光的基本性質(zhì)及寶石的光學(xué)性質(zhì)張課件

1、 第五章寶石的光學(xué)性質(zhì)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為光是一種電磁波，以波動的形式，將光源輻射能從近至遠地向前傳播；在波動中質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向相互垂直，為一種橫波(如圖所示)。 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。 光的量子理論 普朗克在1900年提出了光的量子理論，認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。愛因斯坦進一步提出，光的輻射場也是量

2、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動的粒子流，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。 現(xiàn)代科學(xué)證實，光具有波粒二像性，只有將光的波動理論與光的量子理論結(jié)合起來，才能對光的本質(zhì)進行完整的解釋。 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。 2.偏振光 在垂直光波傳播方向的某一固定平面內(nèi)沿一固定方向振動的光波稱為平面偏振光，簡稱偏振光或偏光。如圖134所示，偏振光的振動方向與傳播方向構(gòu)成的平面稱振動面。3.自然光

3、和偏振光在寶石中的傳播特點第三節(jié) 光的折射與反射 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，折射光的光速變小，相對折射率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)進入光疏介質(zhì)時，折射光的光速將變大，相對折射率小于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 nNsin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，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不平的表面時，光沿著不同的

4、方向發(fā)生反射，稱為光的漫反射。 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，在交疊區(qū)相互作用產(chǎn)生相長增強或相消刪除的現(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，振動方向相同，位相相同或位相差恒定。2.光的衍射光波在遇到障礙物時，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。 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，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，產(chǎn)生的將是五顏六色的彩色條紋，衍射效應(yīng)產(chǎn)生的是純正

5、的光譜色。 光的衍射在寶石學(xué)中主要的應(yīng)用有兩個方面：其一，利用光的衍射原理而設(shè)計的衍射光柵，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)。 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。 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時為正光性，Ng-Nm小于Nm-Np時為負光性。雙折率等于Ng-Np的絕對值。二軸晶光率體 （三軸橢球體）4.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 高級晶軸晶體的光性方位等軸晶系是高級晶族中唯一的晶系，等軸晶系的寶石為均質(zhì)體，

6、其光率體是一個圓球體，所以通過光率體中心的任意三個互相垂直的直徑都可以與三個結(jié)晶軸相當(dāng)。球體半徑代表折射率的大小。中級晶軸中級晶軸晶體只有一個高次軸（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稱軸（C軸）相一致，無論是正光性晶體，如石英，還是負光性晶體，如方解石，都是光率體的光軸與晶體的C軸一致。4.光性方位中級晶族低級晶軸斜方晶系晶體的最高對稱要素為3L23PC，所以斜方晶系的光性方位是：光率體的三個主軸與晶體的三個結(jié)晶軸相重合，至于是那一個主軸與那一個結(jié)晶軸重合，因晶體不同而不同。如寶石黃玉是：Nm=Y軸，Ng=Z軸，Np=X軸。（NgNmNp）。單斜晶系晶體的最

7、高對稱要素為L2PC。在晶體定向時，如取b為唯一軸，此時b軸方向包含二次對稱軸與對稱面的法線重合，它可與光率體三個主軸之一重合，其余二主軸與結(jié)晶軸斜交。究竟那一個主軸與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。低級晶軸三斜晶系的對稱程度最低，只有一個對稱中心或只有一個一次旋轉(zhuǎn)軸，三個結(jié)晶軸互相不垂直，故三斜晶系的光率體的三個主軸與結(jié)晶軸斜交，其斜交角度因晶體而異。4.光性方位低級晶族各晶系與光學(xué)性質(zhì)的關(guān)系表對稱 光性 一軸晶 非晶質(zhì)、等軸晶系只有一個折射率值n（光學(xué)上各向同性） 一軸晶三、四、六方晶系 有兩個主折射率值：No和Ne，一軸晶正光性NoNe。

8、二軸晶 斜方、單斜、三斜晶系 有三個折射率：Np、Nm、Ng，二軸晶正光性NgNm NmNp；負光性NgNm no ，稱為正吸收；反之ne nmnp時，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。 （4）玻璃光澤等 具玻璃光澤的寶石礦物，其R=1

9、0%-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。（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）土狀光澤一些細分散的多孔隙的寶石礦物因?qū)獾穆?/p>

10、射或散射而呈現(xiàn)一種暗淡的土狀光澤，如風(fēng)化程度較高的綠松石。（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，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。（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。鉆 石： 金剛光澤鋯 石：亞金剛光澤 石榴石：強玻璃光澤至亞金剛光澤 托帕石：玻璃光澤 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

11、珠光澤 如：（養(yǎng)殖）珍珠 土狀光澤 如：劣質(zhì)的綠松石綠松石：蠟狀光澤 珍 珠： 珍珠光澤 琥 珀：樹脂光澤 木變石：絲絹光澤 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，光澤可以提供一些重要的信息。尖晶石、石榴石、鋯石；海藍寶石、托帕石。2.光澤在寶石鑒定中的另一個應(yīng)用是對拼合石的鑒定（如石榴石、玻璃拼合石），包括對貼皮翡翠毛料的識別。 3.光澤可以反映寶玉石的質(zhì)地細膩均勻度，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度。拋光精良的寶玉石光澤好。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

12、射光的強度為I。，當(dāng)光穿過一定厚度的介質(zhì)后，強度減弱到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。 在寶石的肉眼鑒定中，通常將寶石的透明度劃分為五個級別。 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。目前珠寶界對透明度級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 不透明透明寶石 水晶 綠柱石 托帕石 煙晶人體雕件 亞透明寶石半透明寶石月光石瑪瑙亞半透明（微透明）寶石 軟玉岫玉翡翠綠松石 青金石 不透明寶石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）第十節(jié) 寶石的發(fā)光性寶石的發(fā)光性是指寶石在外來能量的激發(fā)下，發(fā)出可見光的性質(zhì)。能激發(fā)發(fā)光的因素很多，如摩擦、加熱、陰極射線、紫外線、X射線等。熒光：寶石在受外界能量激發(fā)時發(fā)光，激發(fā)源撤除后