第2章宝石的基本特性

第二章宝石的基本特性•第一节宝石的光学性质•第二节宝石的力学性质•第三节其它物理性质•第四节宝石中的包裹体第一节宝石的光学性质•一、宝石的颜色•二、宝石的光泽和透明度•三、宝石的折射率和色散•四、宝石的多色性•五、宝石的发光性•六、宝石的特殊光学效应光与宝石的关系示意图产生的效应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光宝石相互作用一、宝石的颜色•研究意义：–宝石颜色是评价宝石质量和价值的重要依据；–不少宝石的特有颜色可作为重要鉴定特征；–了解宝石颜色的致色原因，对宝石的合成、改色、鉴别等工作都一定的指导意义。1、颜色的本质•颜色是具有一定波长的电磁波。一定波长的可见光，会呈现一定的颜色。•在整个电磁波谱中，能引起人眼视觉的可见光只是一小部分，一般取400~700nm波长作为可见光的范围（实际范围可达380~780nm）。•单色光的波长由长到短，对应的颜色感觉由红到紫。红色770——620nm绿色530——500nm橙色620——590nm青色500——470nm黄色590——560nm蓝色470——430nm黄绿560——530nm紫色430——380nm•日常见到的自然光，就是由以上几种色光混合而成的白光。•将各种色光的颜色排成扇形圆环图，任意一对对角扇形区两种颜色的色光，都可以适当比例混合成为白光，这两种颜色称为互补色。红橙黄黄绿绿蓝靛紫•颜色表示方法：–波长（λ）单位：纳米（nm）–能量（E）单位：电子伏（ev）E(ev)×λ(nm)≈1240–400nm紫光相当于3.10ev;700nm红光相当于1.77ev–即可见光的能量范围大致为1.77~3.10ev。波长越短，能量越大。700nm400nm•宝石颜色是宝石对不同波长的可见光选择性吸收的结果。•当可见光（白光）照射宝石时：–如果宝石选择吸收了某些波长的色光，则宝石呈透射或反射色光的混合色，相当于被吸收色光的补色或补色的混合色；–如果宝石普遍均匀的吸收所有色光，则宝石随吸收程度不同而呈黑、灰或白色；–如果所有的色光都有通过宝石，则宝石呈无色透明。宝石的颜色白光2、宝石颜色的致色机理•五种机理：–过渡金属离子的内部电子跃迁致色–离子间的电荷转移致色–色心致色–能带间的电子跃迁致色–物理光学致色（1）过渡金属离子的内部电子跃迁致色•当宝石组分中含有：Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等，都是宝石产生颜色的物质基础，称为“色素离子”。•这类离子存在d轨道上未成对的单电子，受到周围配位体阴离子电子云影响，d轨道的能级会发生分裂，所产生的能量差值可能与某种波长的可见光能量相当。•当白光入射宝石晶格，d电子受到相同能量光波激发，从基态（低能轨道）跃迁到激发态（高能轨道），这部分光波的能量转移给被激发电子，即吸收，其余光波透射或反射出宝石，混合呈色。吸收光能释放光能放热吸收ACD红宝石的呈色机理•成分：Al2O3含Cr2O3•Cr3+→Al3+有3个d电子基态e激发态•吸收紫光、绿-黄光•通过红光、蓝光（少量）•呈红色、紫红色（2）离子间电荷转移致色•在晶体结构中，相邻离子间在外来能量（光能）作用下，可使电子从一个原子的轨道跃迁到另一个原子轨道上去，即离子间发生电荷转移。•离子间电荷转移分三类型：–非金属离子——金属离子–金属离子——金属离子–非金属离子——非金属离子e蓝宝石的致色原因•蓝宝石成分：Al2O3含Fe2+、Ti4+等杂质。Fe2+——Ti4+电荷转移•吸收红、黄光，呈蓝色。