Khúc xạ kế đá quý là dụng cụ đo chiết suất, tức mức một viên đá làm chậm và bẻ cong ánh sáng đi qua nó. Mỗi loài khoáng vật có chiết suất nằm trong một khoảng khá hẹp, nên chỉ một lần đo trên mặt phẳng của viên đá đã loại được phần lớn các khả năng nhầm lẫn. Đây thường là phép đo đầu tiên người giám định làm sau khi soi kính lúp.
Bài đi từng bước: máy có những bộ phận gì, một lần đo diễn ra thế nào trong phòng giám định, vạch bóng trên thang đo nói gì, những con số quen thuộc của các loài đá hay gặp, và những trường hợp mà khúc xạ kế đành bó tay. Mục đích là để bạn đọc một kết quả đo cho hiểu, không phải để tự mua máy về thử trên đá của người khác.
Chiết suất là gì và vì sao đủ sức phân biệt các loài đá
Ánh sáng đi trong không khí nhanh hơn trong đá. Tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong không khí và trong viên đá gọi là chiết suất. Con số này phụ thuộc vào cách các nguyên tử xếp trong mạng tinh thể và mật độ của chúng, nên nó gần như là một đặc trưng của loài khoáng vật. Thạch anh dù tím, vàng hay trong suốt vẫn cho chiết suất quanh 1,54 đến 1,55; ruby và sapphire, cùng là corundum, quanh 1,76 đến 1,77.
Sức mạnh của phép đo nằm ở chỗ màu sắc không đánh lừa được nó. Một viên thuỷ tinh đỏ và một viên ruby nhìn qua mắt thường có thể na ná nhau, nhưng thuỷ tinh làm giả thông dụng thường cho chiết suất thấp hơn hẳn và chỉ có một vạch, còn ruby cho hai vạch sát nhau. Ngược lại, hai viên cùng loài khác màu vẫn cho con số gần như trùng nhau, vì nguyên tố tạo màu chỉ chiếm một lượng rất nhỏ trong mạng tinh thể.
Chiết suất cũng cho biết thêm một thông tin nữa: đá đơn chiết hay lưỡng chiết. Đá kết tinh ở hệ lập phương như spinel, garnet và các vật liệu vô định hình như thuỷ tinh chỉ có một chiết suất. Phần lớn các đá khác tách tia sáng làm hai, mỗi tia đi một tốc độ, nên máy hiện ra hai giá trị. Hiệu giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất gọi là độ lưỡng chiết, một con số thứ hai giúp thu hẹp vòng nghi vấn.
Bên trong một chiếc khúc xạ kế có gì
Bán trụ hoặc lăng kính chiết suất cao. Viên đá được đặt lên một mặt kính nhỏ có chiết suất lớn hơn hầu hết đá quý thông dụng. Ánh sáng đi từ dưới lên, gặp mặt tiếp xúc với viên đá; phần ánh sáng bị phản xạ toàn phần hay không tuỳ vào chiết suất của đá, và ranh giới đó hiện thành một vạch bóng trên thang đo.
Chất lỏng tiếp xúc. Giữa đá và mặt kính phải có một giọt chất lỏng chiết suất cao để không còn lớp không khí ngăn cách. Chất lỏng này thường có chiết suất quanh 1,79 đến 1,81, chính nó đặt ra trần đo của máy. Thành phần có hợp chất iod, mùi khó chịu, có độc tính, nên trong phòng lab người ta dùng lượng rất nhỏ, đeo găng và lau sạch ngay sau khi đo.
Nguồn sáng đơn sắc. Chiết suất thay đổi chút ít theo bước sóng, nên các con số tra cứu được quy về ánh sáng vàng natri. Máy hiện đại dùng đèn LED vàng hoặc kính lọc; nếu chiếu ánh sáng trắng, vạch bóng loang thành một dải màu mờ, khó đọc đến chữ số thứ ba.
