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§3宝玉石的物理化学性质§3.1晶体和晶系水晶和金刚石水晶金刚石一、晶体和非晶体1．晶体格子构造:不论晶体外部形态如何，其内部质点（原子、离子、或分子）都是有规律排列的。这种规律表现为同种质点作周期性的重复，构成了所谓的格子构造。抽象地选取晶体中任一个质点作为相当点，相当点的分布规律可以体现晶体构造中所有质点的重复规律。三度空间中相当点的格子状排列就称为空间格子。隐晶质:一些矿物，虽然其内部原子结构作有序排列，但不具外部规则的几何形态，它们由无数的微晶组成，但这些微晶尺寸很小，甚至用普通显微镜都无法观察到，这些矿物称隐晶质，如玉髓、软玉、绿松石等。红玉髓吊坠晶体：晶体是具有格子构造的固体，晶形的充分发育可导致其外部晶面呈规则的几何形态(由晶面、晶棱、角顶构成)。多晶质:一些矿物也是由细小的晶体组成，然而其组成晶体可用放大镜、甚至肉眼观察到，这些矿物称多晶质，如翡翠、独山玉等。独山玉雕2.非晶质有些貌似固态的物质,它们内部组成质点不作规则排列，即只按短程有序排列，不具格子构造，因而没有规则的几何外形，这类物质称非晶质或非晶质体。从内部结构的角度看，非晶质体中的质点分布类似于液体。如火山玻璃、玻璃、蛋白石、琥珀和松香等。蒙镶琥珀烟壶蛋白石晶体具有固定的熔点，而非晶体无明显的熔点；晶体呈现各向异性，而非晶体是各向同性的；晶体具有自范性，即它通常能以平面作为其与周围介质的分界面，具有形成规则多面体外形的倾向，非晶体无自范性；晶体还具有高度的对称性，非晶体无对称性。晶体和非晶体物理性质的差异晶体与非晶体之间的宏观性质上的差异，是由微观结构的不同所引起的二、晶系为描述晶体的形态，假设有某些固定线作为描述格点相对位置的坐标系统，这个坐标系统可认为是无限长的假想线，沿着晶体某些限定方向穿过理想晶体。它们相交在晶体内部被称为原点的一个点上。这些假想的线称为晶轴，根据晶轴的长短，相互之间的交角和晶体的对称性，晶体共分七大晶系。任何晶体所属的晶系均可由晶轴的数目、相对长度及夹角来确定。1．等轴晶系（立方晶系）晶体中有三个晶轴(直立轴是c轴、前后轴是a轴、左右轴是b轴)三轴长度相等，垂直相交，即a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°。理想的晶形是立方体、八面体、菱形十二面体和由许多小面组成近圆的球型。等轴晶系萤石青金石属于等轴晶系的主要宝石有钻石、萤石、石榴石、青金石等2．四方晶系3个相互垂直的晶轴，其中2个晶轴长度相等，另一个不等，不等的晶轴为纵轴，两个相等的晶轴为横轴，即a＝b≠c，α＝β＝γ＝90°。理想的晶形是四方柱和四方双锥。四方晶系符山石锆石四方晶系代表宝石有锆石、方柱石和符山石等3．六方晶系3个或4个晶轴，以4晶轴表示法为例，其纵轴或主轴（c轴）比其他3个相等的晶轴长或短，3个相等的晶轴相互以120°相交，纵轴垂直于3个相等晶轴组成的平面，即a1=a2=a3≠c,α=β=90°，γ=120°。如用三晶轴表示，则为a=b≠c，α＝β=90°,γ=120°。六方晶系理想的晶形是六方柱和六方双锥,代表的宝石有绿柱石、磷灰石和蓝锥矿等绿柱石蓝锥矿4.三方晶系（菱方晶系）与六方晶系相似，但其对称程度较低。a＝b＝c，α＝β＝γ≠特殊角。理想的晶形是三方柱、菱面体。代表性宝石有刚玉、石英、电气石、硅铍石、方解石和菱锰矿等。三方晶系方解石刚玉（红宝石）硅铍石5.斜方晶系(正交晶系)晶体具有3个不等长的晶轴，彼此相互垂直，即a≠b≠c，α=β=γ=90°。其中最长的主轴（c轴）直立，其他两个晶轴水平。理想的晶形是柱状和柱状双锥。斜方晶系顽火辉石代表性宝石有红柱石、金绿宝石、堇青石、橄榄石、托帕石（黄玉）、黝帘石、顽火辉石等黄玉黝帘石6.单斜晶系三个轴不等长，两轴相互垂直，一轴斜交。即a≠b≠c，α=γ=90°，β≠90°。属这个晶系的宝石有翡翠、软玉、紫锂辉石、月光石、透辉石、孔雀石、蛇纹石等。单斜晶系紫锂辉石透辉石7.