光的基本性質(zhì)及寶石的光學(xué)性質(zhì)

1、 第五章寶石的光學(xué)性質(zhì)1第一節(jié) 光的本質(zhì) 1.光的電磁波理論以麥克斯韋為代表的電磁波理論認(rèn)為光是一種電磁波，以波動(dòng)的形式，將光源輻射能從近至遠(yuǎn)地向前傳播；在波動(dòng)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向相互垂直，為一種橫波(如圖所示)。 2寶石學(xué)中常用波長單位為納米，即10-9。有些情況下用波數(shù)來表示波長范圍，波數(shù)即單位長度內(nèi)波的數(shù)目，其單位為cml。波數(shù)值與波長成反比。光的波動(dòng)理論很好地解釋了光的干涉、衍射及寶石中相應(yīng)的一些光學(xué)現(xiàn)象。 3光的量子理論 普朗克在1900年提出了光的量子理論，認(rèn)為各種頻率的光只能不連續(xù)地被發(fā)射和吸收，即光具有粒子性，能量是不連續(xù)的，是量子化的。愛因斯坦進(jìn)一步提出，光的輻射場(chǎng)

2、也是量子化的，光在空間傳播也具有粒子性，即一束光是一束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，這些粒子稱為光量子，或光子，不同頻率的光子具有不同的能量。 光的粒子性很好地解釋了光的直線傳播、光的折射和反射，能解釋寶石的顏色成因，以及熒光、磷光等現(xiàn)象。 4 現(xiàn)代科學(xué)證實(shí)，光具有波粒二像性，只有將光的波動(dòng)理論與光的量子理論結(jié)合起來，才能對(duì)光的本質(zhì)進(jìn)行完整的解釋。 5第二節(jié) 自然光與偏振光1.自然光 一切從光源直接發(fā)出的光波，統(tǒng)稱為自然光，如太陽光、燈光等。 6 2.偏振光 在垂直光波傳播方向的某一固定平面內(nèi)沿一固定方向振動(dòng)的光波稱為平面偏振光，簡(jiǎn)稱偏振光或偏光。如圖134所示，偏振光的振動(dòng)方向與傳播方向構(gòu)成的平面稱振

3、動(dòng)面。73.自然光和偏振光在寶石中的傳播特點(diǎn)8第三節(jié) 光的折射與反射 9光的全反射及全反射臨界角 根據(jù)折射定律，當(dāng)光波由光疏介質(zhì)(介質(zhì)1)射入光密介質(zhì)(介質(zhì)2)時(shí)，折射光的光速變小，相對(duì)折射率1，入射角大于折射角(i )，折射光靠近法線方向傳播；反之，當(dāng)光波由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，折射光的光速將變大，相對(duì)折射率小于l，入射角小于折射角(i n，全反射臨界角為，它們之間可有如下關(guān)系。即 sin/ sin90= n/ N nNsin13光的漫反射當(dāng)一束平行光線照到理想拋光平面或鏡面時(shí)，入射光的絕大部分，依反射定律沿同一方向被反射，且入射角與反射角相等，這種反射稱為鏡面反射。當(dāng)一束光線照到物體凹凸

4、不平的表面時(shí)，光沿著不同的方向發(fā)生反射，稱為光的漫反射。 14第四節(jié) 光的干涉與衍射 1. 光的干涉波長相同、相差恒定、傳播方向相近的兩束或兩束以上的光在同一介質(zhì)中相遇時(shí)，在交疊區(qū)相互作用產(chǎn)生相長增強(qiáng)或相消刪除的現(xiàn)象稱為光的干涉作用。并不是任意兩束光相遇都可發(fā)生干涉作用。能發(fā)生干涉的兩束光必須符合以下條件：即兩束光的頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相相同或位相差恒定。152.光的衍射光波在遇到障礙物時(shí)，偏離直線方向傳播的現(xiàn)象稱為光的繞射，也稱為光的衍射。 16衍射的條件：只有當(dāng)障礙物的大小與光波波長十分相近，衍射才能發(fā)生。單色光發(fā)生衍射時(shí)，衍射結(jié)果產(chǎn)生明暗相間的條紋；當(dāng)復(fù)色光發(fā)生衍射時(shí)，產(chǎn)生的將是五

5、顏六色的彩色條紋，衍射效應(yīng)產(chǎn)生的是純正的光譜色。 17 光的衍射在寶石學(xué)中主要的應(yīng)用有兩個(gè)方面：其一，利用光的衍射原理而設(shè)計(jì)的衍射光柵，是寶石用分光鏡的主要構(gòu)件之一。其二，利用光的衍射原理，可解釋寶石中的一些特殊光學(xué)效應(yīng)，如變彩效應(yīng)。 18 3.光的散射 散射是指由傳播介質(zhì)的不均勻性引起的光線向四面八方射去的現(xiàn)象。 19若散射中心非常小，即引起散射的粒子小于光的波長（dNmNp。 Ng-Nm大于Nm-Np時(shí)為正光性，Ng-Nm小于Nm-Np時(shí)為負(fù)光性。雙折率等于Ng-Np的絕對(duì)值。34二軸晶光率體 （三軸橢球體）354.光性方位光率體主軸與晶體結(jié)晶軸之間的關(guān)系稱為光性方位。1 高級(jí)晶軸晶體的光

