Khúc xạ kép (lưỡng chiết) là hiện tượng một tia sáng đi vào tinh thể bị tách thành hai tia, đi với tốc độ khác nhau và lệch theo hai hướng khác nhau. Đặt một mẩu canxit trong suốt lên dòng chữ, ta thấy mỗi nét chữ thành hai; xoay mẩu đá thì một hình đứng yên, hình kia quay quanh nó. Mọi khoáng vật kết tinh, trừ hệ lập phương, đều có khúc xạ kép, nhưng canxit có mức tách rất lớn nên thấy được bằng mắt thường.
Đá Iceland và câu chuyện năm 1669
Những tinh thể canxit trong suốt như nước, mang tên "Iceland spar", từng được khai thác ở Helgustaðir, miền đông Iceland. Năm 1669, nhà khoa học Đan Mạch Rasmus Bartholin (Erasmus Bartholinus) công bố mô tả hiện tượng nhân đôi hình ảnh qua những tinh thể này. Năm 1690, Christiaan Huygens giải thích nó bằng lý thuyết sóng ánh sáng: trong canxit, một tia truyền đi như sóng cầu bình thường, tia kia như sóng elip.
Năm 1808, Étienne-Louis Malus nhìn ánh hoàng hôn phản chiếu từ cửa kính cung điện Luxembourg ở Paris qua một mẩu canxit và thấy một trong hai hình mờ đi khi xoay tinh thể. Từ đó ông phát hiện ánh sáng phản xạ bị phân cực. Năm 1828, William Nicol ở Edinburgh cắt và dán hai nửa tinh thể canxit thành "lăng kính Nicol", chỉ cho một tia phân cực đi qua. Lăng kính này là trái tim của kính hiển vi phân cực suốt hơn một thế kỷ. Một mẩu khoáng vật bé xíu đã góp phần mở ra cả ngành quang học phân cực.
Vì sao tia sáng bị tách đôi
Ánh sáng đi trong vật chất chậm hơn trong chân không; tỉ số tốc độ ấy là chiết suất. Trong thuỷ tinh hay tinh thể lập phương, nguyên tử xếp đối xứng như nhau theo mọi hướng, ánh sáng đi hướng nào cũng một tốc độ: chỉ có một chiết suất. Đó là khúc xạ đơn, hay đẳng hướng quang học.
Trong tinh thể đối xứng thấp hơn, mạng nguyên tử "dày" theo hướng này, "thưa" theo hướng kia. Ánh sáng khi vào được tách thành hai thành phần dao động vuông góc nhau, mỗi thành phần gặp một chiết suất khác nhau, nên đi với tốc độ khác nhau và bẻ cong khác nhau. Hai tia đều phân cực. Hiệu số giữa chiết suất lớn nhất và nhỏ nhất gọi là độ lưỡng chiết.
| Khoáng vật | Độ lưỡng chiết khoảng | Mắt thường có thấy nhân đôi không |
|---|---|---|
| Kim cương, spinel, granat, thuỷ tinh | 0 (khúc xạ đơn) | Không |
| Thạch anh | 0,009 | Không, cần dụng cụ |
| Beryl (ngọc lục bảo, aquamarine) | Khoảng 0,004–0,009 | Không |
| Corundum (ruby, sapphire) | Khoảng 0,008–0,009 | Không |
| Tourmalin | Khoảng 0,014–0,032 | Đôi khi thấy cạnh mặt sau nhân đôi qua kính lúp |
| Peridot | Khoảng 0,035–0,038 | Thấy qua kính lúp ở đá lớn |
| Zircon (loại kết tinh tốt) | Khoảng 0,04–0,06 | Thấy rõ qua kính lúp |
| Moissanite tổng hợp | Khoảng 0,043 | Thấy qua kính lúp |
| Titanit (sphen) | Khoảng 0,10–0,13 | Thấy rõ |
| Canxit | Khoảng 0,172 | Thấy rõ bằng mắt thường |
Số liệu theo Mindat và tài liệu đá quý học của GIA. Canxit có hai chiết suất khoảng 1,658 và 1,486, chênh nhau lớn hiếm thấy — đó là lý do hình ảnh qua nó tách xa đến vậy.
