El refractòmetre

El refractòmetre és un aparell imprescindible en un laboratori gemmològic. Serveix per mesurar l’índex o els índexs de refracció d’una gemma.

1. PARTS DEL REFRACTÒMETRE

1. Font d’il·luminació: Pot ser llum monocromàtica (generalment de sodi) o llum blanca. La més utilitzada és la llum de sodi.

2. Sistema òptic de l’aparell: El sistema òptic consisteix en un prisma o una semiesfera generalment de vidre. Aquesta semiesfera o prisma constitueix la base de l’aparell, i està muntada a la part central. La part superior de la semiesfera a més constitueix la platina, que és la zona on es col·loca la gemma per fer la mesura.

3. Escala de lectura: Hi ha refractòmetres amb escala interior i d’altres amb escala exterior. L’escala està graduada d’acord amb el material de la semiesfera, i ens permet llegir directament fins a la segona xifra decimal.

4. Ocular: Ens permet veure la imatge correctament.

5. Tapa: S’utilitza per evitar la llum paràsita.

6. Filtre polaritzador: Ens permet visionar els dos raigs alternativament i ens permet contrastar millor la imatge.

2. ESQUEMA DEL REFRACTÒMETRE

Secció transversal d’un refractòmetre gemmològic estàndard

La llum (1) entra per la part de darrera del refractòmetre a través d’una obertura (1a), i xoca contra un mirall (2) que transmet la llum cap el centre de la semiesfera (3).

A la zona de contacte entre la semiesfera i la gemma (4), la llum és parcialment refractada dins de la pedra i parcialment reflectida a la semiesfera. Els rajos reflectits (5) passen a través de l’escala de lectura (6) i d’una lent (7) o sèrie de lents, depenent del tipus de refractòmetre.

Aleshores, els rajos reflectits xoquen amb un altre mirall (8) que dirigeix la llum cap a l’ocular (9) i finalment cap al teu ull (11).

L’ocular (9) es pot desplaçar per poder precisar l’enfocament de la imatge, i generalment porta acoblat un filtre polaritzador (10) que es pot posar i treure.

Com que la semiesfera té una duresa relativament baixa comparada amb la de la majoria de gemmes, s’ha de tenir compte de no esquerdar-la. Això podria espatllar el refractòmetre, ja que no seria possible un bon contacte entre la gemma i la semiesfera i per tant obtindríem lectures falses.

3. TIPUS DE REFRACTÒMETRE

- Refractòmetre d’espinel·la

- Prisma d’espinel·la (n = 1,730; Interval de mesura de l’escala: 1,40 – 1,65)

- Refractòmetre de vidre

- Semiesfera de vidre (n = 1,90; Interval de mesura de l’escala: 1,30 – 1,81)

- Refractòmetre de diamant

- Prisma de diamant (n = 2,417; Interval de mesura de l’escala: 1,55 – 2,03)

- Refractòmetre de zirconita

- Prisma de zirconita (n = 2,170; Interval de mesura de l’escala: 1,40 – 2,10)

L’avantatge del de l’espinel·la sobre el del vidre és que en l’interval en què és vàlid ens permet discriminar millor la lectura, i que l’espinel·la (8 segons l’escala de Mohs) és més dura que el vidre (6 en l’escala de Mohs), per la qual cosa es ratlla menys. Ara bé el seu interval de mesura és més limitat.

La resta de refractòmetres tenen el problema del líquid de contacte, ja que en precisen de molt tòxics, per això no són comercials i el seu ús està reduït a experiències de laboratori.

Per tant, el refractòmetre més habitual i utilitzat és el refractòmetre de vidre.

4. FONAMENT FÍSIC DEL REFRACTÒMETRE

El refractòmetre es basa en el fonament físic de l’angle límit i la reflexió total.

Quan la llum viatja d’un medi (vidre) més dens òpticament (major índex de refracció), a un altre medi (aire) menys dens òpticament (amb menor índex de refracció), hi ha un angle d’incidència màxim tal que tots els rajos que incideixen amb un angle més gran que aquest no es refracten cap al segon medi i són reflectits cap al medi d’on procedeixen (reflexió total). Aquest angle d’incidència màxim és conegut com angle límit.