6、性方位等軸晶系是高級(jí)晶族中唯一的晶系，等軸晶系的寶石為均質(zhì)體，其光率體是一個(gè)圓球體，所以通過光率體中心的任意三個(gè)互相垂直的直徑都可以與三個(gè)結(jié)晶軸相當(dāng)。球體半徑代表折射率的大小。36中級(jí)晶軸中級(jí)晶軸晶體只有一個(gè)高次軸（三次、四次或六次軸），一軸晶光率體的旋轉(zhuǎn)軸（光軸）與晶體的唯一高次對(duì)稱軸（C軸）相一致，無論是正光性晶體，如石英，還是負(fù)光性晶體，如方解石，都是光率體的光軸與晶體的C軸一致。374.光性方位中級(jí)晶族38低級(jí)晶軸斜方晶系晶體的最高對(duì)稱要素為3L23PC，所以斜方晶系的光性方位是：光率體的三個(gè)主軸與晶體的三個(gè)結(jié)晶軸相重合，至于是那一個(gè)主軸與那一個(gè)結(jié)晶軸重合，因晶體不同而不同。如寶石黃玉

7、是：Nm=Y軸，Ng=Z軸，Np=X軸。（NgNmNp）。單斜晶系晶體的最高對(duì)稱要素為L2PC。在晶體定向時(shí)，如取b為唯一軸，此時(shí)b軸方向包含二次對(duì)稱軸與對(duì)稱面的法線重合，它可與光率體三個(gè)主軸之一重合，其余二主軸與結(jié)晶軸斜交。究竟那一個(gè)主軸與Y軸一致，其它二主軸與Z軸或X軸的斜交角度有多大，視晶體種類不同而異。如透閃石。39低級(jí)晶軸三斜晶系的對(duì)稱程度最低，只有一個(gè)對(duì)稱中心或只有一個(gè)一次旋轉(zhuǎn)軸，三個(gè)結(jié)晶軸互相不垂直，故三斜晶系的光率體的三個(gè)主軸與結(jié)晶軸斜交，其斜交角度因晶體而異。404.光性方位低級(jí)晶族41各晶系與光學(xué)性質(zhì)的關(guān)系表42第七節(jié) 寶石的多色性、吸收性寶石的多色性：寶石顏色隨光波在晶體

8、中振動(dòng)方向不同而改變的現(xiàn)象。 如：山東藍(lán)寶石 平行C軸觀察 藍(lán)色 垂直C軸觀察 藍(lán)綠色 寶石晶體的多色性明顯程度與寶石的性質(zhì)有關(guān)，也與所觀察的寶石切面的方向性有關(guān)。43 一軸晶寶石，在平行光軸或平行光軸面的面內(nèi)，多色性表現(xiàn)最明顯（二色性），垂直光軸的平面則不顯多色性；其它方向的平面的多色性的明顯程度介于上述二者之間。44二軸晶彩色寶石可以有三個(gè)主要顏色（三色性），它們分別與光率體三個(gè)主軸ng 、 nm 、 np相對(duì)應(yīng)。在平行光軸面的切面中多色性最明顯，它的兩個(gè)顏色分別與ng和np相當(dāng)，在垂直光軸的切面上只顯示一種顏色，此顏色與nm相對(duì)應(yīng)。45寶石晶體的多色性明顯程度與寶石的性質(zhì)有關(guān)，也與所觀察

9、的寶石的方向性有關(guān)。在平行光軸或平行光軸面的切面內(nèi)，多色性表現(xiàn)最明顯，垂直光軸的切面則不顯多色性；其他方向的切面上的多色性的明顯程度介于上述二者之間。 46透輝石：二軸晶寶石顯示暗綠色至綠色 堇青石：二軸晶寶石 顯示藍(lán)紫色、淺藍(lán)色和淺黃色 紅柱石：二軸晶寶石 顯示褐紅色至灰綠色 47寶石的吸收性 寶石晶體中，顏色深淺隨光波振動(dòng)方向而改變的現(xiàn)象稱為吸收性。 在一軸晶寶石中，當(dāng)ne方向的顏色比no方向的顏色深時(shí)，光波沿ne方向振動(dòng)時(shí)的吸收總強(qiáng)度大于no方向，故其吸收性為ne no ，稱為正吸收；反之ne nmnp時(shí)，稱為正吸收; ng nm 25%，表面呈金屬般的光亮，一般不透明，寶石礦物極少具金

