Плеохроизм

Плеохрои́зм (от др.-греч. πλέον «больше» + χρως «цвет») — способность некоторых анизотропных кристаллов, в том числе двупреломляющих минералов, обнаруживать различную окраску в проходящем через них свете при рассматривании по различным направлениям.

Явление связано с тем, что в анизотропных кристаллах степень поглощения различных длин волн видимого света зависит не только от химического состава кристалла (как у изотропных веществ), но и от ориентировки луча света относительно оптических осей кристалла.

История

Впервые плеохроизм был фиксирован в 1816 году Жаном Био и Фомой Зеебеком. Во Франции и России в 1896—1903 годах это явление было изучено Валерианом Агафоновым.

Физика явления

Плеохроизм — следствие оптической анизотропии веществ. Поглощение и преломление света в них анизотропно, а зависимость поглощения от длины волны (следовательно, видимого цвета) определяет видимую окраску кристаллов. К примеру, дихроизм возникает в результате двупреломления луча, а потому он не может проявлять себя в изотропном кристалле. Однако обратное утверждение было бы в корне неверно: ни в коем случае нельзя считать, что если в камне нет дихроизма (или плеохроизма), то он изотропен. К примеру, плеохроизм чаще всего отсутствует в бесцветных камнях, однако и во многих окрашенных двупреломляющих драгоценных камнях (к примеру, в некоторых цирконах) плеохроизма также нет или он настолько мал, что его очень трудно выявить.^[1]^:92-93

Плеохроизм, как правило, проявляется тем сильнее, чем гуще (или ярче) природная окраска камня. Например, в тёмно-зелёном александрите плеохроизм проявляет себя значительно сильнее, чем в светлых разновидностях хризоберилла.^[1]^:93

Чаще всего плеохроизм наблюдается в кристаллах, для которых характерна и такая разновидность плеохроизма, как линейный дихроизм — неодинаковость поглощения обыкновенного и необыкновенного лучей. Для одноосных кристаллов различают 2 «главные» (основные) окраски — при наблюдении вдоль оптической оси и перпендикулярно к ней (по т. н. направлениям No и Ne).

Виды плеохроизма

Дихроизм

Для одноосных минералов наибольшие различия в поглощении света различных длин волн (т.е. в видимом цвете) наблюдаются вдоль оптической оси (Ng или Np) и во всех направлениях, перпендикулярных ей. Такой минерал будет иметь два основных цвета при наблюдении в указанных направлениях. В остальных направлениях его цвет будет промежуточным между этими двумя цветами. Такой плеохроизм называется дихроизмом. ^[2]

Круговой дихроизм (эффект Коттона) — различие поглощения для света правой и левой круговых поляризаций.

Трихроизм

В двуосных кристаллах возможно проявление трёх главных окрасок по направлениям Ng, Nm и Np. При наблюдении по другим направлениям кристалл будет окрашенным в промежуточные цвета. Такой плеохроизм называется трихроизмом.

Граневый плеохроизм

Все сказанное выше относится к практике микроскопических наблюдений минералов и горных пород, где применяется плоско-поляризованный свет. В условиях обычного освещения плеохроизм может наблюдаться невооруженным глазом лишь при рассматривании кристаллов на свет через их плоские грани, естественные или искусственные. Такой плеохроизм называется граневым ^[2] и выражен не так ярко, а увидеть при этом "основные" цвета не удастся, только промежуточные. Это связано с неполной поляризацией света гранями кристалла и большими размерами кристаллов, из-за чего в глаз наблюдателя попадают лучи разных направлений, со всей грани. При этом будет происходить наложение разных цветов и наблюдатель получит смешанную картину.

Измерение

Слабый плеохроизм может быть обнаружен с помощью прибора, называемого дихроскопом или микродихроскопом. Для количественной характеристики явлений световой абсорбции (в том числе плеохроизма) используют спектрофотометр. Современные спектрофотометры — универсальные приборы, которые позволяют диагностировать минерал и его качество сразу по многим параметрам, в том числе и точно определить наличие и степень плеохроизма во всех частях светового спектра.

Минералы, обладающие плеохроизмом

Аквамарин (плеохроизм не слишком отчётливый, как правило, кристаллы меняют цвет в сравнительно небольшом диапазоне, от зеленоватого и бледно-голубого до глубокого небесно-голубого).
Аксинит (кристаллы этого минерала полупрозрачные до непрозрачных, однако плеохроизм у них очень сильный и выглядит эффектно: от оливково-зелёного цвет меняется до красноватого или желтовато-бурого)
Александрит (классический пример очень чёткого плеохроизма, кристаллы меняют цвет от сине-зелёных тонов при дневном свете до розово-малиновых или красно-фиолетовых оттенков при электрическом освещении)
Анатаз (обладает достаточно слабым, часто неотчётливым плеохроизмом, который усиливается тем более, чем интенсивнее окрашен кристалл этого редкого минерала)
Андалузит (имеет выраженный плеохроизм, который, отчасти усиливается эффектом люминесценции кристаллов, минерал меняет свой цвет в зависимости от угла освещения в диапазоне от жёлто-зелёного до буровато-красного)
Апатит (при разных расцветках проявляет слабый плеохроизм, в частности, зеленоватые апатиты при вечернем свете становятся розоватыми, а серые — дают на просвет голубизну)
Бадделеит (плеохроизм кристаллов близок к эффекту александрита, цвет меняется от коричневого или дымчатого на зеленоватый или хаки разной степени чёткости)
Бенитоит (этот очень редкий и красивый минерал имеет сильнейший эффект плеохроизма: от бесцветного — до зеленовато-синего или глубокого синего цвета, эффект дополнительно усиливается синей люминесценцией в присутствии ультрафиолета — к примеру, в условиях яркого дневного освещения)
Бирюза (несмотря на свою практически полную непрозрачность, тем не менее, многие образцы обнаруживают слабый плеохроизм в диапазоне голубоватого и зеленоватого тона)
Бразилианит (этот редкий травянисто-зелёный минерал имеет очень слабый эффект плеохроизма — в рамках оттенков зелёного цвета, однако некоторые крупные кристаллы в огранке имеют хороший эффект)
Буланжерит (этот непрозрачный, мучнистый и войлокоподобный минерал имеет очень слабый плеохроизм)
Везувиан (в обычных условиях этот минерал имеет зеленовато-жёлтый или изумрудно-зелёный цвет, который придают этому минералу примеси железа, но в поляризованном свете, как правило, проявляет отчётливый плеохроизм)
Геденбергит (имеет выраженный эффект перемены цвета: от бледно-зелёного до коричнево-зелёного при различных спектрах освещения)
Гиперстен (этот непрозрачный поделочный камень имеет сильный плеохроизм, что значительно увеличивает его декоративность, в тонких пластинках меняет цвет по трём направлениям: от буро-красного до желтовато-бурого и серовато-зелёного)
Данбурит (этот редкий минерал слабо плеохроичен, в основном изменяет цвет в тонах жёлтого, кроме того, кристаллы люминесцируют в бело-зеленоватых или синеватых тонах)
Диоптаз (минерал редкий, перемена цвета не слишком отчётлива, от травянисто-зелёного до голубовато-зелёного, меняется не столько сам цвет, сколько его оттенок)
Дюмортьерит (это редкий минерал голубого или синего цвета часто путают с лазуритом или голубыми кварцами, однако его выдаёт сильнейший плеохроизм — настолько контрастна перемена цвета до чёрного или красновато-бурого)
Изумруд (некоторые ярко-окрашенные образцы обладают заметным плеохроизмом, при повороте кристалла меняют цвет от желтовато-зелёного до голубоватого)
Касситерит (обычно обнаруживает плеохроизм в тонких пластинках. Лишь немногие образцы не обнаруживают плеохроизма, что может быть связано с большой дефектностью их структуры).
Кианит (в отличие от сапфиров видимая окраска кианита меняется в зависимости от угла зрения, а не от спектра освещения, этот эффект связан со структурой кристалла)
Кордиерит (обладает эффектом яркого плеохроизма, цвет меняет в диапазоне от жёлтого или бледно-голубого до тёмно-фиолетового, само название этого минерала происходит от слов «корунд» и дихроизм)
Корнерупин (некоторые образцы минерала обладают очень сильным плеохроизмом в диапазоне: зелёный — жёлтый — бурый, особенно ценятся кенийские огранённые корнерупины, меняющие окраску от зелёной до фиолетовой)
Корунд (особенно известны плеохроизмом так называемые «цветные сапфиры» от гранатово-красных до розовых и фиолетовых, которые в дневном освещении обнаруживают зелёный цвет, их плеохроизм напоминает игру александрита)
Лазулит (минерал обладает контрастным плеохроизмом, причём, окраска по одному из оптических направлений отсутствует и камень выглядит бесцветным, а по двум другим — становится лазурно-голубым)
Муллит (бесцветные кристаллы не обнаруживают плеохроизма, но примеси металлов, окрашивающие муллит в розоватый или синеватый цвет придают ему также и свойства менять окраску при разном освещении)
Ортит (этот минерал имеет сильный плеохроизм: от красно-коричневого до коричнево-золотистого или зелёно-коричневого цвета, следует, впрочем, отметить, что кристаллы ортита нередко радиоактивны)
Парамелаконит (этот редкий минерал, смешанный оксид меди, чёрный и непрозрачный, тем не менее, имеет слабый эффект плеохроизма, отчасти, поддержанный переменой оттенка алмазного блеска, присущего этим кристаллам)
Пирротин (этот минерал, практически непрозрачный и даже обладающий металлическим блеском, тем не менее, обладает слабым эффектом плеохроизма, кристаллы заметно меняют оттенок в рамках основного цвета)
Пурпурит (несмотря на непрозрачность, этот минерал обладает эффектным плеохроизмом: меняет цвет от серого — до розовато-красного или даже пурпурного, согласно названию минерала)
Рамзаит (различно окрашенные образцы обнаруживают достаточно чёткий плеохроизм: от светло-жёлтого до оранжевого, охристого или буроватого цвета)
Розовый кварц (из-за большого содержания примесей эта разновидность кварца часто обладает плеохроизмом, хотя и в слабой форме, только в рамках оттенков розового)
Рубин (как и многие драгоценные корунды часто плеохроичен, хотя и неотчётливо, нередко рубины меняют оттенок цвета с холодного на тёпло-красный при перемене освещения)
Танзанит (плеохроизм кристаллов танзанита не слишком контрастный, в зависимости от освещения они меняют цвет в диапазоне от синего до сиренево-фиолетового, иногда коричневатого или бурого из-за добавления зелёной окраски)
Синхалит (этот редкий минерал с длиннопризматическими кристаллами обладает отчётливым плеохроизмом, цвет меняется от чисто зелёного — до бурого и тёмно-коричневого)
Титанит (имеет отчётливый плеохроизм, проявляющийся по-разному в зависимости от основной окраски кристаллов: у зелёных цвет варьирует — от бледного до бесцветного, у жёлтых — также от бесцветного до розовато-бежевого)
Топаз (плеохроизмом обладают только некоторые разновидности топаза, чаще всего меняющие окраску зонально, когда разные участки кристалла окрашены в диапазоне от голубого до винно-жёлтого)
Турмалин (относится к числу минералов с самым отчётливым и резким плеохроизмом, сильнее всего выражен плеохроизм у красных кристаллов, которые меняют цвет до жёлтого)
Фосгенит (для этого минерала, содержащего в своём составе фосген, характерен слабый плеохроизм в рамках оттенков жёлтого, отчасти, усиленный флуоресценцией в ультрафиолетовых лучах)
Халькофанит (этот редкий цинково-марганцевый минерал — непрозрачный, чёрного цвета и с металлическим блеском, тем не менее, имеет очень сильный эффект перемены цвета в зависимости от освещения)
Хромдиопсид (несмотря на то, что у чистого диопсида плеохроизм отсутствует, хромдиопсиды имеют выраженный эффект перемены цвета в диапазоне от жёлто-зелёного до изумрудно-зелёного)
Циркон (плеохроизм не слишком отчётливый и только у некоторых разновидностей появляется прозелень в расцветке, а голубые цирконы иногда теряют цвет вечером, эффект также скрадывается алмазным блеском минерала)
Цитрин (обладает интересным свойством: природные бледно-жёлтые кристаллы имеют слабый плеохроизм, однако кристаллы цитрина нередко нагревают ради получения более густой и тёплой окраски — после такой обработки эффект плеохроизма исчезает)
Эвклаз (кристаллы этого минерала окрашены слабо и плеохроизм имеют также слабый: цвет изменяется от бледно-зелёного — до жёлто- или голубовато-зелёного)
Эпидот (кристаллы зелёного, жёлтого и красноватого цвета обладают выраженным плеохроизмом — от зеленоватого до коричневатого или жёлтого цвета)

Применение

Важная сфера применения плеохроизма — изготовление поляризационных фильтров (поляроидов), действие которых основано на явлении линейного дихроизма (например, в кристаллах ПВС-йод).
Для идентификации самоцветов, наряду с другими методами.
Окрашивание частей денежных купюр для усложнения подделывания.

Шифры УДК, связанные с плеохроизмом

535.349.1 Псевдоплеохроизм (плеохроизм при наличии ориентированных включений)
535.349.3 Изменение цвета и плеохроизм под действием механического сжатия и растяжения
535.349.4 Изменение цвета и плеохроизм под действием облучения

Примечания

↑ ^1,0 ^1,1 Г.Смит. «Драгоценные камни» (перевод с G.F.Herbert Smith «Gemstones», London, Chapman & Hall, 1972). — Москва, «Мир», 1984 г.
↑ ^2,0 ^2,1 Лодочников В.Н. Основы микроскопических методов исследования кристаллического вещества.. — Ленинград: Научное химико-техническое издательство ВСЕХИМПРОМ ВСНХ СССР, 1930.

Литература

Агафонов В. К. О поглощении ультрафиолетовых лучей кристаллами и о «полихроизме» в ультрафиолетовой части спектра: предварительное сообщение // ЖРФХО. 1896. Т. 28. Вып. 8. Физ. часть. С. 200—215. Отд. изд. СПб.: тип. В. Демакова, 1896. 16 с.; То же на фр. яз. Absortion des rayons ultra-violets par les cristaux et polychroisme dans la partie ultra-violette du spectre // Arch. sci. phys. natur. Génève. 4me per. 1896. Vol. 2. P. 349—364.
Агафонов В. К. К вопросу о поглощении света кристаллами и о плеохроизме в ультрафиолетовой части спектра // Зап. СПб. мин. об-ва, 1902. Ч. 39. № 2. С. 497—626; Отд. изд. О поглощении ультрафиолетовых лучей кристаллами и о «полихроизме» в ультрафиолетовой части спектра. СПб.: типо-лит. К. Биркенфельда, 1902. 130 с.
Белянкин Д. С., Петров В. П., Кристаллооптика, М., 1951;
Костов И., Кристаллография, пер. с болг., М., 1965.

См. также

[Смит-1] 1,0 ^1,1 Г.Смит. «Драгоценные камни» (перевод с G.F.Herbert Smith «Gemstones», London, Chapman & Hall, 1972). — Москва, «Мир», 1984 г.

[автоссылка1-2] 2,0 ^2,1 Лодочников В.Н. Основы микроскопических методов исследования кристаллического вещества.. — Ленинград: Научное химико-техническое издательство ВСЕХИМПРОМ ВСНХ СССР, 1930.

[1]

[2]