Trục quang: hướng mà ánh sáng không bị tách
Trong mỗi tinh thể khúc xạ kép, có hướng (hoặc hai hướng) mà ánh sáng đi dọc theo đó không bị tách đôi. Đó là trục quang.
- Đơn trục: tinh thể hệ bốn phương, sáu phương, ba phương có một trục quang, trùng với trục đối xứng chính. Canxit, thạch anh, corundum, zircon, tourmalin.
- Lưỡng trục: tinh thể hệ trực thoi, một nghiêng, ba nghiêng có hai trục quang. Topaz, peridot, chrysoberyl, fenspat.
Thử với một mẩu canxit: nhìn qua hai mặt đối diện của khối mặt thoi thấy chữ nhân đôi. Nếu cắt và đánh bóng hai mặt vuông góc với trục quang, nhìn xuyên theo hướng đó thì chỉ thấy một hình. Thợ mài đá quý đơn trục như ruby, sapphire hay tourmalin cũng phải tính đến trục quang vì màu đá thay đổi theo hướng nhìn (hiện tượng đa sắc).
Khúc xạ kép trong nghề thẩm định và địa chất
Đếm cạnh mặt sau nhân đôi
Soi một viên zircon hay peridot giác mài qua kính lúp 10x, nhìn xiên qua mặt bàn về phía các cạnh mặt đáy: các cạnh hiện thành hai đường song song. Kim cương thì không bao giờ có hiện tượng này, vì nó thuộc hệ lập phương. Đây là lý do kính lúp cho phân biệt nhanh kim cương với zircon không màu, và một trong các dấu hiệu nhận ra moissanite. Quy trình thẩm định đầy đủ là chủ đề riêng; ở đây chỉ cần hiểu gốc rễ của dấu hiệu.
Kính phân cực trong phòng thí nghiệm đá quý
Kính phân cực gồm hai tấm lọc phân cực đặt chéo nhau, nên nhìn qua thấy tối. Đặt một viên đá khúc xạ kép vào giữa rồi xoay, viên đá sáng lên rồi tối đi bốn lần mỗi vòng quay. Viên đá khúc xạ đơn thì tối suốt (trừ khi có ứng suất bên trong gây "khúc xạ kép bất thường", như ở một số spinel tổng hợp hay thuỷ tinh). Một phép thử không phá mẫu, vài giây là xong.
Lát mỏng và kính hiển vi phân cực
Nhà thạch học mài đá thành lát mỏng khoảng 30 micromet dán trên kính, rồi xem dưới kính hiển vi phân cực. Giữa hai tấm phân cực chéo, mỗi hạt khoáng vật hiện một màu giao thoa tuỳ độ lưỡng chiết và độ dày: thạch anh xám trắng, olivin và pyroxen rực rỡ, canxit ánh ngọc trai nhạt. Bảng màu giao thoa Michel-Lévy cho phép đọc ra độ lưỡng chiết từ màu sắc. Nhờ vậy, một nhà thạch học có thể nhận diện hàng chục khoáng vật trong một lát đá mà không cần phân tích hoá học.
"Đá mặt trời" của người Viking: giả thuyết thú vị
Các saga Iceland nhắc đến "sólarsteinn", hòn đá mặt trời. Một số nhà nghiên cứu đề xuất rằng đó có thể là tinh thể canxit hay một khoáng vật lưỡng chiết khác, giúp người đi biển xác định vị trí mặt trời khi trời đầy mây, nhờ cảm nhận được ánh sáng trời phân cực. Năm 2013, nhóm nghiên cứu công bố về một mẩu canxit tìm thấy trong xác tàu Anh đắm gần đảo Alderney năm 1592, gần la bàn hàng hải, cho rằng nó có thể từng là dụng cụ dẫn đường. Thí nghiệm cho thấy phương pháp này về nguyên lý khả thi. Tuy vậy, chưa có bằng chứng khảo cổ trực tiếp rằng người Viking thực sự dùng canxit, nên đây vẫn là giả thuyết, không phải sự thật lịch sử.
