11.04: Refractómetro

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El refractómetro es una de las herramientas más importantes en un laboratorio gemológico. Indica (no mide) el índice de refracción de una piedra preciosa, que a menudo da pistas vitales sobre la identidad de una piedra preciosa.

Si bien uno esperaría que un refractómetro mida la refracción de la luz dentro de una piedra preciosa, este no es el caso. En cambio, se basa en un fenómeno óptico único llamado Reflexión Interna Total (o TIR).

Para una mejor comprensión del refractómetro, primero hay que entender la refracción.

Básico

Construcción de un refractómetro gemológico

$Archivo:Refractómetro.jpg$

Figura$\PageIndex{1}$: Sección transversal de un refractómetro gemológico estándar
(imagen modificada de un refractómetro Eickhorst SR 0.005)

La luz (1) entra por la parte trasera del refractómetro a través de una abertura (1a) en (o antes) en la que se puede colocar un filtro de sodio amarillo. Luego choca con un espejo (2) que transmite la luz al centro del hemicilinder (3).
Este hemicilinder está hecho de vidrio de alta refracción (generalmente N-lasF de Schott con un índice de refracción de ~ 1.88 a n _D y una dureza de aproximadamente 6.5 en la escala de Moh).
En el límite entre el hemicilinder y la piedra preciosa (4), la luz se refractará parcialmente dentro de la piedra y se reflejará parcialmente en el hemicilinder (ver más adelante en Reflexión interna total). Los rayos reflejados (5) pasarán por una escala de lectura (6) y una lente (7) o una serie de lentes, dependiendo del tipo de refractómetro.
Los rayos reflejados chocan con un espejo (8) que dirige la luz hacia el ocular (9) y luego fuera del refractómetro hacia tu ojo (11).
El ocular (9) puede deslizarse dentro y fuera para un mejor enfoque y suele ir acompañado de un filtro polarizador desmontable (10).

Como el hemicilinder tiene una dureza relativamente baja en comparación con la mayoría de las piedras preciosas, se debe tener cuidado de no rayarlo. Eso arruinaría tu refractómetro, ya que el contacto óptico entre la piedra preciosa y el cilindro sería imposible y te daría lecturas falsas.

Reflexión interna total

Figura$\PageIndex{2}$: Dentro del refractómetro: Reflexión interna total

Cuando la luz viaja de un material ópticamente más denso (con mayor índice de refracción) a un material ópticamente más raro (con un índice de refracción más bajo), toda la luz que llegue al límite de los dos materiales se reflejará dentro del material más denso o se refractará en el material más raro, dependiendo de el ángulo de incidencia de la luz.

Por cada dos medios en contacto en los que la luz viaja del medio más denso al más raro, se fija y se puede calcular la línea divisoria donde o bien el rayo de luz se refleja totalmente o se refracta. Esta línea divisoria se denomina ángulo crítico (ca). A la izquierda se encuentra una imagen que muestra el ángulo crítico como la línea roja.
Cuando la luz alcanza el límite de los dos materiales en un ángulo mayor que este ángulo crítico (la línea azul), el rayo de luz se reflejará totalmente de nuevo en el material más denso. La luz que alcanza el límite en un ángulo menor que el ángulo crítico se refractará fuera del medio más denso (y una pequeña cantidad se reflejará) hacia el medio más raro (la línea verde). Toda la luz que viaja precisamente en el ángulo crítico seguirá la trayectoria del límite entre los dos materiales.

Nota

En el ejemplo anterior, la luz parece provenir de 3 fuentes de luz, pero el principio es el mismo cuando viene de un solo punto.

En un hemicilinder, el rayo incidente y saliente siempre alcanzan el límite en un ángulo de 90 grados cuando se dirigen hacia el centro. La refracción no ocurre cuando un rayo de luz está a 90 grados del límite. Se utiliza un hemicilinder por lo que no habrá refracción de la luz que entra o sale del material más denso.

El refractómetro gemológico estándar puede hacer uso de este fenómeno porque los rayos de luz reflejados aparecerán como un área de luz en la escala, mientras que los rayos refractados no son visibles (y por lo tanto aparecen negros). El límite claro/oscuro que se muestra en la escala del refractómetro es una representación visible del ángulo crítico.
El refractómetro gemológico estándar mide así el ángulo crítico entre el hemicilinder de vidrio y la piedra preciosa y traza eso en una escala calibrada. Este tipo de refractómetro es por lo tanto mejor llamado un “refractómetro de ángulo crítico”.

Iluminación

Una iluminación adecuada es una de las características clave cuando se usa el refractómetro.

Aunque se pueden obtener resultados usando una fuente de luz blanca, el estándar es luz amarilla monocromática con una longitud de onda de aproximadamente 589.3nm. Esta fuente de luz se utiliza históricamente ya que se producía fácilmente quemando sal de mesa en una vela (a un costo muy bajo). Todos los índices de refracción gemológica se basan en el uso de luz sódica (o n _D). Para obtener más información, consulte Fraunhofer.

