Chiết suất là con số cho biết ánh sáng đi chậm lại và bị bẻ cong bao nhiêu khi đi từ không khí vào viên đá; chiết suất càng cao, ánh sáng càng bị bẻ mạnh và càng dễ bị phản xạ toàn phần bên trong. Đó là lý do đá chiết suất cao như kim cương, zircon sáng rực khi mài đúng, còn đá chiết suất thấp như thạch anh cần góc mài sâu hơn để khỏi "thủng" ở giữa.
Phép đo chiết suất trong phòng lab có bài riêng trong danh mục giám định. Bài này nói về chiết suất ở góc mắt thường: nó làm viên đá sáng hay tối, vì sao có viên nhìn thấy cửa sổ ở giữa, có viên có vùng tối, và người xem có thể nhận ra những điều đó thế nào.
Chiết suất là gì, nói đơn giản
Ánh sáng đi trong chân không nhanh nhất. Khi đi vào nước, thuỷ tinh hay đá, nó chậm lại. Chiết suất là tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ trong vật liệu. Không khí gần bằng 1; nước khoảng 1,33; thạch anh khoảng 1,54; corundum khoảng 1,77; kim cương khoảng 2,42. Một viên kim cương làm ánh sáng chậm lại chỉ còn khoảng hai phần năm tốc độ ban đầu.
Khi ánh sáng đi xiên qua ranh giới giữa hai vật liệu có chiết suất khác nhau, nó đổi hướng, giống chiếc đũa cắm trong cốc nước trông như gãy ở mặt nước. Chênh lệch chiết suất càng lớn, ánh sáng càng bị bẻ mạnh. Đá quý trong không khí có chênh lệch lớn hơn nhiều so với đá quý ngâm trong nước, nên đá ngâm nước trông kém sáng hẳn.
Với một đá đơn chiết, mọi hướng có cùng một chiết suất. Với đá lưỡng chiết, có hai chiết suất và chênh lệch của chúng là độ lưỡng chiết, một khái niệm có bài riêng. Ở bài này ta dùng một con số đại diện cho mỗi loài để nói về độ sáng.
Góc tới hạn và phản xạ toàn phần
Bây giờ đi theo chiều ngược lại: ánh sáng đang ở trong viên đá, muốn đi ra không khí. Nếu nó chạm mặt đá với góc gần thẳng, nó thoát ra được. Nếu nó chạm quá xiên, vượt một góc nhất định, nó không thoát ra mà bị phản xạ toàn bộ trở lại bên trong. Góc giới hạn ấy gọi là góc tới hạn, đo từ đường vuông góc với mặt đá.
Góc tới hạn phụ thuộc chiết suất: chiết suất càng cao, góc tới hạn càng nhỏ. Tính theo công thức quang học phổ thông, thạch anh có góc tới hạn khoảng 40 độ, corundum khoảng 34 – 35 độ, kim cương khoảng 24 độ. Nghĩa là trong kim cương, ánh sáng chỉ cần chạm mặt đáy hơi xiên một chút đã bị giữ lại và phản xạ, còn trong thạch anh phải chạm xiên hơn nhiều.
Đây là chìa khoá của độ sáng đá mài giác. Thợ mài thiết kế các mặt đáy sao cho ánh sáng vào từ mặt trên, chạm mặt đáy với góc lớn hơn góc tới hạn, phản xạ sang mặt đáy đối diện, lại phản xạ lần nữa, rồi đi ngược lên mắt người xem. Viên đá như một hệ gương nhỏ không cần tráng bạc.
Chiết suất, góc tới hạn và hệ quả khi mài
Bảng dưới gom một số đá hay gặp. Chiết suất lấy giá trị đại diện theo tài liệu đá quý học phổ thông; góc tới hạn làm tròn.
| Đá | Chiết suất khoảng | Góc tới hạn khoảng | Hệ quả với kiểu mài |
|---|---|---|---|
| Opal | 1,45 | 44 độ | Hiếm khi mài giác; thường cabochon để khoe lửa màu |
| Thạch anh | 1,54 – 1,55 | 40 độ | Cần đáy sâu; mài nông dễ thủng cửa sổ |
| Beryl (emerald, aquamarine) | 1,57 – 1,58 | 39 độ | Tương tự thạch anh; emerald thường mài kiểu bậc thang |
| Topaz, tourmaline | 1,61 – 1,64 | 38 độ | Đáy vừa sâu; dễ cho độ sáng tốt |
| Spinel | 1,72 | 35 độ | Sáng tốt với góc đáy phổ biến |
| Corundum | 1,76 – 1,77 | 34 – 35 độ | Linh hoạt; nhiều viên mài theo khối thô nên đáy lệch chuẩn |
| Zircon | Khoảng 1,9 – 2,0 | 30 độ | Rất sáng, có lửa rõ |
| Kim cương | 2,42 | 24 độ | Có thể tính góc tối ưu chặt; kiểu mài tròn chuẩn ra đời từ đây |
Bảng cho thấy vì sao thợ mài đá màu không dùng chung một bộ góc cho mọi loài: góc tốt cho kim cương có thể làm thạch anh thủng giữa, góc tốt cho thạch anh lại làm kim cương kém sáng.