Khúc xạ kép quanh ta
- Kính râm phân cực và màn hình tinh thể lỏng đều dựa trên ánh sáng phân cực; đeo kính râm phân cực nhìn màn hình điện thoại rồi xoay đầu, màn hình có thể tối đi.
- Nhựa trong suốt bị ứng suất như thước kẻ, hộp nhựa, kính cường lực ô tô cũng lưỡng chiết do ứng suất. Kẹp chúng giữa hai tấm phân cực sẽ thấy những dải màu cầu vồng, cách kỹ sư dùng để xem ứng suất trong mô hình nhựa.
- Băng tuyết là tinh thể lưỡng chiết; lát băng mỏng dưới kính phân cực cũng hiện màu.
Góc nhìn hôm nay: thí nghiệm canxit và kính râm
Một mẩu canxit trong cỡ vài centimet, mua ở cửa hàng mẫu khoáng vật, đủ cho cả loạt thí nghiệm:
- Đặt lên một chấm mực trên giấy trắng: thấy hai chấm.
- Xoay mẩu canxit trên giấy: một chấm đứng yên (tia thường), chấm kia quay vòng quanh (tia bất thường).
- Đặt một tròng kính râm phân cực lên trên canxit và xoay tròng kính: lần lượt một chấm mờ đi, rồi chấm kia, cách nhau 90°. Đó là bằng chứng hai tia phân cực vuông góc nhau, đúng như Malus thấy năm 1808.
- Thử lại với một viên thạch anh trong: không thấy nhân đôi bằng mắt, vì độ lưỡng chiết nhỏ gần 20 lần.
Canxit mềm (độ cứng 3) và có cát khai hoàn toàn, nên cầm nhẹ, không để rơi và không cọ lên mặt cứng. Muốn tìm hiểu thêm, chương quang học khoáng vật trong giáo trình tinh thể – khoáng vật học, hoặc mục "Optical Data" trên Mindat cho mỗi loài, ghi rõ chiết suất và độ lưỡng chiết.
Câu hỏi thường gặp
Khúc xạ kép là gì?
Khúc xạ kép là hiện tượng tia sáng vào tinh thể bị tách thành hai tia phân cực, đi với tốc độ khác nhau và lệch theo hai hướng. Nhìn qua canxit trong suốt sẽ thấy mỗi nét chữ thành hai. Mọi tinh thể không thuộc hệ lập phương đều có khúc xạ kép.
Vì sao nhìn qua canxit thấy hai hình?
Canxit có hai chiết suất khoảng 1,658 và 1,486, chênh nhau rất lớn, nên hai tia sáng tách xa đến mức mắt thường thấy hai hình riêng. Thạch anh cũng khúc xạ kép nhưng độ chênh nhỏ gần 20 lần nên không thấy được bằng mắt.
Kim cương có khúc xạ kép không?
Không. Kim cương thuộc hệ lập phương nên đẳng hướng quang học, chỉ có một chiết suất khoảng 2,42. Nhờ vậy, soi qua kính lúp không thấy cạnh mặt sau bị nhân đôi như ở zircon hay moissanite.
Đơn trục và lưỡng trục khác nhau thế nào?
Tinh thể đơn trục có một hướng mà ánh sáng đi qua không bị tách, gồm các hệ bốn phương, sáu phương, ba phương như canxit, ruby. Tinh thể lưỡng trục có hai hướng như vậy, gồm các hệ trực thoi, một nghiêng, ba nghiêng như topaz, peridot.
Người Viking có dùng đá mặt trời để đi biển không?
Đó là một giả thuyết dựa trên các saga Iceland và thí nghiệm quang học hiện đại cho thấy về nguyên lý khả thi. Một mẩu canxit tìm thấy trong tàu đắm năm 1592 gợi ý khả năng đó, nhưng chưa có bằng chứng khảo cổ trực tiếp về người Viking.