El uso de diferentes longitudes de onda puede producir diferentes lecturas. Como los índices de refracción de las piedras preciosas se miden con una precisión de 0.001 decimal, se debe usar luz de sodio. Todas las tablas gemológicas de índices de refracción se producen utilizando esta luz a menos que se indique lo contrario.

La luz blanca se puede utilizar para piedras preciosas reactivas individuales o para obtener una primera impresión. Se debe buscar el límite entre el verde y el amarillo de la fuente de luz blanca alocromática.

Sin embargo, para las piedras preciosas de doble refracción, entonces se debe cambiar a una fuente de luz de sodio, simplemente por la razón de que las lecturas de doble refracción en luz blanca pueden superponerse fácilmente y sería imposible obtener una lectura correcta. Y por supuesto el límite entre las áreas más claras y oscuras está mejor definido, haciendo que la lectura sea más fácil de tomar.

Siempre compre un refractómetro con un filtro de sodio o una fuente de luz de sodio.

Líquidos de contacto

Aquí las cosas se complican un poco más.

Los líquidos de contacto se utilizan para crear un contacto óptico entre el hemicilinder y la piedra preciosa. Esto es para evitar que el aire atrape entre la faceta de la piedra y el hemicilinder, lo que arruinaría el efecto de Reflexión Interna Total.

Como este líquido de contacto también tiene su propio índice de refracción, también habrá Reflejo Interno Total entre el hemicilinder y el líquido. Es importante asegurarse de que se utilice la gota más pequeña de líquido para que la piedra no flote sobre el líquido. Use lo suficiente para crear una "película delgada”. Donald Hoover agregó a esto a través de la comunicación personal que demasiado líquido no solo levantará ligeramente la piedra, la lectura también puede estar ligeramente apagada debido a la refracción dentro del líquido (el rayo se desviará ligeramente). Con una película delgada, esto es marginal y tendrá poco o ningún efecto en la lectura.

El resultado son obviamente dos lecturas de Reflexión Interna Total, una del hemicilinder-líquido y la otra del límite líquido-piedra (que será, debido a las leyes de refracción, la misma que si no se utilizara líquido). Esa es la razón por la que también verá una lectura débil cerca del índice más alto de la escala en el refractómetro, que es la lectura del líquido.

El índice de refracción del líquido establece el límite de qué piedras se pueden probar en el refractómetro. Por lo general, el líquido tiene un índice de refracción de 1.79, pero algunos tienen un índice de refracción de 1.81. No se pueden medir piedras que tengan un RI mayor que el líquido utilizado. Las piedras con un RI más alto que el líquido te darán una “lectura negativa”.

Los líquidos con mayor RI están disponibles, pero son tan tóxicos que solo se utilizan en laboratorios especialmente equipados. Ellos, por supuesto, también necesitarían un hemicilinder especial que será de mayor RI que el líquido.

Siempre debes proteger tus líquidos de contacto de la luz (especialmente para el tipo 1.81) y se debe tener cuidado de no dejar que los líquidos cristalicen.

Las composiciones químicas de los líquidos son:

1.79 - Solución saturada de azufre y di-idiometano
1.81 - Solución saturada de azufre, di-idiometano y tetraidioetileno

Lávese siempre las manos después de hacer contacto físico con los líquidos, no solo por el olor.

Uso del refractómetro

Video$\PageIndex{1}$: Video que muestra cómo usar un refractómetro

Como con todos los instrumentos, el éxito depende del uso adecuado.

Primero, aplicas una gota muy pequeña de líquido de contacto en el centro del hemicilinder del refractómetro, después de lo cual colocas la piedra que deseas investigar mesa abajo junto al hemicilinder. Con la uña, desliza la piedra en el centro del hemicylinder. Para una piedra ovalada, colóquela longitudinalmente.

En este punto, el líquido de contacto succionará debajo de la faceta y proporcionará un contacto óptico entre la piedra y el hemicilinder. No aplique ninguna presión a la piedra empujándola hacia abajo sobre el cilindro ya que eso dañaría el hemicylinder. (Las reparaciones son muy costosas.) Cierre la tapa del refractómetro para proteger la piedra de cualquier luz circundante. Retire el filtro polarizador si no se ha eliminado ya.

Ahora, con la fuente de luz colocada en la parte posterior, coloca tu mejor ojo (generalmente el derecho) justo antes del ocular del refractómetro. Debes posicionar tu ojo para que mires un ángulo recto con respecto al ocular, para evitar un “error de paralaje”. La mejor manera de conocer que tu ojo está en la posición correcta es si puedes ver toda la escala (o la mayor parte) sin mover el ojo.

Ahora encuentra la línea divisoria entre la luz y la oscuridad en la escala. (Para las piedras preciosas cortadas en cabujón, la técnica es ligeramente diferente. Consulte el método de “visión a distancia” a continuación.) Si la escala parece borrosa, puedes deslizar el ocular hacia dentro y hacia afuera para un mejor enfoque. Ahora puedes comenzar a tomar tus lecturas (explicadas a continuación).

