寶石的光學(xué)性質(zhì)

1、第二章 寶石的基本性質(zhì) 寶石的光學(xué)性質(zhì)寶石的光學(xué)性質(zhì) 寶石的力學(xué)性質(zhì)寶石的力學(xué)性質(zhì) 一、顏色顏色是決定寶石名貴和價值高低的基本和首要因素 顏色是光作用于人眼而在頭腦中產(chǎn)生的一種感覺激發(fā)人的眼睛與大腦的顏色感覺要具備三個條件： 1、（白）光源； 2、反射、散射及改變這種光的物體； 3、接受光的人眼和解釋它的大腦 1、顏色的形成機(jī)理 1）、晶體場理論認(rèn)為： 在過渡金屬元素鐵、鉻、銅等和稀土金屬中-存在一種特殊的電子態(tài)。其原子僅僅有部分被填充的內(nèi)殼層，這些未填滿的內(nèi)殼層保持有不成對的電子，它們的激發(fā)態(tài)往往落于可見光譜內(nèi)，能產(chǎn)生范圍很寬的鮮明顏色，稱之為晶體場顏色。 寶石礦物只要存在帶有不成對電子的離

2、子就會產(chǎn)生晶體場顏色。如紅寶石、鮮紅色是由微量的雜質(zhì)鉻離子（Cr）替換了鋁離子(Al)而呈色。海藍(lán)寶石的海水藍(lán)色是由微量過渡金屬雜質(zhì)鐵離子（Fe）引起。綠松石的瓷松色是由過渡金屬銅（Cu）引起。 1、顏色的形成機(jī)理2）、分子軌道理論認(rèn)為： 能夠影響寶石礦物顏色的一種機(jī)理是電子電荷從一種離子到另一種離子的轉(zhuǎn)移，稱電荷轉(zhuǎn)移。如藍(lán)色藍(lán)寶石，它是一種含鐵和鈦雜質(zhì)的透明剛玉礦物，它可以有兩個能態(tài)： Fe2+和Ti4+；Fe3+和Ti3+ ，當(dāng)吸收光時，一個電子從鐵躍遷到鈦上時，鐵失去一個電子為正價，鈦得到一個電子為負(fù)價。激發(fā)這種電荷轉(zhuǎn)移大約需要兩個電子伏特的能量，這種躍遷形成一個寬的從黃伸展到紅區(qū)的吸收

3、帶，于是藍(lán)寶石呈現(xiàn)為深藍(lán)色。 2、寶石中的致色元素 大多數(shù)寶石含有能引起光的選擇性吸收的元素，它們既可以是微量元素，也可以是寶石中的主要化學(xué)成分。寶石中最常見的致色元素有八種：鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅。這些致色元素在每種寶石中所占據(jù)位置不一樣。 以寶石的主要成分出現(xiàn)使寶石致色的元素稱為自色寶石礦物，如菱錳礦（MnCO3）的粉紅色是由成分中的Mn元素致色; 橄欖石（(Mg Fe)2SiO4）綠色由成分中Fe元素致色。 以微量元素的形式出現(xiàn)使寶石致色稱為它色寶石礦物，如剛玉Al2O3，當(dāng)它純凈時無色，當(dāng)含微量元素Cr時形成紅寶石；當(dāng)含微量元素Fe、Ti時形成藍(lán)寶石。 自 色 寶 石 它 色

4、寶 石致色元素 寶 石 顏 色致色元素 寶 石 顏 色 Cr鈣鉻榴石綠色 Ti藍(lán)錐礦 藍(lán)色 Mn錳鋁榴石橙色 Ti 、Fe藍(lán)寶石藍(lán)色 Mn菱錳礦粉紅 V綠色綠柱石 綠色 Mn薔薇輝石粉紅 Cr紅寶石、紅尖晶 紅色 Fe橄欖石黃綠 Cr祖母綠 綠色 Fe鐵鋁榴石暗紅 Cr變石 紅、綠 Cu綠松石 天藍(lán) Cr玉髓、翡翠 綠色 Cu孔雀石綠色 Mn紅色綠柱石 粉紅 Cu硅孔雀石藍(lán)綠 Fe海藍(lán)寶石 藍(lán)和綠 Fe電氣石 綠和褐注意： Cu在它色寶石中極少作為致色元素出現(xiàn)。 Fe藍(lán)尖晶石 藍(lán)色 Ni綠玉髓 綠色 Co藍(lán)尖晶（極純) 藍(lán)色 Co合成藍(lán)色尖晶 藍(lán)色二、光澤光澤：是指礦物表面對光反射的能力。反射

