Lưỡng chiết, còn gọi khúc xạ kép, là hiện tượng ánh sáng đi vào tinh thể không thuộc hệ lập phương bị tách thành hai tia có tốc độ khác nhau, ứng với hai chiết suất khác nhau; hiệu hai chiết suất ấy gọi là độ lưỡng chiết. Khi độ lưỡng chiết đủ lớn, nhìn qua mặt bàn của viên đá bằng kính lúp sẽ thấy các cạnh mặt đáy hiện thành hai đường song song, hiện tượng gọi là nhân đôi.
Peridot, zircon, sphene, moissanite tổng hợp cho hiện tượng nhân đôi rõ; corundum, thạch anh, beryl thì gần như không thấy. Bài giải thích nguồn gốc lưỡng chiết, cách nó hiện ra trước mắt, vì sao có hướng nhìn không thấy nhân đôi, và giới hạn của phép quan sát này.
Hai tia sáng trong một viên đá
Ở tinh thể hệ lập phương và vật liệu vô định hình, mạng nguyên tử như nhau theo mọi hướng, nên ánh sáng đi hướng nào cũng gặp cùng một chiết suất. Ở sáu hệ tinh thể còn lại, mạng có hướng "dày" và hướng "thưa" khác nhau. Ánh sáng đi vào bị tách thành hai tia dao động theo hai phương vuông góc nhau, mỗi tia cảm nhận một chiết suất riêng và đi với tốc độ riêng.
Hai tia ấy còn bị phân cực, tức mỗi tia chỉ dao động theo một phương. Đây là cơ sở để kính phân cực phát hiện lưỡng chiết, và cũng là lý do khi đặt một tấm lọc phân cực, như mắt kính râm phân cực, lên trên một tinh thể calcite rồi xoay, bạn sẽ thấy lần lượt một trong hai hình ảnh mờ đi rồi hiện lại.
Vì hai tia có chiết suất khác nhau, chúng bị bẻ cong với góc khác nhau và đi theo hai đường hơi lệch. Khi ra khỏi viên đá, mỗi tia mang theo một hình ảnh của những gì nằm phía sau. Nếu hai đường lệch đủ xa, mắt thấy hai hình ảnh chồng lệch nhau.
Hiện tượng này được mô tả rõ lần đầu trên tinh thể calcite trong suốt từ Iceland: đặt một mẩu calcite lên trang giấy, người ta thấy chữ hiện thành hai bản. Theo các tài liệu lịch sử khoa học, nhà khoa học Đan Mạch Rasmus Bartholin công bố quan sát này năm 1669. Calcite có độ lưỡng chiết rất lớn nên thấy bằng mắt thường không cần kính.
Độ lưỡng chiết của một số đá
Giá trị lấy theo bảng tra đá quý học phổ thông, làm tròn; với nhóm khoáng vật có dung dịch rắn, giá trị dao động theo thành phần.
| Đá | Độ lưỡng chiết khoảng | Nhân đôi qua kính lúp 10x |
|---|---|---|
| Spinel, garnet, kim cương | 0 (đơn chiết) | Không có |
| Beryl (emerald, aquamarine) | 0,004 – 0,009 | Thường không thấy |
| Thạch anh | 0,009 | Thường không thấy, trừ viên rất lớn |
| Corundum | 0,008 – 0,009 | Thường không thấy |
| Topaz | 0,008 – 0,010 | Thường không thấy |
| Tourmaline | 0,018 – 0,020 (có khi cao hơn) | Thấy được ở viên lớn, nhìn đúng hướng |
| Peridot | Khoảng 0,036 | Rõ |
| Moissanite (tổng hợp) | Khoảng 0,043 | Rõ |
| Zircon (loại cao) | Khoảng 0,059 | Rất rõ |
| Sphene (titanite) | Khoảng 0,10 – 0,13 | Rất rõ, cạnh như nhoè |
| Calcite | Khoảng 0,17 | Thấy bằng mắt thường |
Mốc nhớ nhanh: độ lưỡng chiết từ khoảng 0,02 trở lên thì có cơ hội thấy nhân đôi qua kính lúp, nhất là ở viên lớn; dưới 0,01 thì gần như không thấy, dù viên đá vẫn lưỡng chiết và đo được trên khúc xạ kế.
Vì sao có hướng nhìn không thấy nhân đôi
Mỗi đá lưỡng chiết có một hoặc hai hướng đặc biệt gọi là trục quang. Ánh sáng đi dọc theo trục quang không bị tách, cả hai "tia" trùng nhau, nên không có nhân đôi. Nhìn càng lệch khỏi trục quang, hai tia càng tách xa, nhân đôi càng rõ, và rõ nhất khi nhìn vuông góc với trục.