Cuando haya terminado, deslice suavemente la piedra del hemicilinder y retire la piedra con los dedos si es posible. Es importante mantener limpio el hemicilinder, así que use un paño o pañuelo limpio para limpiar suavemente cualquier líquido de contacto restante del cilindro. Haga esto suavemente sin ninguna presión, haciendo un movimiento Norte-Sur.

Como se mencionó anteriormente, el hemicilinder está hecho de un vidrio de dureza relativamente baja y puede rayar fácilmente. Así que siempre asegúrate de mantener los materiales abrasivos y los objetos afilados (como pinzas) lejos del hemicylinder.

Mira las imágenes a continuación para ver cómo usar correctamente el refractómetro.

**Haga clic en las imágenes para ampliar**
Figura$\PageIndex{3}$: Abra la botella de líquido y obtenga una pequeña gota	Figura$\PageIndex{4}$: Colocar cuidadosamente en medio del hemicilinder	Figura$\PageIndex{5}$: ¡La caída no debe ser mayor que esta!	*Figura$\PageIndex{6}$:* Colocar la piedra paralela a la longitud del hemicilinder

N.B: A algunas personas les resulta difícil obtener una pequeña gota de líquido directamente de la botella. Una técnica diferente es colocar una serie de pequeñas gotas (generalmente 2 o 3) al lado del hemicilinder y colocar la piedra en la gota más pequeña, luego deslizar la piedra y el líquido juntos sobre el hemicilinder. Alternativamente, se puede perder el exceso de líquido de la varilla de líquido haciendo unas gotas junto al hemicilinder y luego aplicar el resto directamente sobre el hemicillinder del refractómetro. Cualquiera que sea el método que uno prefiera funcionará.

$Archivo:RefractómetroEscala1.jpg$

Figura$\PageIndex{7}$: 1.544

Notamos lecturas del refractómetro con una precisión de 0.001 (milésimas). La escala del refractómetro tiene indicadores de subdivisión a 0.01 (centésimas). Entre las dos barras horizontales que indican el 0.01, necesitará estimar la precisión final.

En la imagen de la derecha, verás que el borde de sombra se encuentra entre las barras 1.54 y 1.55. Entre estos dos valores, necesitamos encontrar la última precisión. Al estar justo por encima de la mitad, la última precisión es 0.004. Entonces la lectura es 1.544.

Estimar el último decimal necesita algo de práctica. Algunos refractómetros, como los de Eickhorst, tienen una división más detallada de las escalas lo que facilita la lectura. Con un poco de experiencia, encontrará que no se necesita una escala más fácil de leer.

Piedras preciosas facetadas

A continuación se presenta el método para tomar lecturas de RI que se utiliza para las piedras preciosas facetadas. Las piedras preciosas de corte en cabujón y esfera requieren una técnica algo diferente que se explica en la sección de “visión lejana”.

Figura$\PageIndex{8}$: Posición inicial
1ª lectura

Figura$\PageIndex{9}$:
2da lectura de rotación de 45 grados

Figura$\PageIndex{10}$:
3ra lectura de rotación de 90 grados

Figura$\PageIndex{11}$:
4ª lectura de rotación de 135 grados

Al tomar lecturas del refractómetro, generalmente se inicia con la faceta más grande (que suele ser la faceta de la tabla). Coloca tu piedra en la posición inicial, luego cierra la tapa del refractómetro. Asegúrese de que la fuente de luz esté encendida.

Coloca tu ojo frente al ocular de manera que quede en ángulo recto con la escala del refractómetro. Ahora lo más probable es que veas una región oscura en la parte superior de la escala y una región más clara en la parte inferior. Si ha elegido una fuente de luz monocromática de sodio, habrá una línea nítida entre las áreas más claras y oscuras. Esa línea se llama el “borde de la sombra”. (También puede observar 2 “bordes de sombra” menos agudos).

Coloca el filtro de polarización sobre el ocular y, mientras miras la escala, gira el polarizador 90 grados a izquierda y derecha. Observarás cualquiera de dos posibilidades:

solo se ve un borde de sombra
- la piedra es isotrópica o
- la luz incidente llega a la piedra en un ángulo paralelo al eje óptico y se debe girar la piedra 90 grados
ves que el borde de sombra se mueve entre dos valores en la escala
- la piedra es uniaxial o
- la piedra es biaxial

En el primer caso, donde solo se ve un borde de sombra, la lectura para el borde de sombra permanecerá constante durante una rotación de 135 grados de la piedra. Para cada lectura de rotación, tome dos medidas: una con el filtro polarizador en posición Norte-Sur y otra con el filtro polarizador en posición Este-Oeste.

Las lecturas en las siguientes imágenes indican una sola piedra refractiva (isotrópica) con RI = 1.527, que es muy probable que sea vidrio. (Si se encuentra una sola piedra facetada transparente refractiva con un RI entre 1.50 y 1.70, lo más probable es que sea vidrio). Tomar cuatro juegos de lecturas (con el polarizador en ambas posiciones) en una sola piedra refractiva parece exagerada, que es; tómelas de todos modos.

Primera lectura

Segunda lectura

Tercera lectura

Cuarta lectura