Cửa sổ và vùng tối: hai lỗi mắt thường thấy được
Cửa sổ là vùng ở giữa viên đá mài giác trông nhạt, như nhìn xuyên qua kính, thấy cả mặt bàn hay ngón tay bên dưới. Nó xuất hiện khi phần đáy mài quá nông: ánh sáng chạm mặt đáy với góc nhỏ hơn góc tới hạn, nên thoát ra phía sau thay vì phản xạ lên. Đá chiết suất thấp mài nông là nơi cửa sổ hay gặp nhất.
Vùng tối là ngược lại: những mảng sẫm, có khi gần đen, trên mặt viên đá dù đá có màu nhạt. Nó xuất hiện khi đáy quá sâu hoặc góc không hợp, ánh sáng phản xạ ra hai bên thay vì lên trên, hoặc khi chính đầu người xem che nguồn sáng và hình ảnh tối ấy được phản chiếu lại. Một ít vùng tối luân phiên với vùng sáng khi xoay đá tạo ra sự tương phản đẹp; quá nhiều thì viên đá trông "chết".
Đá màu thường được mài theo hình khối thô để giữ trọng lượng, nên cửa sổ và vùng tối khá phổ biến. Biết hai khái niệm này, bạn có thể đánh giá tay nghề mài của một viên đá chỉ bằng cách đặt nó lên một tờ giấy có kẻ dòng: nếu nhìn qua mặt bàn thấy rõ các dòng kẻ ở giữa viên, viên đá có cửa sổ.
Độ sáng phụ thuộc những gì ngoài chiết suất
Tỉ lệ và góc mài. Chiết suất cao chỉ là tiềm năng. Một viên kim cương mài kém có thể kém sáng hơn một viên spinel mài tốt. Tay nghề quyết định phần lớn độ sáng thực tế.
Độ trong. Bao thể, vết nứt, vùng đục làm ánh sáng tán xạ hoặc bị chặn trên đường phản xạ, làm giảm độ sáng.
Màu thân. Đá màu đậm hấp thụ một phần ánh sáng trên đường đi qua lại trong viên đá. Ánh sáng đi càng xa, càng bị nuốt; đá đậm vì vậy thường được mài đáy nông hơn để bớt tối.
Độ bóng và độ sạch bề mặt. Mặt đáy bám dầu làm thay đổi điều kiện phản xạ toàn phần: chỗ có dầu, ánh sáng thoát ra ngoài thay vì phản xạ. Đây là lý do đá sau khi lau sạch sáng hẳn lên.
Nguồn sáng và môi trường. Ánh sáng khuếch tán cho độ sáng đều; ánh sáng điểm cho nhiều điểm lấp lánh và lửa. Đá trông khác nhau trong văn phòng, ngoài trời và dưới đèn quầy.
Khi người ta hiểu chiết suất, kiểu mài thay đổi
Những kiểu mài cổ của châu Âu như mài mặt bàn hay mài hoa hồng ra đời khi thợ còn làm theo kinh nghiệm, chưa tính được đường đi của ánh sáng. Viên đá mài kiểu cũ đẹp theo cách riêng, nhưng thường không tận dụng hết phản xạ toàn phần. Qua nhiều thế kỷ, thợ dần thêm mặt giác, đổi góc, và độ sáng tăng lên theo từng bước thử sai.
Đầu thế kỷ 20, việc áp dụng quang học để tính góc mài cho kim cương được nhiều tài liệu gắn với kỹ sư Marcel Tolkowsky và công trình năm 1919 của ông. Từ đó kiểu mài tròn chuẩn cho kim cương được định hình quanh những tỉ lệ đã tính, và về sau tiếp tục được tinh chỉnh bằng mô phỏng máy tính.
Đá màu đi con đường khác. Vì mỗi loài có chiết suất khác nhau, lại phải giữ màu và trọng lượng của khối thô vốn đắt, thợ mài đá màu thường dùng kiểu mài hỗn hợp: phần trên giác như kim cương để lấp lánh, phần đáy bậc thang hoặc biến thể để gom màu. Không có một bộ góc chuẩn cho mọi đá màu, và đó là chỗ tay nghề người thợ được thể hiện.
