante esibisce la massima bellezza .
Bellezza
e Brillantezza
Una normale pietra, con luminosità mediocre, si può
trasformare in una gemma risplendente, in quanto permette alla
luce di penetrare il cristallo e di esaltarsi grazie alle
sfaccettature.
Il taglio è quella serie di operazioni atte a modificare la forma del grezzo in
gemma, sfruttando le leggi dell’ottica al fine di ottenere la massima riflessione della
luce.
Ad esempio….
La bellezza di un diamante dipende dal modo
in cui esso riflette la luce. Il tagliatore deve
sfaccettare la pietra in maniera tale che la luce
venga riflessa all'osservatore, possa penetrare
dalla parte superiore, riflettere all'interno e
fuoriuscire dall'alto. In questo modo viene
riflessa la maggior quantità di luce e il diamante
risplende con il suo fuoco, la sua brillantezza e il
suo scintillio
6
Parti principali del taglio
Tavola superiore (o principale). Faccetta larga e piatta alla
sommità della corona, parallelamente al piano della cintura
Corona:parte pietra
sopra cintura
Faccette di
stella
Cintura:sezione
perimetrale
Padiglione:area inclinata tra
cintura e apice
Faccette
fondamenta
li inferiori
Apice (o Tavola inf.) :faccetta dove si
incontrano le faccette del padiglione
N.B.:Faccette= superfici planari polite.
Parti principali del taglio a brillante
Nella parte superiore o Corona: 32faccette+tavola=33
1 tavola (ottagonale);
8 triangoli di tavola o faccette di stella (triangolari)
Tavola superiore (o principale). Ottagonale
8 fondamentali di corona o fondamentali superiori (rombiche)
16 triangoli di cintura o faccette di traverso superiori (triangolari)
Faccette
di stella
Corona
Tavola
fondamentali superiori
triangoli di cintura
7
Parti principali del taglio a brillante
Nella parte inferiore o padiglione: 24faccette+apice=25
1 apice o tavola inferiore;
8 fondamentali di padiglione o fondamentali inferiori (rombiche)
Tavola superiore (o principale). Ottagonale
16 triangoli di padiglione o faccette di traverso inferiori (triangolari)
I vertici delle faccette fondamentali di corona e padiglione devono
coincidere alla cintura. Le faccette di traverso di corona e padiglione
devono corrispondere come posizione in zona cintura.
Faccette totali:
33+24/25=57/58
triangoli di padiglione
fondamentali
inferiori
apice
padiglione
8
Taglio a smeraldo a rettangolare
Taglio standard a gradini : 58 faccette
Detto anche taglio a smeraldo. La sua pecularità è di avere le
faccette parallele alla cintura. La tavola inferiore può essere
presente oppure può essere ridotta a spigolo.
Tipi di taglio:
Cabochon: superfici curve
9
Taglio a baguette
Rettangolare, con la parte superiore piatta, deve il suo nome al tipico
filone di pane francese, di cui ricorda la forma allungata. Appartiene
alla famiglia dei tagli a gradino ed è uno dei tagli più antichi e
tradizionali, in quanto offre alcuni vantaggi :
è realizzabile anche con strumenti e
tecnologie modesti e comporta una
perdita di peso minore rispetto, per
esempio, al taglio a brillante.
Inoltre, in un pavé, le gemme a baguette,
lasciano meno spazio tra una pietra e
l’altra, con risultati esteticamente molto
gradevoli.
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11
12
Angolo limite (o critico) e riflessione totale
Si sfrutta il concetto dell’angolo critico per controllare il cammino della luce
attraverso la gemma
L’angolo di incidenza a cui
corrisponde un angolo di
rifrazione di 90° è detto
angolo limite o critico,
poiché segna il limite oltre il
quale si ha riflessione
Interfaccia
totale.
In altre parole:
L’angolo
limite
è
l’angolo massimo di
rifrazione, oltre si ha
riflessione totale.
La riflessione totale è un fenomeno importante che viene sfruttato nella costruzione
di molti strumenti ottici, tra cui il rifrattometro (o totalrifrattometro) e a cui è dovuta in
parte la brillantezza del diamante e di altre pietre ad alto indice di rifrazione
Perché le gemme sono tagliate in questo modo?