三斜晶系三轴不等，皆相互斜交，即a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°。常见的宝石仅有日光石。三斜晶系§3.2宝石的光学性质宝石的光学性质在宝石鉴定、评价以及设计加工中的意义1.宝石的颜色、光泽以及所具有的一些特殊的光学效应都是光与宝石相互作用的结果；2.对宝石的鉴定，一般要求无损伤鉴定，所依据的主要是宝石的光学性质，如折射率、双折射率等；3.为了最大限度地体现宝石的美，必须将宝石所能产生的最吸引人的效果显示出来，为此，在宝石加工中必须充分了解宝石的光学性质。光宝石影响最佳加工琢型及比例评价宝石的重要依据鉴定宝石的理论基础及方法产生的效应相互作用一、光的本质光的本质是电磁波，它既具有波动性，又有粒子性。电磁波的振动方向垂直于传播方向，即光波是横波，并可用波长、波幅来表示。电磁波谱二、自然光和偏振光1．自然光根据光振动的特点不同，可将光分成自然光和偏振光。自然光是一切普通光源所发出的光波，如太阳光和电灯光等，它们是光源中大量分子或原子辐射的电磁波的混合波。混合波中的光振动不是只沿一个方向，而是在垂直光传播方向的平面内的一切方向都有光振动。自然光的振动与传播方向通过偏光片的自然光A．自然光B．偏光片C．偏振光2．偏振光自然光经过反射、双折射，或通过特制的偏光片以后，改变了光的振动方向，使其成为只在一个固定方向振动的光波，这种光波为平面偏光，简称偏振光或偏光。三、光的折射、全反射和折光率1.光的折射折射定律：光由光疏介质到光密介质时，光的传播方向向法线方向折射，入射角大于折射角(γβ)；光由密介质向疏介质传播时，向远离法线方向折射，入射角小于折射角(γβ)，入射角的正弦与折射角的正弦之比为一常数；入射线、折射线，法线在同一平面内。光由光疏质向光密质传播图光由密介质向疏介质传播2．折光率和全反射真空中的光速与介质中的光速之比，称为该介质的绝对折光率。通常所说的折光率（refractiveindex），一般指的就是绝对折光率。由于光在空气中与在真空中的光速非常接近，因此实际上一般以空气中的光速与某介质中的光速之比称为该介质的折光率。入射角正弦与折射角正弦之比，等于光在入射介质中的速度与折射介质中的速度之比，是一个常数，即折光率sinsinvvN21＝钻石和水晶的折光率分别为：2.42123967km/s300000km/svvN21光在钻石中的传播速度光在空气中的传播速度钻石＝55.1s/km193548s/km300000N＝水晶光由光密质向光疏质传播时，折射光将偏离界面的法线方向，当入射角达到某一临界角度时，折射角将达到90°，折射光延界面传播，这时入射角就是“临界角”。如果入射角稍大于临界角，入射光就全部反射回原来的密介质中。这种现象称之为全反射。全反射和临界角常见的宝石临界角：钻石24°25´，红宝石、蓝宝石43°37´，尖晶石35°36´，黄玉37°50´,水晶40°50´正确切割的宝石宝石太浅，光从亭部漏掉宝石太深，光从亭部漏掉四、光在均质体及非均质体中的传播1．均质体均质体也称各向同性体。均质体的宝石，在晶体的不同方向格子构造的排列相同。光在其中传播有两个特点：光从任意方向进入均质体时，各方向光速相等，折光率相等；光在其中传播，光的振动方式不变。自然光进入均质体仍为自然光，偏振光进人仍为偏振光。属均质体的宝石有等轴晶系和非晶质体宝石。自然光和偏振光在均质体中的传播2．非均质体和双折射非均质体也称各向异性体，除等轴晶系以外的其他各晶系都属于非均质体。无论入射光是自然光还是偏光，当进入非均质晶体时，会产生振动方向相互垂直而又同时垂直于光波的传播方向的两束折射光，且都是偏光；同时，两者在晶体中的传播速度除特殊情况外（光轴方向）也不等，相应地便有两个大小不等的折射率，此种现象称为双折射(doublerefraction)。自然光射入非均质体后的现象最大折光率值和最小折光率值间的差值，称为双折射率（birefringence）。双折射及双折射率是识别宝石的主要特征之一，如石英最大区别的折光率分别为1.544和1.553，因此，其双折射率等于1.553-1.544=0.009。