다이아몬드의 굴절(Reflaction), 임계각(Critical angle) 그리고 분산(Dspersion)

굴절(Reflaction)

   빛이 다이아몬드 표면에 수직으로 부딪칠 때는 빛의 속도는 느려지고 방향에는 변화가 없이 다이아몬드 내부러 들어간다. 빛이 수직이 아닌 다른 각도로 다이아몬드 표면에 부딪친다면 속도도 느려지면서 방향도 바뀐다. 이 같은 빛의 속도 변화와 방향 변화를 굴절(Reflaction)이라고 부른다.

 

    광선이 일정한 각도로 부딪칠 때, 광선의 한쪽 부분이 더 조밀한 소재에 닿으면 다른 쪽 부분보다  먼저 속도가 떨어지며 이로 인해 물질의 안으로 들어갈 때 광선이 굽어지게  된다. 빛이 꺾이는 방향은 법 선으로부터 측정되는 데, 빛이 더 밀집한 물질로 들어 가는지 덜 밀집한 문질로 들어가는지에 달려있다. 빛이 다이아몬드 내부로 들어갈 때, 법 선 쪽으로 굽어지면 다이아몬드를 나올 때는 조밀도가 낮은 공기로 이동하기 때문에 항상 법선에서 먼 쪽으로 굽어진다.

 

    꺾이는 정도는 물질 사이의 광학적 밀도의 차이에 달려있다. 그것은 굴절률(RI)이라고 알려진 비율로 표시된다. RI를 측정하는 기구-표준 보석용 굴절계를 포함 -는 일반 적으로 법선에서 굽어지는 각 광선의 각도를 측정한다.

 

   두 물질의 광학적 밀도의 차이가 클수록, 빛은 더 큰 각으로 굽어진다. 다이아몬드의 RI는 2.417로  천영의 투명한 보석 중하나이다. 다이아몬드 유사석으로 흔히 사용되는 합성 큐빅 질코니아(CZ)는 보통 2.510이며 다른 유사석인 합성 모써나이트는 굴절율이 다이아몬드보다 높은 약 2.670이다.

 

임계각(Critical angle)

   다이아몬드의 각 패싯은 다이아몬드와 맞닿는 공기의 접촉처럼-공동 경계면-이다. 패싯면에 직각으로 닿은 광선을 속도가 줄지만 꺾임 없이 다이아몬드 안으로 들어간다. 직각(90도)이 아닌 다른 각도로 부딪치는 광선은 다이아몬드 안에 들어가면 속도도 줄고 법선쪽으로 꺾인다. 패싯 표면에 그의 나란하게 닿으면 광선은 가장 많이 꺾여서 가장 큰 굴절각을 갖는다.

   

     다이아몬드에서 나오는 광선-  패싯과 직각이 아닌 모든 방향- 경계선을 지나 법 선에서 먼 쪽으로  입사각 보다 큰 각도로 꺾인다. 임계각(Critical angle)은 다이아몬드 내부 광선이 밖으로 빠져나올 수 있는 입사각 중 가장 큰 각도이다.  임계각은 법선과 최대 굴절각 사이의 각도로 다이아몬드의 내부 면에서 입사각이 정확히 임계각으로 부딪친 광선은 거의 수평으로 다이아몬드 표면을  빠져나온다.

 

    패싯 겉과 안쪽 표면의 특정한 지점에 부딪치는 모든 광선은 법선 주면에 입체적 콘(cone) 모양을 형성한다. 최대 굴절각으로 안쪽면에 부딪친 광선에 의해 형성된 콘(cone)을 임계각원뿔이라고 한다. 콘의 꼭지각은 임계각의 2배로 측정한다.

 

    다이아몬드 내부의 빛은  입사각이 임계각 콘 안으로 즉, 임계각보다 작거나 같은 각도로 부딪쳐야만 밖으로 나갈 수 있다. 빛이 임계각 콘의 바깥에 부딪치면 다이아몬드  내부로 다시 반사하는데 이것을  전반사라 한다.