5、能力越大，光澤光澤：是指礦物表面對光反射的能力。反射能力越大，光澤越強(qiáng)。光澤實質(zhì)上是一種表面光彩，它在很大程度上取決于越強(qiáng)。光澤實質(zhì)上是一種表面光彩，它在很大程度上取決于寶石的寶石的折射率大小折射率大小，同時也取決于寶石的，同時也取決于寶石的拋光程度拋光程度。 通常以折射率的大小把光澤分成四級：1、折射率3 金屬光澤 如：金、銀、銅 2、折射率2.63 半金屬光澤 如：烏剛石（針鐵礦） 3、折射率1.9-2.6 金剛光澤 如：金剛石、鋯石 4、折射率1.3-1.9 玻璃光澤 絕大多數(shù)寶石屬于此類光澤 三、透明度 透明度：指物質(zhì)透過光的強(qiáng)弱的一種表現(xiàn)量。吸收性強(qiáng)，透明度：指物質(zhì)透過光的強(qiáng)弱的一種

6、表現(xiàn)量。吸收性強(qiáng)，透明度弱；吸收性弱，透明度強(qiáng)。透明度分為四個級別：透明度弱；吸收性弱，透明度強(qiáng)。透明度分為四個級別： 透明：透明：能完全清晰地透視其它物體。如鉆石、紅寶石、藍(lán)寶石等能 允許絕大部分的可見光透過晶體。 半透明：半透明：一般厚度下，能模糊地透視其它物體的輪廓。如：瑪瑙、芙蓉石等能允許部分光透過晶體。 微透明：微透明：一般厚度下，能透過光，但看不清透過的物象。如：軟玉、獨山玉、岫玉等。 不透明：不透明：寶石的晶體或塊體基本上不透光。如：青金巖、綠松石、珊瑚等。 四、特殊光學(xué)效應(yīng) 星光效應(yīng) 貓眼效應(yīng) 變彩效應(yīng)砂金效應(yīng) 變色效應(yīng) 一）、星光效應(yīng) 星光效應(yīng)是由幾組定向排列的針管狀包體對光

7、的反射所造成。 產(chǎn)生星光的條件：1、寶石具有至少兩個方向和定向排列的針管狀包體； 2、琢磨的寶石使其底面平行于包體的平面 3、寶石是弧面型琢型 一）、星光效應(yīng) 能顯示出星光效應(yīng)的寶石有紅寶石、藍(lán)寶石、鐵鋁榴石、尖晶石、透輝石、芙蓉石等。以剛玉為例解釋星光的產(chǎn)生： 剛玉寶石的一些晶體中含有三組與橫軸平行排列，與縱軸垂交的包體，各組包體相互間呈現(xiàn)60交角。當(dāng)寶石琢磨成弧面型且底面與這些包體的平面相平行時，光便從寶石中反射出而產(chǎn)生6道星光效應(yīng)。二）、貓眼效應(yīng) 貓眼效應(yīng)是弧面型的某些寶石表面出現(xiàn)的從這一頭到另一頭的明亮光帶，這條亮帶由來自平行定向的反射光產(chǎn)生。產(chǎn)生貓眼的條件：1、一組針管狀包體密集而平

8、行的排列； 2、琢磨的寶石使其底面平行于包體的方向； 能產(chǎn)生貓眼效應(yīng)的寶石有金綠寶石、碧璽、綠柱石、磷灰石、石英、方柱石、紅柱石等，其中以金綠寶石產(chǎn)生的貓眼效果最佳。 三）、變彩效應(yīng) 變彩效應(yīng)，也叫暈彩效應(yīng)，實際上是一種干涉效應(yīng)，指光線從薄膜或從歐泊所特有的結(jié)構(gòu)中反射出，經(jīng)過干涉或衍射作用而產(chǎn)生的顏色或一系列顏色。 當(dāng)兩條光線（A、B）在相同方向上傳播時，頻率相同、位相相同并沿同一條光路傳播，兩光波的電矢量加強(qiáng)，波峰與波谷均重合時，它們相互增強(qiáng)，A、B兩光線相加，合成光波C，以至光強(qiáng)度增大。反之則彼此間相互抵消，A、B兩光線發(fā)生相消干涉，合成直線C，合成波消失，光便完全消失。 三）、變彩效應(yīng)