5. LÍQUIDS DE CONTACTE

Els líquids de contacte s’utilitzen per crear un contacte òptic entre la semiesfera de vidre del refractòmetre i la gemma. Sense la presència d’aquest líquid apareixeria una pel·lícula d’aire entre les dues superfícies. Per a què això no passi, posem una petita gota de líquid de contacte al centre de la platina. És important assegurar-se de no posar massa líquid per tal de que la gemma no suri sobre el líquid.

El líquid de contacte més utilitzat és el iodur de metilè, que té un índex de refracció de 1,81, de manera que només podrem mesurar índexs inferiors a 1,81. Per tant, no podrem mesurar els índexs de gemmes que tinguin índexs de refracció superiors a 1,80.

És necessari protegir el líquid de contacte de la llum i tenir cura de no deixar que el líquid s’evapori i provoqui la precipitació d’alguns dels seus components (el sofre).

A més, és convenient netejar-se les mans després de tenir un contacte físic amb el líquid.

6. PREPARACIÓ DE L’APARELL

Abans d’utilitzar el refractòmetre, ens hem d’assegurar que la superfície de la semiesfera de vidre (la platina), estigui ben neta, sinó l’haurem de netejar amb un tovalló adequat.

A continuació, apliquem una gota petita de líquid de contacte en el centre de la platina. Abans de col·locar la gemma, és necessari netejar-la amb un tovalló i assegurar-nos de que la superfície de la gemma sigui ben plana i estigui ben polida.

En el cas de les gemmes facetades, generalment col·locarem la pedra de manera que la taula de la gemma sigui la superfície que estigui en contacte amb el líquid sobre la platina.

Cal tenir en compte que el vidre de la platina generalment és més tou que les gemmes que col·loquem a la seva superfície, per tant és important procurar que la platina no es ratlli degut a una col·locació poc acurada de la gemma.

A continuació, i sempre que sigui possible, baixarem la tapa del refractòmetre per eliminar la llum paràsita, mirarem directament a través de l’ocular i prendrem la lectura dels índexs de refracció.

Després d’haver pres les lectures necessàries, netejarem la platina amb un tovalló per tal d’eliminar el líquid de contacte.

6. MÈTODES DE MESURA

La gemma pot estar muntada o sense muntar. A més, pot estar tallada en facetes o en caboixó.

En el cas de les gemmes facetades utilitzarem el mètode de mesura estàndard, i en el cas de les gemmes tallades en caboixó utilitzarem el mètode de la visió llunyana.

1. Mètode de mesura estàndard

El mètode de mesura estàndard s’utilitza per mesurar els índexs de refracció de gemmes facetades.

El primer pas és preparar l’aparell tal com s’explica en l’apartat anterior. Un cop posada una petita gota de líquid de contacte al centre de la platina, col·locarem la gemma amb la taula sobre la platina en contacte amb el líquid. A continuació baixem la tapa del refractòmetre i mirem a través de l’ocular.

Al mirar veurem l’escala de lectura, que ens indica valors d’índexs de refracció entre 1,30 i 1,81.

Veurem una regió fosca a la part superior de l’escala i una regió més clara a la part inferior. La línia que separa la regió fosca de la regió clara (“línia d’ombra”) ens indica l’índex de refracció.

A la imatge de dalt, s’observa que la línia que separa la regió fosca de la regió clara està entre 1,54 i 1,55. Entre aquests dos valors necessitem precisar la tercera xifra decimal. Com que la línia es troba una mica per sobre del mig entre 1,54 i 1,55, establim que l’índex de refracció és 1,544.

A continuació col·loquem el filtre polaritzador sobre l’ocular i, mentre observem l’escala, el girem 90 graus a esquerra i dreta. Podrem observar dues possibilitats:

1. Només es veu una “línia d’ombra”:

O bé, la gemma és isòtropa
O bé, la llum incident arriba a la gemma paral·lelament a l’eix òptic i haurem de girar la gemma 90 graus per poder veure dues “línies d’ombra”

2. S’observa que la “línia d’ombra” es mou entre dos valors

O bé, la gemma és anisòtropa uniaxial
O bé, la gemma és anisòtropa biaxia

Un cop feta la primera lectura, és convenient realitzar algunes lectures més rotant la gemma amb els dits cada cop 45 o 90 graus.