Đá thuộc hệ bốn phương, sáu phương, ba phương có một trục quang, thường trùng với chiều dài của tinh thể. Đá thuộc hệ trực thoi, một nghiêng, ba nghiêng có hai trục quang. Peridot, thuộc hệ trực thoi, có hai hướng không nhân đôi, nên đôi khi bạn xoay mãi mới thấy cạnh tách đôi.
Hệ quả thực tế: không thấy nhân đôi qua một hướng không chứng minh viên đá đơn chiết. Phải xoay viên đá và nhìn qua nhiều mặt. Ngược lại, thấy nhân đôi rõ ở bất kỳ hướng nào là bằng chứng chắc chắn viên đá lưỡng chiết, đủ để loại thuỷ tinh, spinel, garnet và kim cương.
Quan sát nhân đôi bằng kính lúp
Đây là phép quan sát không phá huỷ, chỉ cần kính lúp 10x và một nguồn sáng. Với đá đã gắn, chỉ quan sát được qua mặt bàn và phần đáy lộ ra.
- Làm sạch viên đá, đặc biệt mặt bàn, để không nhầm vết bẩn với cạnh mặt giác.
- Cầm viên đá bằng kẹp hoặc giữ ổn định món trang sức, mặt bàn hướng lên.
- Đưa kính lúp sát mắt, đưa viên đá lại gần tới khi nét; nhìn xuyên qua mặt bàn xuống các cạnh mặt đáy ở phía đối diện.
- Tìm những cạnh có vẻ hiện thành hai đường song song gần nhau, hoặc một bao thể hiện thành hai bản.
- Xoay viên đá và nghiêng nhẹ để nhìn theo nhiều hướng; nhân đôi có thể mất ở hướng trục quang và rõ ở hướng khác.
- Ghi lại kết quả: thấy rõ, thấy mờ, hay không thấy ở mọi hướng.
Nếu chưa quen, hãy tập trên một viên peridot hoặc zircon đã biết, vì ở đó nhân đôi rõ nhất. Mắt đã nhận ra một lần thì những lần sau rất nhanh.
Những thứ dễ bị nhầm là nhân đôi
Người mới tập soi hay gặp vài cái bẫy. Thứ nhất là phản chiếu: các mặt giác bên trong phản chiếu lẫn nhau, tạo ra hình ảnh cạnh lặp lại ở nhiều chỗ. Những hình ảnh này không đi thành cặp song song sát nhau mà nằm rải rác, đổi chỗ khi nghiêng viên đá. Nhân đôi thật là hai đường song song gần như dính nhau, cùng di chuyển.
Thứ hai là mài mòn cạnh. Cạnh mặt giác bị sứt, mòn hoặc đánh bóng không sắc có thể trông như có hai nét. Soi kỹ sẽ thấy đó là một dải mờ trên chính bề mặt, không phải hình ảnh nằm sâu bên trong viên đá.
Thứ ba là đá ghép. Viên đá gồm hai lớp dán lại có thể có mặt phẳng dán phản chiếu ánh sáng, đôi khi trông như cạnh lặp. Mặt phẳng dán thường đi kèm bọt khí dẹt và đường viền màu ở rìa; đây là một chủ đề khác thuộc danh mục về đá tổng hợp và đá ghép. Gặp hình ảnh khó hiểu, cách an toàn là coi kết quả là "chưa chắc" và nhờ người có dụng cụ kiểm thêm.
Nhân đôi giúp nhận ra điều gì, và không giúp điều gì
Giúp tách đá lưỡng chiết mạnh khỏi vật liệu đơn chiết. Peridot thật nhân đôi rõ, thuỷ tinh lục giả peridot thì không. Zircon nhân đôi rõ, kim cương và CZ thì không.
Giúp nhận ra moissanite giả kim cương. Moissanite tổng hợp lưỡng chiết, nhân đôi thấy được khi nhìn xiên; kim cương đơn chiết. Đây là dấu hiệu quen thuộc của người làm nghề, nhưng moissanite thường được mài với mặt bàn vuông góc trục để giảm nhân đôi, nên cần nhìn qua mặt bên.
Không giúp tách đá lưỡng chiết yếu. Ruby, sapphire, emerald, thạch anh, topaz có lưỡng chiết nhỏ, nhân đôi gần như không thấy. Không thấy nhân đôi ở những viên này là bình thường.
Giúp nhận ra một số đá ghép và đồ thay thế. Một viên được giới thiệu là spinel hay garnet mà nhân đôi rõ thì chắc chắn không phải hai loài đơn chiết đó. Quan sát này đủ để dừng lại và hỏi tiếp, trước khi tốn tiền cho phép đo khác.