9、寶石中所見到的干涉色是發(fā)生在無數(shù)條白光光線受到干涉的情況下，而白光又是由無數(shù)不同波長的波（顏色）所組成。當(dāng)某些波長的波（顏色）被破壞，某些在強(qiáng)度上減弱或加強(qiáng)就會產(chǎn)生一系列干涉，出現(xiàn)變彩效應(yīng)。 變彩可分多色和單色變彩： 多色變彩：歐泊 單色變彩：月光石四）、砂金效應(yīng) 半透明的單晶寶石中含有片狀包裹體，當(dāng)光照射時因反射作用而閃閃發(fā)亮。這種現(xiàn)象稱為砂金效應(yīng)。 日光石內(nèi)含有大量的赤鐵礦小薄片或水晶中有無數(shù)綠色云母片，在光照射下，光亮閃閃。 仿寶石中金星石多屬人工玻璃，SiO2成分中混有純銅碎片，燒結(jié)后琢磨成玉件工藝上也稱“砂金石”，顏色有黃褐色、暗藍(lán)色。 五）、變色效應(yīng) 金綠寶石變石品種，也稱亞歷山大

10、石，在日光和燈光下觀察，出現(xiàn)截然不同的兩種顏色，日光下呈現(xiàn)綠色，燈光下呈現(xiàn)紅色。這種現(xiàn)象稱為變色效應(yīng)。 變色成因的最佳解釋是一種顏色的平衡，變石成分中含有微量元素Cr，鉻元素在紅寶石中形成紅色，在祖母綠中形成綠色，而在變石中鉻元素需要的能量正好處于紅色和綠色之中，因此寶石的顏色取決于所觀察的光源。變石在藍(lán)光充足的日光下呈現(xiàn)綠色，在紅光充足的燭光中呈現(xiàn)紅色。 五、色散 色散：指白光照射到透明物體的傾斜平面時，分解成它的色散：指白光照射到透明物體的傾斜平面時，分解成它的組成色（波長）。色散是可以計算的，通常以相當(dāng)于弗朗組成色（波長）。色散是可以計算的，通常以相當(dāng)于弗朗霍菲光譜中霍菲光譜中B線線和和

11、G線線的光所測得的折射率的差值來表示。的光所測得的折射率的差值來表示。 B線紅光中 686.7nm ；G線紫光中 430.8nm 寶石中有時稱色散為“火彩”。各種寶石的色散光的數(shù)量是不同的，從螢石（0.009）微不足道的色散到合成金紅石（0.28）的強(qiáng)烈色散。六多色性 多色性是描述某些雙折射彩色透明寶石中看到不同方向性顏多色性是描述某些雙折射彩色透明寶石中看到不同方向性顏色的通用術(shù)語，它包括二色性和三色性。色的通用術(shù)語，它包括二色性和三色性。 二色性：為雙折射的一軸晶寶石，當(dāng)光線進(jìn)入一軸晶寶石中分解成振動方向相互垂直的兩條平面偏振光，其中一條光線為常光線垂直C軸振動；另一條光線為非常光線平行C

12、軸振動。如果雙折射有顏色伴隨，這兩個方向出現(xiàn)不同的顏色。 以紅寶石為例，常光線方向為紅色，非常光線方向為橙色。因為這兩條光線振動方向不同，平行于這兩個方向晶體的原子結(jié)構(gòu)有所不同，并以不同方式影響這兩條光線，影響著折射的路徑，也就決定了兩條光線中每一條的殘余色。 六多色性 三色性：為雙折射的二軸晶寶石，通常具有三個方向性的顏色 ，常稱為三色性。 多色性的作用： 1、某些寶石種顯示不同的多色性，對鑒定有幫助； 2、顯示多色性的寶石，必定具有雙折射 3、寶石加工中，多色性對于寶石工匠很重要。具有多色性的寶石加工中必須正確取向。如紅、藍(lán)寶石加工中必須頂刻面垂直C軸方向，方可顯示最好的顏色 寶石名稱 光