高的双折射率在宝石中的表现由宝石台面向亭部的底刻面棱角处放大观察，转动宝石就会见到棱线呈现的双影。方解石的双折射现象锆石也因为双折射率较高，放大检查时，可明显地看到刻面棱线呈双影。合成金红石五、一轴晶、二轴晶1.光轴自然光在非均质晶体中传播，一般情况下均发生双折射现象，但也有一个或两个不发生双折射的方向，不发生双折射的方向就是该晶体的光轴方向，也称为光轴。2．一轴晶在非均质晶体中，只有一个方向不发生双折射的晶体，称一轴晶。属一轴晶的宝石有四方晶系、三方晶系和六方晶系。一轴晶晶体有两个折光率No和Ne，其中一个方向保持不变为常光（No），这个方向为光轴方向，它与晶体中的c轴平行一致；另一个折光率随晶体转动有所变化，当振动方向平行于光轴时，其折射率达到最大值（例如在石英等晶体中）或最小值（例如在刚玉等晶体中），称非常光（Ne）。两者的差值Δ则为晶体的双折射率，当No＞Ne时，为一轴负晶，当NeNo时为一轴正晶。No、Ne及Δ都是每种一轴晶的特征性光学常数。3．二轴晶在非均质晶体中，具有两个光轴的晶体，称为二轴晶。两光轴所在的平面称为光轴面（opticaxialplane）,两光轴间的夹角成为光轴角（opticaxialangle），记为2V。二轴晶包括斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系的宝石。这三个晶系的晶体，光在三个方向传播速度均不相同，故属二轴晶的晶体有三个折光率：Ng、Np、Nm。在二轴晶中，光沿任一光轴传播时均不发生双折射，并具有同一折射率Nm；光沿其他方向传播时均发生双折射，且两个偏光的振动方向和对应的折射率均随光传播方向的改变而改变，其一大于Nm而另一个小于Nm；当光的传播方向与光轴面垂直时，2个折射率分别达到最大值Ng和最小值Np。其双折射率Δ＝Ng－Np。Ng、Np、Nm、Δ及2V都是每种二轴晶的特征性光学常数。六、颜色1．颜色宝石的颜色是宝石对可见光区域内（400－700nm)，不同波长的光选择吸收后，透射或反射出光的混合色。可见光光波波段是：紫色400－450nm蓝色450－480nm青色480－510mn绿色510－550nm黄色550－590nm橙色590－630nm红色630－700nm2．三原色不同颜色的光源叠加在一起呈现的颜色，我们称之为加色。物体对可见光选择吸收后透射（反射）出的颜色，我们称之为减色，也就是宝石的颜色。国际上统一使用的标准白色光源的色温是6500°K，是由三束能量近似相等的三色光源——红光、绿光、蓝光混合而成。红色、绿色、蓝色就称之为三原色。三原色含量不同，宝石的颜色也就不同。3．颜色的三要素色调（色相colorhue）所有宝石的颜色可分为彩色与非彩色两大类。非彩色的表示宝石是黑、白及各种灰色。彩色的有红、黄、蓝等颜色。色调是指彩色的类别，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等，通常以主波长表示。例如某宝石色调的主波长是589nm，表明宝石颜色相当于波长589nm的橙黄色；另一个宝石色调的主波长为550nm，它也是黄色，但与前一种不同，它较偏绿。红宝石：红色中带玫瑰色调红色尖晶石：红色中带冷灰色调红色石榴石：红色中带褐色调红色碧玺：红色中带粉色调饱和度（纯粹度或彩度saturation）是指颜色的鲜艳程度。通常用色光与白光的比例来定量表示。例如主波长650nm，饱合度60％的色光，主波长说明它是深红色，饱合度说明它相当于60％波长为650nm的深红光加40％的白光混合而成。它看起来不如100％的650nm深红色光那样鲜艳，但比饱和度低于60％的要鲜艳。亮度（brightness）亮度即彩色的明亮程度。宝石戒面的亮度取决于4个方面：宝石本身折光率的大小；宝石翻面款式的设计是否合理，也就是说底刻面的每个小面是否能将入射光全部反射到台面上来；宝石表面是否光洁；宝石颜色的浅深，一般色浅的亮度高，色深的亮度低。综合三个要素，色调纯正、亮度大、饱和度高的宝石为佳品。翡翠项链珠子直径：15.09－15.84mm8000万港币，1997.