Chiết suất và chuyện "đá giả sáng hơn đá thật"
Một số vật liệu nhân tạo có chiết suất rất cao. CZ có chiết suất khoảng 2,15, moissanite tổng hợp còn cao hơn kim cương. Một viên CZ mài chuẩn có thể trông sáng rực, đôi khi rực hơn một viên đá tự nhiên chiết suất thấp. Điều này không làm nó "quý" hơn, chỉ cho thấy độ sáng là chuyện quang học, không phải chuyện nguồn gốc.
Ngược lại, thuỷ tinh thường có chiết suất khoảng 1,5 – 1,7, thấp hơn nhiều đá nó bắt chước. Thuỷ tinh giả kim cương vì vậy trông kém sáng, ánh "mềm". Thuỷ tinh chì có chiết suất cao hơn, sáng hơn, nhưng mềm và dễ mòn cạnh.
Với người mê đá, bài học là: độ sáng là một tiêu chí của vẻ đẹp, nhưng không phải bằng chứng của độ thật hay độ quý. Một viên tourmaline chiết suất vừa phải, mài khéo, màu đẹp, có thể là viên bạn nhìn mãi không chán.
Tự kiểm độ sáng và tay nghề mài khi xem đá
Không cần khúc xạ kế, bạn vẫn có thể xem viên đá tận dụng chiết suất của nó tốt tới đâu.
- Đặt viên đá úp đáy lên một trang giấy có dòng kẻ; nhìn từ trên xuống, nếu thấy rõ dòng kẻ ở giữa thì viên đá có cửa sổ.
- Xoay viên đá chậm dưới đèn bàn; quan sát các vùng sáng tối đổi chỗ có sống động không, hay có một vùng tối đứng yên.
- Nhìn nghiêng để xem chiều sâu phần đáy so với bề rộng; đáy quá nông dễ cửa sổ, quá sâu dễ tối và nặng tay.
- So hai viên cùng loài, cùng cỡ, dưới cùng nguồn sáng; khác biệt độ sáng lúc này chủ yếu là tay nghề mài.
- Lau sạch viên đá trước khi đánh giá, vì dầu trên mặt đáy làm giảm độ sáng rõ rệt.
Năm thao tác này mất chưa tới một phút mỗi viên. Làm quen rồi, bạn sẽ thấy những viên đá cùng loài khác nhau nhiều tới mức nào chỉ vì vài độ góc mài.
Câu hỏi thường gặp
Chiết suất cao có nghĩa là đá đẹp hơn không?
Không nhất thiết. Chiết suất cao cho tiềm năng sáng hơn, nhưng vẻ đẹp còn phụ thuộc màu, độ trong, tay nghề mài và sở thích người xem. Nhiều đá chiết suất vừa phải như emerald, tourmaline được yêu thích vì màu hơn là vì độ sáng.
Cửa sổ ở đá có phải lỗi nghiêm trọng không?
Cửa sổ nhỏ ở đá màu khá phổ biến và nhiều người chấp nhận. Cửa sổ lớn làm viên đá trông nhạt và thiếu sống ở giữa, là dấu hiệu mài để giữ trọng lượng hơn là để tối ưu ánh sáng. Mức chấp nhận tuỳ mục đích và sở thích.
Có tự đo chiết suất tại nhà được không?
Phép đo chính xác cần khúc xạ kế và dung dịch tiếp xúc chuyên dụng, thuộc việc của phòng lab hay người đã học giám định. Tại nhà, bạn chỉ có thể quan sát hệ quả của chiết suất như ánh, độ sáng, cửa sổ.
Vì sao opal ít khi được mài giác?
Opal có chiết suất thấp, khoảng 1,45, nên mài giác không cho độ sáng đáng kể. Vẻ đẹp chính của opal là lửa màu do nhiễu xạ, hiện rõ nhất trên mặt cong của cabochon. Một số opal lửa trong suốt vẫn được mài giác để khoe màu thân.
Moissanite sáng hơn kim cương có đúng không?
Moissanite tổng hợp có chiết suất cao hơn kim cương và tán sắc mạnh hơn, nên thường có nhiều lửa màu hơn. Độ sáng tổng thể còn phụ thuộc tay nghề mài. Moissanite và kim cương là hai vật liệu khác nhau, phân biệt được bằng dụng cụ chuyên dụng.
Dầu trên đá làm giảm độ sáng thế nào?
Phản xạ toàn phần ở mặt đáy cần ranh giới giữa đá và không khí. Khi có dầu, chiết suất của lớp dầu cao hơn không khí, góc tới hạn tăng, nhiều tia sáng thoát ra phía sau thay vì phản xạ lên. Viên đá vì vậy tối đi cho tới khi được làm sạch.