Thị kính có thang chia và kính phân cực rời. Người đo nhìn qua thị kính thấy một thang số, thường chia đến hai chữ số thập phân và ước thêm chữ số thứ ba. Một miếng kính phân cực xoay được gắn ở thị kính giúp tách rõ hai vạch của đá lưỡng chiết khi chúng nằm quá sát nhau.
Một lần đo trên mặt phẳng diễn ra thế nào trong phòng lab
Trình tự dưới đây mô tả việc người giám định làm với một viên đá mài giác có mặt bàn phẳng, đánh bóng tốt. Nó giúp bạn hiểu vì sao một lần đo đúng mất vài phút chứ không phải vài giây.
- Lau sạch mặt bàn của viên đá và mặt kính đo; dấu vân tay hay bụi đủ làm vạch bóng nhoè.
- Nhỏ một giọt chất lỏng tiếp xúc rất nhỏ lên giữa mặt kính, cỡ đầu đinh ghim, nhiều hơn sẽ tạo vạch giả của chính chất lỏng.
- Đặt mặt bàn của viên đá úp xuống giọt chất lỏng, đẩy nhẹ cho đá nằm ở giữa mặt kính, không ấn mạnh làm xước mặt kính vốn mềm hơn nhiều loại đá.
- Bật đèn đơn sắc, nhìn vào thị kính, tìm ranh giới giữa vùng sáng và vùng tối; đọc con số tại ranh giới đó.
- Xoay viên đá từng nấc trên mặt kính, mỗi lần đọc lại; ghi giá trị lớn nhất và nhỏ nhất thấy được, kèm cả vị trí kính phân cực.
- Lau đá và mặt kính ngay sau khi đo, vì chất lỏng để lâu có thể bám vào khe nứt của đá và ăn mòn mặt kính.
Vạch ở khoảng 1,79 đến 1,81 luôn hiện ra dù đặt đá gì: đó là vạch của chính chất lỏng tiếp xúc, người mới học hay đọc nhầm nó thành chiết suất của đá.
Đọc kết quả: vài con số quen thuộc của các loài đá
Bảng dưới là các khoảng chiết suất phổ biến theo tài liệu ngọc học nhập môn. Mỗi mẫu cụ thể có thể lệch nhẹ theo thành phần; người giám định đọc con số cùng với các dấu hiệu khác, không đọc riêng một mình.
| Loài đá | Chiết suất thường gặp | Độ lưỡng chiết | Ghi chú khi đọc |
|---|---|---|---|
| Thạch anh | khoảng 1,544 – 1,553 | khoảng 0,009 | Hai vạch, một vạch đứng yên khi xoay đá |
| Corundum (ruby, sapphire) | khoảng 1,762 – 1,770 | khoảng 0,008 | Hai vạch sát nhau, cần kính phân cực để tách |
| Spinel | khoảng 1,718 | không có | Một vạch, xoay đá không đổi |
| Beryl (emerald, aquamarine) | khoảng 1,57 – 1,59 | nhỏ, quanh 0,005 – 0,009 | Giá trị nhích theo nguồn gốc và thành phần |
| Tourmaline | khoảng 1,62 – 1,64 | khoảng 0,018 – 0,020 | Hai vạch cách nhau rõ |
| Peridot | khoảng 1,65 – 1,69 | khoảng 0,036 | Hai vạch cách xa, dễ thấy |
| Thuỷ tinh làm giả | dao động rộng, hay quanh 1,50 – 1,70 | không có | Một vạch; có thể kèm vạch mờ do mặt bóng kém |
| Kim cương, zircon cubic | trên 2 | không có | Vượt trần thang đo, máy chỉ báo "quá giới hạn" |
Một kết quả kiểu "1,762 và 1,770" gợi ý mạnh corundum, nhưng chưa nói được ruby tự nhiên hay ruby tổng hợp: hai loại cùng loài nên cùng chiết suất. Phần đó thuộc về kính hiển vi và các máy phổ.