Per capire perché le gemme vengono tagliate, è essenziale capire il comportamento
della luce che passa attraverso una gemma.
Quando la luce incide sull’interfaccia
tra due mezzi, una parte di essa
viene RIFLESSA, tornando al primo
mezzo, mentre una parte viene
RIFRATTA, penetrando nel secondo
mezzo con una direzione diversa
rispetto a quella di propagazione
iniziale.
L’indice di rifrazione (RI) misura quanto viene
deviata la luce che passa attraverso la gemma.
La maggior parte delle gemme sono
tagliate in modo che la luce che entra
nella corona sia riflessa dalle faccette
del padiglione e rinvìata attraverso la
corona all’occhio dell’osservatore. Tale
luce costituisce la luminosità o
brillantezza.
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Ricapitolando:
L’angolo di incidenza a cui
corrisponde
un
angolo
di
rifrazione di 90° è detto angolo
limite o critico, poiché segna il
limite oltre il quale si ha
riflessione totale.
Si sfrutta l’ angolo limite o
critico,
per
esaltare
i
fenomeni di riflessione della
luce attraverso le faccette
della gemma tagliata.
Il taglio
E’ quella serie di operazioni atte a modificare la forma del grezzo in gemma,
sfruttando le leggi dell’ottica al fine di ottenere la massima riflessione della luce. Gli
elementi che contribuiscono alla classificazione del taglio sono: PROPORZIONI e
FINITURA (caratteri esterni–politura; simmetria)
PROPORZIONI
Le proporzioni ideali teoriche di riferimento del taglio a brillante sono quelle del taglio
Tolkowsky che consentono di raggiungere i massimi valori di brillantezza e
dispersione. Si riferiscono alla relazione tra le dimensioni e le angolazioni tra le
faccette e le diverse parti della pietra.
Dimensioni Tolkowsky
Percentuale Della Tavola
Da 53% a 66%
Altezza Della Corona
Da 12% a 16%
Profondità Del Padiglione
Da 42% a 45%
Spessore Della Cintura
Da 0,7% a 2%
Dimensioni Dell’apice
Angolo Del Padiglione
40°45’ +/–1°
14
Cut too deep to retain weight...not beauty
Cut too shallow to appear larger than it is...light
is lost
Ideal cut diamonds will always be more beautiful
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La superficie della gemma deve essere levigata, e
non ruvida, perché solo così si ha riflessione interna.
Quando la superficie
della
gemma
è
levigata, la luce è
internamente
riflessa.
Quando la superficie della gemma è ruvida, la luce è persa
Angolo limite (o critico) e riflessione totale nel Qz
Superficie della gemma non perfettamente levigata,
in parte ruvida, in Qz citrino.
16
17
Il Diamante: le 4 C
Per definire le caratteristiche tecnico commerciali del
diamante occorre stabilire le 4C, cioè i suoi fattori qualitativi.
Gli elementi da considerare sono:
Carat–Weight (Massa)
Clarity (Purezza)
Colour (Colore)
Cut (Taglio)
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Dispersione dei colori
In seguito all’incidenza di un raggio di luce bianca su un’interfaccia
tra due mezzi ottici, ogni colore della luce subisce una deviazione
diversa: questo fenomeno è chiamato DISPERSIONE DEI COLORI.
Un fascio di luce bianca che incide sotto un
certo angolo su una lamina delimitata da
sup. piane e parallele, emerge da questa
spostato lateralmente ma parallelamente
alla direzione originaria di incidenza.
Il fascio emergente è bianco.
Perché con il taglio le gemme diventano brillanti?
Cosa è il fuoco? e la Dispersione dei colori?
In seguito all’incidenza di un raggio di luce
bianca su un’interfaccia tra due mezzi
ottici, ogni colore della luce subisce una
deviazione diversa: questo fenomeno è
chiamato DISPERSIONE DEI COLORI.