 

   물질이 빛의 더 많이 꺾어지게 할수록 -RI가 높을수록-임계각은 더 작아진다. 다이아모드는 높은 RI를 가졌기 때문에 작은 임계각-24.5도-를 갖는다. 이처럼 작은 임계각 때문에 잘 연마된 다디단 몬드의 브라이트니스가 뛰어난 것이다. 임계각이 작을수록 빛이 빠져나갈 수 있는 기회가 더 적어진다.

 

   잘 연마된  퍼빌리언에서는, 빛이 임계각 밖에서 반복적으로 여러 번 부딪친 후, 임계각 내부에 부딪쳐 밖으로 나가기 전까지 다이아몬드 내부에서 여러 번 반사시킨다. 이러한 반사들이 다이아몬드 전체의 브라이트니스 , 파이어, 씬틸레이션을 만든다.

 

   만약, 퍼빌리언이 너무 깊거나 얕으면 빛은 임계각 안쪽으로 부딪치고 퍼빌리언을 통해 빠져나가게 되어 다이아몬드의 광학적인 효과를 떨어뜨리게 된다. 설령 첫 번째 퍼빌리언에서 제대로 반사된다 해도 두 번째 퍼빌리언에서는 임계각  안으로 빛이 들어가 그곳에서 빠져나갈 것이다.

 

   대부분의 보석들은 다이아몬드보다 훨씬 더  큰 임계각을 가지고 있다. 보석의 임계각의 차이는 각기 다른 퍼빌리언 각도를 요하기 때문에 연마자들에게 중요하다.  쿼츠나 베릴 같은 보석들은 다이아몬드보다 RI가 낮고 임계각이 크기 때문에 빛이 퍼빌리언을 통해 빠져나가지 않고 크라운으로 반사되게 하기 위해서 훨씬 더 깊은 퍼빌리언이 필요하다.

 

분산(Dspersion)

    백광은 거유의 색과 파장, 어너지를 가지도 있는 여러 가지 빛의 파동들로 만들어진 것이다. 이 백광아 공기보다 밀도가 높은 -유리프리즘 같은 -물질에 사각으로 부딪쳤을 때, 빛은 속도가 느려지고 꺾어지며 구성 색들로 분리된다.

 

     광물학자와 보석학자은이 RI를 결정할 때 측정이 기준으로 가지 스펙트럼 이 옐로 부분에서  특별한 파장을 이용한다. 이 좁은 옐로 스펙트럼 부분 또는 밴드를 "나트륨 광선"이라고 부른다. 나트륨 광선은 가시 스펙트럼 589mm 지점에 위치한다. 과학자들은 나트륨 광선에 대한 RI-2,417를 다이아몬드 RI로 정의하여 사용한다.

 

     다이아몬드를 포함 한 대부분의 단단하고 투명한 물질의 RI는 여러 가지 빛의 파장에 따라 다르다. 가시 스펙트럼의 양쪽 끝에 있는 빛- 바이올렛과 레드 파장-은 각각 다른 RI를 갖는다. 바이올렛 스팩트럼은 431mm이고 레드의 스펙트럼은 687mm이다. 이런 파장의 차이로 이들은 다이아몬드에서 각기 다른 각도의 굴절을 한다. 이것이 빛이 프리즘을 통과할 때 스펙트럼이나 무지개로 나누어지는 이유이다.

 

    빛이 일부 파장은 다른 파장보다 느려지고 꺾인다. 다이아몬드에서 바이올렛과 블루 파장이 가장 느리고 많이 꺾이는 반면, 레드 파장은  속도 변화가 적고 , 작게 꺾인다. 보석학자들은 바이올렛 광선(2.145RI)과 레드광선(2.407RI) 사이의 RI 차이 정도를 사용하여 수학적으로  다이아몬드의 분사율을 0.44로 정의한다.

 

   다이아몬드의 분산은 천연의 어떤 투명 보석 물질보다 높으나, 다이아몬드보다 더 분산되는 몇 가지 유사석들이 있다. 예를 들면 CZ 이 분산은 0.060이고 합성 모써나이트이 분산은 0.104이다. 이들 유사석과 다이아몬드를 구분할 때 이것들의 더 높은 분산은 중요한 단서를 제공한다. 이 유사석들의 무지개 칼라는 천연 다이아몬드보다 더 두드러진다.