Đá mặt cong và phương pháp đo điểm
Đá mài cabochon, hạt tròn, tượng nhỏ hay ngọc chạm không có mặt phẳng, nên không cho vạch bóng sắc nét. Lúc đó người giám định dùng cách gọi là đo điểm, hay đo nhìn xa: chạm một điểm nhỏ trên mặt cong vào giọt chất lỏng, lùi mắt ra khỏi thị kính khoảng một gang tay rồi nhìn vào ảnh một chấm tròn nhỏ trên thang. Khi đưa mắt lên xuống, chấm đổi từ sáng sang tối; điểm mà chấm sáng một nửa, tối một nửa là chiết suất ước lượng.
Phương pháp này chỉ cho một con số, thường đến hai chữ số thập phân, và không đọc được độ lưỡng chiết. Với ngọc bích nephrite, phỉ thuý jadeite, mã não, ngọc lam, như thế đã đủ để phân nhóm: jadeite hay cho quanh 1,66, nephrite quanh 1,61 đến 1,62, các loại đá vi tinh thể họ thạch anh quanh 1,53 đến 1,54. Với đá đã tẩm nhựa hay phủ sáp, con số đôi khi bị kéo lệch vì mặt đo không còn là khoáng vật thuần.
Đo điểm đòi hỏi tay nghề hơn đo mặt phẳng. Giọt chất lỏng phải thật nhỏ, viên đá phải được giữ đứng yên, mắt người đo phải quen với chấm sáng tối. Vì thế cùng một viên ngọc, hai lần đo của hai người có thể lệch nhau ở chữ số thứ hai; phòng lab ghi kết quả đo điểm là giá trị gần đúng, không ghi kiểu ba chữ số như đo mặt phẳng.
Vì sao hai lần đo cùng một viên đá có thể lệch nhau
Người mới học thường bối rối khi đo lại một viên đá và thấy chữ số thứ ba khác lần trước. Phần lớn chênh lệch đến từ những thứ rất đời thường. Nhiệt độ phòng làm chiết suất của chất lỏng tiếp xúc nhích đi chút ít; mặt bàn của viên đá hơi lồi nên chỉ một phần nhỏ chạm vào mặt kính; giọt chất lỏng quá dày làm vạch bóng nhoè; mắt người đo đặt hơi lệch so với trục thị kính khiến vạch như trôi đi.
Với đá lưỡng chiết, có thêm một nguồn sai: chưa xoay đủ hướng. Giá trị lớn nhất và nhỏ nhất chỉ hiện ra khi mặt đo nằm ở những hướng nhất định so với trục tinh thể. Nếu người đo dừng lại sau hai lần xoay, độ lưỡng chiết ghi được sẽ nhỏ hơn thực tế, và một viên tourmaline có thể bị đọc thành thứ có độ lưỡng chiết thấp hơn nhiều.
Phòng giám định xử lý chuyện này bằng thói quen: hiệu chuẩn máy định kỳ bằng một mẫu chuẩn đã biết chiết suất, đo lặp nhiều lần, ghi lại điều kiện đo, và khi kết quả rơi vào vùng chồng lấn giữa hai loài thì chuyển sang phép đo khác thay vì cố đọc thêm chữ số. Một con số đi kèm chữ "khoảng" trên phiếu không phải là sự cẩu thả, mà là cách nói trung thực về độ chính xác của phép đo.
Những chỗ khúc xạ kế chịu thua
Khúc xạ kế rẻ hơn nhiều so với các máy phổ và cho kết quả nhanh, nhưng giới hạn của nó rất rõ. Người đọc phiếu giám định nên biết những trường hợp mà chiết suất không trả lời được.
- Đá có chiết suất vượt trần: kim cương, zircon cubic, moissanite, zircon tự nhiên và một số garnet đậm sắt cho giá trị cao hơn chất lỏng tiếp xúc, máy chỉ báo vượt giới hạn, phải chuyển sang phép thử khác.