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Dispersione dei colori e Fuoco
Le onde luminose di lunghezza d’onda maggiore (luce rossa)
vengono deviate meno, mentre le onde di lunghezza d’onda minore
(luce viola) vengono deviate maggiormente, ossia sono più
rifrangibili.
Questa dispersione dei colori della luce bianca è la causa dell’effetto cromatico che
si osserva nelle gemme detto FUOCO.(es. diamante, rutilo sintetico, zircone
incolore.
Dispersione=differenza tra l’indice di
rifrazione del mezzo per il raggio rosso e
l’indice di rifrazione per il raggio viola.
Per scopi gemmologici di solito l’indice di
rifrazione del mezzo viene misurato
relativamente alla riga B di Fraunhofer dello
spettro solare (lunghezza d’onda 687 nm
nel rosso) e alla riga G (lunghezza d’onda di
430,8 nm nel blu-viola).
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DUREVOLEZZA
TENACITA’
RESISTENZA AD ATTACCHI CHIMICI
Moda
Rarita’
Domanda
Portabilita’
Tradizione
21
Cosa comprende una
analisi gemmologica
standard?
1) Specie Mineralogica
2) Origine
3)Presenza di Trattamenti
4) Provenienza
IL MICROSCOPIO
MICROSCOPIO
-Integrità del pezzo
DICROSCOPIO
-Durezza
CONOSCOPIO
-Birifrangenza
-Pezzo unico o composito
-Studio delle inclusioni
RIFFRATTOMETRO
STRUMENTI
PER ANALISI
STANDARD
BILANCIA
IDROSTATICA
LAMPADA AD
ULTRAVIOLETTI
SPETTROSCOPIO
POLARISCOPIO
22
Birifrangenza anomala
Zaffiro naturale proveniente da Sri Lanka. Sono visibili lamelle di
plurigeminazione.
23
Associazione di cristalli tondeggianti (probabile calcite, apatite, dolomite) e seta, tipica
dei rubini di origine Birmana (Mogok).
24
25
26
TRIPLETTA DI OPALE
DOPPIETTA DI “RUBINO
SINTETICO/RUBINO”
27
MICROSCOPIO
DICROSCOPIO
CONOSCOPIO
RIFFRATTOMETRO
LAMPADA AD
ULTRAVIOLETTI
STRUMENTI
PER ANALISI
STANDARD
BILANCIA
IDROSTATICA
SPETTROSCOPIO
POLARISCOPIO
Il RIFRATTOMETRO
L’indice di rifrazione (RI) misura quanto viene deviata la luce che passa
attraverso la gemma.
L’angolo di incidenza
a cui corrisponde un
angolo di rifrazione
di
90°
è
detto
angolo
limite
o
critico, poiché segna
il limite oltre il quale
si
ha
riflessione
totale.
In altre parole:
L’angolo
limite
l’angolo massimo
rifrazione, oltre
ha riflessione
è
di
si
La riflessione totale è un fenomeno importante che viene sfruttato nella
costruzione del rifrattometro (o totalrifrattometro)
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Con il rifrattometro distinguiamo le gemme monorifrangenti
da quelle birifrangenti
I minerali si dividono in monorifrangenti (otticamente isotropi) e in birifrangenti
(otticamente anisotropi).
1. monorifrangente
Cubico, vetri, resine
2. birifrangenti
Esagonale
 tetragonale
Rombico
monoclino
Triclino
Nei primi la luce si propaga con la stessa velocità in tutte le direzioni, pur subendo un
rallentamento e deviando rispetto alla propagazione nel vuoto o nell'aria; invece, un raggio
di luce che si propaga in un corpo birifrangente si scinde in due raggi che si propagano con
velocità diversa e che sono detti rispettivamente raggio ordinario e raggio straordinario.
I sette sistemi cristallini:
I cristalli uniassici
La birifrangenza non si osserva lungo le direzioni parallele agli assi ottici, né
mente a tali assi, poiché in questo caso, nonostante la birifrangenza sia
massima, le due immagini si sovrappongono e non possono essere viste
separatamente.
Nei cristalli appartenenti ai sistemi tetragonale, esagonale e
trigonale esiste una sola direzione, quella parallela all’asse
cristallografico verticale, in cui la luce si comporta come se il
cristallo fosse monorifrangente.