10、屬光澤，如黃鐵礦。通常折射率n3。 （2）半金屬光澤 具半金屬光澤的寶石礦物，其R=25%-19%，表面呈弱金屬般的光亮，一般不透明，如黒鎢礦和鉻鐵礦。通常折射率n=2.603。 （3）金剛光澤 具金剛光澤的寶石礦物，其R=19%-10%，表面金剛石般的光亮，透明半透明，以鉆石為代表，通常折射率n=2.92.60。 52（4）玻璃光澤等 具玻璃光澤的寶石礦物，其R=10%-4%，表面玻璃般的光亮，透明半透明，如祖母綠、水晶、黃玉等寶石，通常折射率n=1.31.9。在寶石中常見的一些特殊光澤：（1）油脂光澤 有一些顏色較淺，具有玻璃光澤或金剛光澤的寶石的不平坦斷面上或集合體顆粒表面所見到的一種光

11、澤。如石英斷口可為油脂光澤，石榴石和磷灰石的斷口也多為油脂光澤。53（2）樹脂光澤一些顏色為黃黃褐色的寶石，斷面上可見到一種類似于松香等樹脂所呈現(xiàn)的光澤。如琥珀，其斷面上常見樹脂光澤。（3）蠟狀光澤在一些透明半透明玉石礦物的隱晶質(zhì)或非晶質(zhì)致密塊體上，由于反射面不平坦，產(chǎn)生的一種比油脂光澤暗些的光澤，如塊狀葉蠟石的光澤。（4）土狀光澤一些細(xì)分散的多孔隙的寶石礦物因?qū)獾穆瓷浠蛏⑸涠尸F(xiàn)一種暗淡的土狀光澤，如風(fēng)化程度較高的綠松石。54（5）絲絹光澤一些透明的原具玻璃光澤或金剛光澤的寶石礦物，當(dāng)它們呈纖維狀集合體的形式出現(xiàn)時(shí)，或一些具完全解理的礦物表面所見到的一種像蠶絲和絲織品那樣的光澤，如虎睛石

12、。（6）珍珠光澤在珍珠的表面或一些解理發(fā)育的淺色透明寶石礦物表面，所見到的一種柔和多彩的光澤，如珍珠。55鉆 石： 金剛光澤鋯 石：亞金剛光澤 石榴石：強(qiáng)玻璃光澤至亞金剛光澤 托帕石：玻璃光澤 56由于反射光受到寶石礦物顏色、表面平坦程度、集合體結(jié)合方式等的影響，還可以產(chǎn)生一些特殊的光澤。如 油脂光澤 如：水晶斷口面 樹脂光澤 如：琥珀 蠟狀光澤 如：葉蠟石 絲絹光澤 如：木變石 珍珠光澤 如：（養(yǎng)殖）珍珠 土狀光澤 如：劣質(zhì)的綠松石57綠松石：蠟狀光澤 珍 珠： 珍珠光澤 58琥 珀：樹脂光澤 木變石：絲絹光澤 59光澤在寶石鑒定中的應(yīng)用1.光澤是寶石的重要性質(zhì)之一。在寶石的肉眼鑒定中，光澤

13、可以提供一些重要的信息。尖晶石、石榴石、鋯石；海藍(lán)寶石、托帕石。2.光澤在寶石鑒定中的另一個(gè)應(yīng)用是對(duì)拼合石的鑒定（如石榴石、玻璃拼合石），包括對(duì)貼皮翡翠毛料的識(shí)別。 3.光澤可以反映寶玉石的質(zhì)地細(xì)膩均勻度，也是寶玉石（尤其是翡翠等玉石）質(zhì)量判定的依據(jù)。4.光澤能夠反映寶玉石的加工精細(xì)度。拋光精良的寶玉石光澤好。60第九節(jié) 寶石的透明度透明度的物理定義 物體的透明度是指物體允許可見光透過的程度，假設(shè)入射光的強(qiáng)度為I。，當(dāng)光穿過一定厚度的介質(zhì)后，強(qiáng)度減弱到I，則II。，為介質(zhì)的透射因數(shù)，的值介于01之間，越接近l，介質(zhì)的透明度越高。61 在寶石的肉眼鑒定中，通常將寶石的透明度劃分為五個(gè)級(jí)別。 1.透明 如：水晶。 2.亞透明 如：煙晶 3.半透明 如：一些質(zhì)量較好的電氣石。 4.亞半透明 如：黑曜巖。 5不透明 如：孔雀石。62目前珠寶界對(duì)透明度級(jí)別的劃分逐漸趨向于采用三分法，把寶石透明度劃分成： 透明 半透明 不透明63透明寶石 水晶 綠柱石 托帕石 64 煙晶人體雕件 亞透明寶石65半透明寶石月光石瑪瑙66亞半透明（微透明）寶石 軟玉岫玉翡翠67綠松石 青金石 不透明寶石68影響寶石透明度的因素 1.晶體結(jié)構(gòu)（化學(xué)成分） 2.顏色 3.顆粒結(jié)合方式 4.厚度 5.內(nèi)含物（雜質(zhì)、裂隙等）69第十節(jié) 寶石的發(fā)光性寶石的發(fā)光性是指寶