- Đá tổng hợp cùng loài: ruby, sapphire, spinel, emerald tổng hợp có chiết suất gần như trùng đá tự nhiên, phép đo không tách được.
- Mặt đá trầy, mặt bàn lồi hoặc mài kém: vạch bóng mờ, nhoè, hoặc không hiện; kết quả đọc được chỉ là phỏng đoán.
- Đá ghép lớp: nếu chỉ đo mặt bàn, máy đọc chiết suất của lớp trên cùng, có thể là một mỏng đá thật dán trên đáy thuỷ tinh.
- Đá xốp và đá đã xử lý lấp khe: ngọc lam, opal, đá có khe nứt lấp nhựa có thể hút chất lỏng tiếp xúc, làm hỏng đá và làm sai số đo; phòng lab thường cân nhắc trước khi đo các loại này.
- Đá quá nhỏ hoặc đã gắn chặt vào trang sức: mặt bàn không tiếp xúc được với mặt kính thì máy vô dụng.
Nói gọn, khúc xạ kế là phép đo để đặt tên loài, không phải phép đo để kết luận nguồn gốc tự nhiên hay xử lý. Một phiếu giám định đáng tin luôn ghi chiết suất bên cạnh các quan sát khác chứ không đứng riêng.
Câu hỏi thường gặp
Khúc xạ kế có phân biệt được ruby thật với ruby tổng hợp không?
Không. Ruby tự nhiên và ruby tổng hợp cùng là corundum nên cho chiết suất gần như trùng nhau. Khúc xạ kế chỉ khẳng định viên đá là corundum; phần tự nhiên hay tổng hợp phải dựa vào bao thể dưới kính hiển vi và các phép đo phổ trong phòng lab.
Vì sao thấy một vạch ở khoảng 1,79 dù đặt đá gì lên máy?
Đó thường là vạch của chính chất lỏng tiếp xúc, vì chất lỏng này có chiết suất quanh mức đó. Người mới học hay đọc nhầm vạch này. Chiết suất của đá là vạch nằm thấp hơn và thay đổi khi đổi đá; khi đá vượt trần, chỉ còn mỗi vạch của chất lỏng.
Đo điểm trên đá cabochon chính xác đến mức nào?
Thường chỉ tin được đến chữ số thập phân thứ hai và không đọc được độ lưỡng chiết. Kết quả đủ để phân nhóm như jadeite, nephrite hay họ thạch anh, nhưng chưa đủ để tách những loài có chiết suất sát nhau. Phòng lab ghi giá trị đo điểm là giá trị gần đúng.
Có nên tự mua khúc xạ kế về đo đá ở nhà không?
Máy không khó mua, nhưng chất lỏng tiếp xúc có độc tính, cần găng tay, nơi thông thoáng và cách cất giữ đúng. Đo đúng còn cần nguồn sáng đơn sắc, mặt đá tốt và tay nghề. Với người mới, gửi đá đến phòng giám định hoặc học qua một lớp ngọc học có hướng dẫn trực tiếp an toàn hơn nhiều.
Đá đã gắn vào nhẫn có đo chiết suất được không?
Được nếu mặt bàn của viên đá nhô ra và đặt phẳng được lên mặt kính đo. Đá bị chấu che, ổ bao kín hay mặt bàn nằm thấp hơn kim loại thì không đo được. Khi đó người giám định chuyển sang các phương pháp khác như soi kính hiển vi hay đo phổ.
Độ lưỡng chiết cho biết thêm điều gì ngoài chiết suất?
Nó cho biết khoảng cách giữa hai giá trị chiết suất của đá lưỡng chiết. Hai loài có chiết suất trung bình gần nhau vẫn có thể khác hẳn về độ lưỡng chiết, ví dụ peridot có độ lưỡng chiết lớn hơn tourmaline khá nhiều. Con số này giúp thu hẹp vòng nghi vấn thêm một bậc.