Tale direzione di monorifrangenza in un cristallo birifrangente è
detta asse ottico.
I cristalli appartenenti ai sistemi tetragonale, esagonale e
trigonale possiedono un solo asse ottico e sono pertanto detti
uniassici.
In qualsiasi altra direzione del cristallo il raggio luminoso si scinde in due
raggi, detti ordinario (v) e straordinario (e). Se la velocità del raggio
straordinario e è > di quella del raggio ordinario v, il cristallo è otticamente
positivo; se v > e, il cristallo è otticamente negativo.
29
Il RIFRATTOMETRO
Nel rifrattometro da gioielliere i raggi luminosi riflessi dalla pietra vengono
proiettati su una scala osservabile per mezzo di un oculare.
+
Schema del sistema ottico del rifrattometro di Bertrand.
Si colloca una superficie piana e polita della gemma sul piano di vetro
dello strumento (previa applicazione di un liquido di contatto), e si
osserva attraverso l’oculare che la scala dello strumento è parzialmente
scura e parzialmente luminosa.
La linea di separazione luce-ombra indica l’indice di rifrazione.
Parti del RIFRATTOMETRO
Filtro
polarizzatore
Vetro
Lente
Coperchio
Scatola
metallica
Materiali del vetro :
Sfalerite (ZnS)
Diamante
Zirconia cubica
Titanato di stronzio (i.r. 2,418)
Materiali del liquido di
contatto:
Soluzione satura di zolfo e
tetraiodoetilene in ioduro di
metilene (i.r.=1,81)
Rifrattometri con illuminazione incorporata:
Detti “Led” (light emitting diode), offrono il
vantaggio di essere poco costosi e di generare
una luce gialla abbastanza monocromatica: picco
a 590 nm e larghezza di emissione compresa
tra 580 e 615 nm.
30
31
IL RIFFRATTOMETRO
Berillo
Corindone
Olivina
Quarzo
Topazio
Tormalina
1,57
1,76
1,65
1,54
1,61
1,62
1,58
1,77
1,69
1,55
1,62
1,64
32
Come funziona il rifrattometro?
Gemma
R.I.<1.81
O
Prisma di
vetro denso
R.I.=1.86
luce
scuro
Lente
I
Luce
Angolo
critico
Occhio
scuro
1.4
Lente
luce
N
Misura dell’indice
di rifrazione
I materiali isotropi e amorfi
hanno un solo indice di
rifrazione,quindi si legge
una
sola
linea
di
separazione
luce-ombra
ruotando la pietra.
33
Misura dell’indice in caso di doppia rifrazione
Le pietre uniassiche hanno due indici
di rifrazione, uno per v, il quale dà
una linea di separazione luce-ombra
che resta fissa, e l’altro per e, il quale,
in genere, dà una linea di separazione
luce-ombra che si sposta quando la
pietra viene ruotata
Se l’indice di rifrazione relativo alla linea di
separazione luce-ombra è maggiore di quello
fisso, si dice che la pietra ha segno ottico
positivo; se, invece, è minore, la pietra ha
segno ottico negativo.
34
Segno ottico degli uniassici
positivi
Segno ottico degli uniassici
negativi
Raggio
ordinario fisso
Raggio
straordinario
che si muove
Raggio
straordinario
che si muove
Raggio
ordinario fisso
Cristalli tetragonali, trigonali o esagonali
35
Segno ottico degli cristalli biassici
Biassico
positivo
Biassico
negativo
Valore di RI
più basso
a
b
b
g
Valore di RI
più alto
Cristalli ortorombici, monoclini, triclini
Il polariscopio
analizzatore
polarizzatore
Il polariscopio: permette di
stabilire se una pietra è
monorifrangente (sempre
estinta),
birifrangente
(posizioni
di
luce
e
posizioni di buio), se
presenta
birifrangenza
anomala o se è un
aggregato criptocristallino
(sempre illuminato).
sorgente di luce
36
IL POLARISCOPIO
Due Polaroid tenuti in posizione incrociata,
con in basso un’apertura contenente una
lampada elettrica a bassa tensione,
consentono di rilevare la birifrangenza.
analizzatore
polarizzatore
Valutazione del carattere
ottico
Il più semplice test che si può fare (su pietre
polite o non, ma trasparenti o translucenti) è
la verifica del CARATTERE OTTICO della
pietra, mediante rotazione di 360° sul tavolo
del polariscopio.
sorgente di luce
I materiali isotropi (sistema cubico) e amorfi sono sempre estinti se
osservati al polariscopio, ruotando la pietra in qualunque posizione .