13、性 基本體色 多色性顏色 紅寶石U（） 紅色紅色和橙色 藍(lán)寶石U（） 藍(lán)色藍(lán)色和藍(lán)綠色 祖母綠U（） 綠色綠色和黃綠色 紅柱石B（） 綠褐色 紅、綠和橙褐色 堇青石 B藍(lán)色紫藍(lán)、淡藍(lán)和黃褐色 變石B（） 綠色、紅色 紅色、綠色和黃色 六多色性七折射與反射 折射與反射 光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種具有不同光密度的介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的分界面上將發(fā)生分解（其傳播方向發(fā)生改變），產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象。折射光按折射定律進(jìn)入另一介質(zhì)，反射光按反射定律返回介質(zhì)中。 1、當(dāng)光線從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時，光線偏向法線折射，折射角小于入射角 2、當(dāng)光線從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時，光線偏離法線折射，折射角大于入折角；當(dāng)光線的

14、入射角繼續(xù)增大，折射光線沿兩介質(zhì)中通過，折射角等于90為全反射臨界角 七折射與反射 3、當(dāng)光線的入射角繼續(xù)增大，大于臨界角時，入射光不再發(fā)生折射，而是全部反射回到入射介質(zhì)中，且遵循反射定律：反射角=入射角。這一現(xiàn)象稱為光的全反射 4、當(dāng)光線進(jìn)入兩種介質(zhì)具有完全相同的光密度，這時沒有折射發(fā)生，因為這時的光速沒有變化 七折射與反射折射率和雙折射率 折射定律指出：對于給定的任何兩種相接觸的介質(zhì)及給定波長的光來說，入射角的正弦與折射角的正弦之比為一個常數(shù)。 這個比值稱為折射率，折射率是一個固定的比值，也可表示為光在空氣中的速度與某材料中的速度之比。即：折射率（RI）=光在空氣中的速度光在某材料中的速度

15、七折射與反射1、等軸晶系和非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的寶石，允許光線朝各個方向以相同的速度通過，這類材料在任意方向上均表現(xiàn)出相同的光性（各向同性），只有一個折射率值。 2、三方、四方、六方、斜方、單斜、三斜等六個晶系的寶石均表現(xiàn)出定向的光性（各向異性）光線通過這類非均質(zhì)體寶石時，入射光線將分解為彼此完全獨立的、傳播方向不同、振動方向相互垂直的平面偏振光，不同的平面偏振光的傳播速度不同，即有不同的折射率值，兩個折射率之間的差值稱為雙折射率值。 七折射與反射3、雙折射率：各向異性寶石的雙折射率，用最大折射率值和最小折射率的差值來表示：RI（大）RI（?。?DR（雙折射率）如水晶1.5531.544=0.009 4

16、、光軸：所有具有雙折射的寶石晶體都有一個或兩個不發(fā)生雙折射的方向，這些方向稱為光軸。一軸晶寶石（三方、四方、六方）有一個方向不發(fā)生雙折射，有一個光軸方向，稱為一軸晶；二軸晶寶石（斜方、單斜、三斜）有兩個方向不發(fā)生雙折射，有兩個光軸方向，稱為二軸晶。 七折射與反射異常雙折射 等軸晶系和非晶質(zhì)體寶石中，常常在正交偏光下出現(xiàn)波狀消光，旋轉(zhuǎn)寶石360出現(xiàn)明暗相間條紋或斑點、黑十字、黑色彎曲帶，這種現(xiàn)象是由寶石內(nèi)部應(yīng)變產(chǎn)生，顯示異常雙折射的有色寶石不具有多色性。 八發(fā)光性 發(fā)光性：一些寶石礦物能在X-射線或紫外線照射下發(fā)射出并呈現(xiàn)一定顏色的可見光的現(xiàn)象。寶石的發(fā)光性是由于寶石礦物的原子或離子受激發(fā)因素的激發(fā)時，外層電子發(fā)生躍遷過程引起的物理效應(yīng)，礦物學(xué)上稱熒光。熒光：在激發(fā)因素消失時，某些寶石發(fā)光現(xiàn)象也隨之消失；磷光