Không phân biệt tự nhiên với tổng hợp. Peridot tổng hợp, ruby tổng hợp có cùng độ lưỡng chiết với đá tự nhiên. Nhân đôi chỉ nói về loài, không nói về nguồn gốc.
Lưỡng chiết và vẻ ngoài của viên đá
Lưỡng chiết lớn không chỉ là chuyện của người cầm kính lúp. Ở những viên sphene, zircon cỡ lớn, các cạnh mặt đáy tách đôi làm hình ảnh bên trong hơi nhoè, tạo cảm giác "mềm", như nhìn qua nước động. Một số người thích vẻ đó vì nó làm viên đá có chiều sâu; một số người khác thấy viên đá kém sắc nét.
Thợ mài vì vậy có thể chủ động định hướng: đặt mặt bàn vuông góc với trục quang để người nhìn từ trên xuống ít thấy nhân đôi nhất. Với đá một trục như zircon, định hướng này khá dễ làm nếu khối thô cho phép. Với đá hai trục, thợ phải chọn một hướng dung hoà.
Lưỡng chiết còn liên quan tới đa sắc, vì hai tia sáng tách ra có thể bị hấp thụ khác nhau. Đá lưỡng chiết có màu nhiều khi cũng đổi sắc theo hướng nhìn, và người thợ phải cân nhắc cả hai yếu tố khi chọn hướng cắt. Hiện tượng đa sắc có bài riêng trong danh mục này.
Từ quan sát bằng mắt đến phép đo trong phòng lab
Nhân đôi qua kính lúp là phép quan sát định tính: có hay không, rõ hay mờ. Muốn có con số độ lưỡng chiết, người giám định dùng khúc xạ kế để đọc hai chiết suất và lấy hiệu. Với đá chiết suất quá cao, vượt giới hạn khúc xạ kế thông thường, họ dùng các phương pháp khác.
Kính phân cực cho biết viên đá đơn chiết hay lưỡng chiết bằng cách quan sát nó sáng tối khi xoay giữa hai tấm lọc phân cực; với dụng cụ phụ, người ta còn xác định được đá một trục hay hai trục. Đây là phần việc của phòng lab và của người đã học giám định, với bài chi tiết trong danh mục về giám định.
Đối với người mê đá, biết khái niệm lưỡng chiết và nhìn được nhân đôi đã là một bước tiến lớn: bạn có thêm một công cụ không tốn kém để tự kiểm tra thông tin người bán đưa ra, và hiểu vì sao phiếu giám định ghi những con số như "độ lưỡng chiết 0,036".
Câu hỏi thường gặp
Lưỡng chiết và đa sắc có liên quan không?
Có. Cả hai cùng xuất phát từ việc tinh thể không đẳng hướng. Lưỡng chiết là hai tia sáng có tốc độ khác nhau; đa sắc là hai hoặc ba tia ấy bị hấp thụ khác nhau nên có màu khác nhau. Đá đơn chiết không có cả hai hiện tượng.
Vì sao ruby lưỡng chiết mà không thấy nhân đôi?
Vì độ lưỡng chiết của corundum chỉ khoảng 0,008 – 0,009, quá nhỏ để hai hình ảnh tách xa đủ cho mắt thấy qua kính lúp. Viên ruby vẫn lưỡng chiết và đo được trên khúc xạ kế, chỉ là không nhìn thấy bằng cách này.
Thấy nhân đôi thì có chắc là zircon không?
Không. Nhân đôi chỉ cho biết viên đá có độ lưỡng chiết khá lớn. Peridot, tourmaline lớn, sphene, moissanite, zircon đều có thể nhân đôi. Cần kết hợp màu, ánh, chiết suất và các đặc điểm khác để xác định loài.
Kim cương có nhân đôi không?
Không. Kim cương thuộc hệ lập phương, đơn chiết, nên không có nhân đôi. Một số kim cương có lưỡng chiết dị thường rất yếu do ứng suất trong tinh thể, nhưng không đủ tạo nhân đôi nhìn thấy qua kính lúp.
Calcite có dùng làm trang sức không?
Ít khi. Calcite có độ lưỡng chiết rất lớn, đẹp để quan sát hiện tượng khúc xạ kép, nhưng độ cứng chỉ 3 và có cát khai hoàn toàn theo ba hướng. Nó chủ yếu là mẫu sưu tầm và mẫu học tập trong khoáng vật học.
Không có kính lúp thì quan sát lưỡng chiết thế nào?
Với đá lưỡng chiết rất mạnh như calcite trong, đặt lên một dòng kẻ là thấy hai đường. Với đá mài giác, mắt thường hầu như không đủ. Kính lúp 10x là dụng cụ rẻ và đáng có nếu bạn muốn tập quan sát đá.