Esempio di materiali isotropi : L’OPALE
Sfere di diametro
variabile di silice
amorfa intercalate
da lacune disposte
regolarmente con
geometria cubica
Composizione:
SiO2·H2O
(silice
contenente tra l’1-21 % di acqua);
idrata
Non cristallina
Varietà più usate in gioielleria: opale nobile
bianca e nera (arlecchinamento); opale nera,
di fuoco, d’acqua (varietà ialite).
RI: 1.44-1.46 (1.40 nell’opale di fuoco)
Peso specifico: 2.0-2.1
Durezza: 5.5-6.5
Lucentezza: vitrea
Luminescenza: LW e SW UV da bianca a
verde ad azzurra.
37
Colore:
Nelle sue varietà più pure l'opale è incolore, limpido
e trasparente, ma più spesso è lattiginoso, da
traslucido fino a completamente opaco. L'opale
nobile il più pregiato è lattiginoso con vivacissime
iridescenze.
Aspetto:
mai in cristalli. Si presenta per lo più in venule,
globuletti, croste e chiazze di riempimento.
opale nobile
opale di fuoco
Altra valutazione: gemme micro e policristalline
I materiali micro o policristallini appaiono sempre luminosi. Questo
perché i piccoli cristalli sono orientati a random, per cui ci saranno
sempre cristalli orientati in modo da lasciar passare la luce (es.
calcedonio, agata, crisoprasio, giadeite, nefrite).
Lo stesso effetto si può osservare su materiali formati da lamelle
sottili
38
Valutazione della doppia rifrazione o birifrangenza
Mediante rotazione di 360° sul tavolo del polariscopio, i materiali anisotropi sono
alternativamente estinti o illuminati se osservati al polariscopio, ruotando la pietra in
qualunque posizione .
Osservazioni al polariscopio
BIRIFRANGENZA ANOMALA
Si è detto che i materiali isotropi (sistema cubico) e amorfi sono
sempre estinti se osservati al polariscopio, ruotando la pietra in
qualunque posizione . Si possono però verificare casi di birifrangenza
anomala, es.quarzo, ma anche granati.
39
Altre valutazioni al polariscopio:
osservazioni delle figure di interferenza
Nei cristalli appartenenti ai sistemi tetragonale,
esagonale e trigonale esiste una sola direzione,
quella parallela all’asse cristallografico verticale,
in cui la luce si comporta come se il cristallo
fosse monorifrangente.
Tale direzione di monorifrangenza in un cristallo
birifrangente è detta asse ottico.
Cristalli appartenenti
ai sistemi tetragonale,
esagonale e trigonale
possiedono
un
solo
asse ottico e sono
pertanto
detti
uniassici.
calcite
Altre valutazioni al polariscopio:
osservazioni delle figure di
interferenza
quarzo
Nei cristalli appartenenti ai sistemi
rombico, monoclino e triclino esistono
due assi ottici e sono pertanto detti
biassici.
40
Figure di interferenza
Figure di interferenza
41
Altre valutazioni al polariscopio: osservazioni delle figure di
interferenza
Figure di interferenza
CaB2(SiO4)2
della
Danburite,
un
borosilicato
di
Ca
Il cristallo è ruotato (nessun colore nella foto 1 perché passa solo luce
bianca) fino a trovare i colori di interferenza (foto 2).
Con l’ausilio del conoscopio (LENTE CONVERGENTE) si osserva la figura di
interferenza biassica (foto 3).
Altre osservazioni al polariscopio…
1. Figure di interferenza
42
Altre osservazioni al polariscopio… Osservazione di stress e
strain interno
43