Com ja hem mencionat, les gemmes poden ser òpticament isòtropes o anisòtropes.

Les gemmes òpticament isòtropes presenten un sol índex de refracció, mentre que les gemmes òpticament anisòtropes presenten més d’un índex de refracció.

A les gemmes òpticament anisòtropes, podem mesurar la birefringència, que és la diferència entre l’índex de refracció més gran i l’índex de refracció més petit.

Les gemmes òpticament anisòtropes poden ser uniaxials o biaxials. Les gemmes anisòtropes uniaxials presenten un índex de refracció constant (índex de refracció del raig ordinari, nω) i un índex de refracció variable (índex de refracció del raig extraordinari, nε), mentre que les gemmes anisòtropes biaxials presenten dos índexs de refracció variables al refractòmetre.

En el cas de les gemmes anisòtropes uniaxials, podem determinar a més a més el signe òptic. Quan l’índex fix és inferior al mòbil (nω< nε), el signe òptic és positiu. I quan l’índex fix és superior al mòbil (nω> nε), el signe òptic és negatiu.

Cas de gemma isòtropa:

En el següent exemple, s’observa una gemma isòtropa amb n = 1,527. Al realitzar quatre mesures (amb el filtre polaritzador a 0 i 90 graus), només s’observa un índex.

Cas de gemma anisòtropa uniaxial:

En el següent exemple, tenim una gemma anisòtropa uniaxial (on un índex de refracció roman constant i l’altre és variable).

En aquest exemple, l’índex més petit (1,544) es manté constant (índex de refracció del raig ordinari, nω), mentre que l’índex més gran varia (índex de refracció del raig extraordinari, nε). Per tant, el signe òptic és positiu (nω< nε).

L’índex de refracció de la gemma és n = 1,544 – 1,553 (s’indica l’índex més petit i el més gran).

La birefringència és la diferència entre l’índex de refracció més gran i l’índex de refracció més petit. En aquest exemple, la birefringència és Bir = 1,553 – 1,544 = 0,009.

Cas de gemma anisòtropa biaxial:

En el següent exemple, tenim una gemma anisòtropa biaxial (on els dos índexs de refracció són variables).

En aquest exemple, l’índex de refracció és n = 1,611 – 1,620, i la birefringència és de 0,009.

1. Mètode de la visió llunyana

El mètode de la visió llunyana s’utilitza per estimar l’índex de refracció de les gemmes tallades en caboixó (que generalment són criptocristal·lines).

Normalment, la base del caboixó no està polimentada i per tant no podem fer-hi la lectura (en el cas de que estigués polimentada, utilitzaríem el mètode estàndard). En aquest tipus de talla, l’únic que tenim ben polimentat és la superfície corba, per tant, recolzarem aquesta superfície corba sobre la platina en contacte amb el líquid.

Al fer la lectura, veurem la imatge de la gota sobre l’escala de mesura. Per aquest motiu, cal que la gota sigui el més petita possible.

Per una bona observació, ens hem de situar a uns 20 – 22 cm de distància de l’ocular i moure el punt de visió, és a dir , el cap, de dalt a baix, fins que veiem la meitat de la gota fosca i l’altra meitat clara.

La línia que separa la meitat fosca de la gota de la meitat clara és l’índex de refracció aproximat.

En el cas d’aquest dibuix, l’índex de refracció és n ~ 1,543.

Amb el mètode de visió llunyana, només veurem un sol índex de refracció aproximat. Per tant, no podrem saber si la gemma és isòtropa o anisòtropa, ni el seu caràcter i signe òptic.

7. INFORMACIÓ QUE ENS DÓNA EL REFRACTÒMETRE

El o els índexs de refracció.
En gemmes facetades, podrem saber si la gemma és òpticament isòtropa o anisòtropa.
En el cas de les anisòtropes, podrem calcular la birefringència, saber si és uniaxial o biaxial, i en el cas de les uniaxials podem saber el signe òptic (positiu o negatiu).
Sabent si la gemma és isòtropa, anisòtropa uniaxial o anisòtropa biaxial, podem fer-nos una idea de quin és el sistema cristal·lí al qual pertany la gemma: