Что такое «коэффициент преломления» и «дисперсия», и как их понимать?

В ответ на вопрос, что такое «коэффициент преломления света», практически любой человек почти сразу ответит что-то типа «насколько луч света в камне отклоняется от прямой линии»… Логика понятна, мы все знаем, что луч света распространяется всегда прямо! Об особых условиях, типа наличия рядышком черной дыры, способной за счет сверхмощной гравитации искривить луч света, мы говорить не будет в виду отсутствия поблизости таких черных дыр.

На самом деле все не совсем так.

Представьте себе такой пример: Вы идете по дороге со скоростью 5 км/час. При прочих идеальных условиях на каждый шаг Вам требуется определенное и неизменное усилие. А теперь попробуем двигаться со скоростью 5 км/час, будучи по шею в воде! Чтобы сохранить скорость, Вам потребуется значительное увеличение усилий! Если усилия не менять, скорость значительно упадет, то есть вода затормозит Ваше движение.

Когда луч света движется в идеальном вакууме, его скорость составляет 300000 км/сек. Но когда луч света движется не в вакууме, он «натыкается» на атомы и молекулы вещества. И эти атомы и молекулы тормозят луч света. Коэффициент преломления, или «индекс преломления», как принято говорит в англоязычном мире, является значением, обозначающим снижение скорости продвижения луча света в конкретном веществе/предмете. Коэффициент преломления дистиллированной воды равен 1.333, что означает – луч света движется в воде в 1.333 раза медленнее, чем в вакууме.

Понятное, что способность вещества замедлить свет зависит от его химического состава. Но не только! От структуры вещества тоже зависит очень много! И вода, и лед имеют одинаковый состав, но коэффициент преломления у льда составляет уже 1.313, а коэффициент 100%-но насыщенного водяного пара составляет 1.0002. А ведь и вода, и лед, и пар имеют совершенно одинаковый химический состав.

Можно привести и другой пример, очень близкий и понятный любителям камней и минералов. У самого обычного крупнокристаллического кварца усредненный коэффициент преломления – 1.548. однако если тот же кристалл кварца расплавить, а затем охладить до комнатной температуры, то у перекристаллизовавшегося кварца коэффициент преломления составит уже примерно 1.456. У разновидностей кварца – опалов, содержащих от 1 до 20% воды, коэффициент преломления колеблется от 1.40 до 1.46. Чем больше воды в составе, тем ниже коэффициент преломления.
Кроме того, что происходит замедление движения луча, действительно меняется и его направление. Понять это несложно – если у Вас на пути окажется столб, Вам его придется обойти. Атом для луча света также является препятствием, и луч, «наткнувшись» на атом, отклоняется и меняет траекторию своего движения.
Выше мы уже упоминали, что любое непрозрачное вещество частично отражает свет, частично его поглощает. Поглощенная атомом часть луча света просто «исчезла», а отраженная часть луча, изменив свою траекторию, ушла дальше. Но сам по себе луч уже изменился, изменился его спектр.
«Гуляя» внутри камня, бесчисленное множество раз отражаясь от атомов, составляющих структуру камня, свет расщепляется на составляющие. Основных спектральных составляющих белого света, напомню, 7 (Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан). Насколько сильно условно «белый» свет расщепляется на составляющие, описывает параметр «дисперсия».
Если значение дисперсии высокое, это значит, свет расщепляется сильно, если значение дисперсии низкое, значит, свет расщепляется слабо.
Значения коэффициента преломления и дисперсии описывают очень важные параметры внешнего вида драгоценного камня.
Чем выше коэффициент преломления, тем ярче блеск камня. Чем больше луч света замедлился в камне, тем сильнее заметна разница между ним и другим, незамедлившимся лучем, и эта разница как раз и проявляется в наблюдаемом нами блеске.
Чем выше дисперсия, тем сильнее «игра» у камня. Чем сильнее разложился на составляющие луч света, тем больше "вспышек огня", "игры" мы наблюдаем на его гранях. Именно по этой причине камни с высокой дисперсией стараются огранивать в сложные формы, наподобие "бриллиантовой" огранки, с целью добиться проявления максимального "огня", максимальной "игры". Камни с низкой дисперсией предпочитают огранивать в простые формы, наподобие "изумрудной" или "пошаговой" огранки - сильной игры от таких камней добиться невозможно, зато можно подчеркнуть "глубину и мягкость" цвета.
Высокая дисперсия не всегда и не обязательно сопутствует высокому коэффициенту преломления. Ни по одному из описанных параметров бриллиант не является лучшим среди драгоценных камней.
Камни, которые «ярче блестят и играют сильнее» по сравнению с бриллиантами или, как минимум, с бриллиантами конкурируют.
Камни, у которых коэффициент преломления выше, чем у бриллианта:
Гематит, Куприт, Прустит, Муассанит (синтетический), Рутил, Анатаз. Эти камни блестят ярче бриллианта.
Камни, у которых коэффициент преломления сравним с таковым у бриллианта, или же усреднённый коэффициент ниже, но верхнее его значение при двулучепреломлении превышает или сравнимо с коэффициентом преломления у бриллианта:

Сфалерит, Стронция Титанат, Стибиотанталит, Ванадинит, Крокоит, Вульфенит, Танталит.

Очень близко к бриллиантам «подобрались», имея коэффициенты преломления хоть и ниже бриллиантового, но настолько высокие, что их невозможно определить с помощью стандартного рефрактометра с максимальным значе-нием шкалы 1.89:
Фианит (синтетический), Фосгенит, Цинкит, Касситерит, Симпсонит, Циркон, Повеллит, Шеелит, Андрадит, Англезит, Пурпурит, Байянит, Церуссит.

По показателю дисперсии бриллиант уступает следующим камням:
Анатаз, Вульфенит, Ванадинит, Сфалерит, Танталит, Брукит, Цинкит, Муасса-нит (синтетический), Касситерит, Повеллит, Андрадит, Церуссит, Сфен, Бенитоит. Игра у этих камней, в случае идеальной огранки и полировки сильнее, чем у любого самого лучшего бриллианта.

Сравнимы с бриллиантом по игре или мало ему уступают:
Англезит (дисперсия как у бриллианта), Циркон, Шеелит, Смитсонит, Диоп-таз. Не очень сильно уступают бриллиантам по игре гранаты спессартины, альмандины и гроссуляры. А вот, к примеру, корунды (сапфиры и рубины) по игре значительно уступают всем перечисленных выше камням, даже у гранатов альмандинов и гроссуляров дисперсия в полтора раза выше, чем у сапфиров и рубинов!

Добрый день
По данной теме предлагаю дополнительную информацию.
При преломлении, дисперсии, дифракции, отражении, поляризации, интерференции свет проявляет свойства электромагнитной волны.

Преломление света
Преломление света - это явление, при котором световой луч изменяет направление движения при переходе из одной среды в другую.
Под действием электромагнитных волн света электроны в веществе начинают колебаться с определённой частотой, и сами становятся источниками электромагнитных волн, возникают наведенные волны.
Интерференция (наложение волн) волны света и наведённых волн создаёт эффект замедления электромагнитной волны. Электромагнитная волна движется в веществе с так называемой фазовой скоростью. В результате луч света отклоняется от первоначального направления и возникает преломление луча света.
Показатель преломления - это отношение скорости света в вакууме к скорости света (фазовой скорости света) в веществе.
Дисперсия света
Дисперсия света - разложение света на спектральные цвета при прохождении через оптически более плотное вещество вследствие зависимости показателя преломления в веществе от частоты световой волны.
Различным цветам (различным частотам световой волны) соответствуют различные показатели преломления. С возрастанием частоты света интерференционная волна будет двигаться с более медленной скоростью (фазовой скоростью света) и угол преломления луча света будет увеличиваться. Лучи красного цвета отклоняются на меньший угол, наибольший угол отклонения у лучей фиолетового цвета. Возникает дисперсия света, т. е. разложение света на спектр.
Примеры проявления дисперсии света – радуга; спектр призмы; радужные и цветовые эффекты в минералах.

Примечания

Интерференцию падающей и наведенной волны в нашей размерности упрощенно можно представить на основе эфирной телевизионной антенны дальнего приема типа «волновой канал», когда электромагнитная телевизионная волна наводится на «директоры» (это трубки вдоль антенны) потом переизлучается, волны интерферируют и в приемной части – «вибраторе» (к которому подключен кабель от телевизора) создается электромагнитное поле от сформированной узкой диаграммы направленности антенны.
Процессы взаимодействия электромагнитных волн с веществом носят весьма разнообразный характер в зависимости от частоты волны и состава вещества.
В диэлектрике электромагнитные волны света взаимодействуют с электронами находящимися на орбитах вокруг ядер атомов на которые наводятся и переизлучаются волны света.
В металлах электромагнитные волны света возбуждают колебания свободных электронов, возникают наведенные волны, которые обеспечивают практически полное отражение света.
Разложение света на спектр часто является сочетанием разных процессов - преломления, дисперсии, интерференции, дифракции.
Интерференция света - наложении друг на друга нескольких световых волн. Пример - радужные оболочки мыльных пузырей. Изломы, сдвиги, прослойки соизмеримые с длиной волны в минералах дающие радужные и цветовые сияния. Крылья бабочки (интерференция, дифракция чешуйчатых структур, пигментация)
Дифракция света - огибание световой волной препятствий, соизмеримых с длиной волны. Дифракция состоит в том, что волна огибает край препятствия и заходит в область геометрической тени. Угол отклонения света у препятствий зависит от частоты волны и соответственно от цвета. (Это отклонение отличается от преломления света вследствие изменения показателя преломления среды.)
Пример - формирование спектра на DVD дисках. Классическое проявление дифракции в кристаллической решетке минералов происходит на более коротких рентгеновских волнах.

Общие рассуждения

Свет проявляет свойства электромагнитной волны и частицы.
При поглощении и испускании света, фотоэффекте свет проявляет свойства частицы (фотона света).
Процессы поглощения фотона света и испускания фотона света электронами в веществе теоретически не полностью согласовываются с электромагнитной теорией света. Однако наука говорит, что рассматривать процессы проявления света в качестве волны и как частицы надо по отдельности.
Современная наука некоторые вопросы, подтвержденные и доказанные экспериментами, предлагает принимать на веру т.к. существует много запутанностей которые трудно объяснить и представить.
Минералы - это динамическая система электроны, атомы и молекулы которой находятся в постоянном движении, это и температурные колебания атомов и молекул в кристаллической решетке, и переходы электронов с орбиты на орбиту, и колебания электронов от наведенных электромагнитных волн и т. п.
Когда мы берем в руки минерал, за счет нашего инфракрасного поля и теплопроводности от наших рук энергия передается минералу, и он начинает поглощать тепловую энергию и усиливать колебания своих атомов и молекул (атомы и молекулы переходят в более возбужденное состояние). Минерал, также делится с нами своей энергией на излучаемых минералом инфракрасных волнах.

Хорошо, что подымаете сложные темы. Непосредственное и личное рассмотрение и обсуждение всегда интересно и позволяет глубже, разнообразнее и яснее понимать природу.

Замечательно! Когда-то давно полученные в школе знания, которые казались достаточно абстрактными, а посему хорошо забытые, теперь вспоминаются и укладываются по полочкам. Это уже не просто картинки в учебнике, а эффекты, наблюдаемые своими глазами на любимом предмете - минерале. Спасибо!