（3）色心致色•色心：可以吸收光波的晶体结构缺陷。•主要有两种：–缺失原子（缺位）——受放射性幅照捕获1个电子形成电子色心；–额外原子（填隙原子）——受放射性幅照激发1个电子形成空穴色心。•两者结果都造成有不成对的电子而发生能级分裂，吸收光波产生颜色。例：紫色萤石的致色原因•萤石成分：CaF2•由于Ca2+含量过高和受放射性幅照影响，造成F–缺位而为电子占据——电子色心。•该色心吸收黄绿光波，使萤石呈紫色。F-F-F-F-F-F-Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+F-e-F-F-F-F-Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+例：烟晶的致色原因•成分：SiO2•Si4+←Al3+﹢H+(Na+)•受辐照后，Al3+邻近的Oˉ的1个价电子被激发离开其轨道，出现未配对电子——空穴色心。•产生极强的紫外——可见光范围的吸收，呈烟灰色。O2-O2-O2-O2-O2-O2-Si4+Si4+Si4+Si4+O2-O1-O2-O2-O2-O2-Si4+Al3+Si4+Si4+H辐照（4）能带间的电子跃迁致色根据能带理论，晶体中的电子按能量高低分别位于各能带中。被电子占满的能带称为满带，未占满的称为导带，导带的能量较高。各能带间有一能量间隙，称为禁带。电子可以由满带向导带跃迁，但必须吸收超过中间的禁带宽度所代表的能量才能发生。满带（价带）-充满面电子导带——未充填满电子禁带宽度-两能带间能量差ev禁带满带——已充满电子Eg能量原子轨道原子能级能带•处在价带顶部的电子当受到大于Eg的外来能量（可见光）激发，可跃迁到导带。吸收可见光能量而使晶体产生颜色。能带理论所解释的宝石颜色致色原因颜色矿物实例禁带宽度Eg低于可见光能量紫-蓝色黄色红色白色铜蓝金、黄铁矿铜银、铂禁带宽度Eg在可见光能量范围内红色赤铜矿、辰砂禁带宽度Eg大于可见光能量纯净无色金刚石、刚玉、绿柱石石英、黄玉、萤石由微量组分引起的颜色蓝色黄色Ⅱb型金刚石（含硼）Ⅰa型金刚石（含氮）（5）物理光学致色•指由于宝石内部的结构、构造、裂隙、包裹体等因素，对光发生物理光学作用而使宝石呈色。•这些作用主要有：1）干涉作用致色2）衍射作用致色3）散射作用致色4）有色包体致色1）干涉作用致色•干涉：当两光线相遇而叠加沿同一路线传播时，由于彼此的位相原因造成光波相互增强或抵消的一种光学现象，其效果是产生非纯正光谱色。•常见于有裂隙、薄层包裹体或具不同物质薄层结构的材料。•例一：晕彩石英，由于存在充填于裂隙中的气、液薄膜，呈现虹彩。•例二：珍珠，两种折射率不同的物质（珍珠层和有机质层）呈同心层状交替构成，对光层层反射和折射，相互干涉产生晕彩。2）衍射作用致色•衍射：为光干涉的一种特殊类型。•产生衍射的宝石具有规则的不同折射率的交替层堆积，当白光与之相互作用时发生光波的定向传播，其效果产生纯正光谱色。•这种现象主要见于欧泊：3）散射作用致色•宝石材料内部结构不规则、或粒度超出衍射限定范围（约100~400nm）、或含直径大于可见光波长的包裹体、微晶微裂隙或气泡，入射光线与这些不符合衍射条件的物质界面相互作用，造成光在不同方向上的反射而呈现颜色。•例：普通蛋白石、乳石英等。4）有色包裹体致色•宝石材料中含有有色包体杂质，因它们的体色影响，使宝石呈现出相应的颜色。•例如，石英中可含蓝线石包体而呈蓝色、日光石因含红色赤铁而呈红色等。二、宝石的透明度和光泽•（一）宝石的透明度•（二）宝石的光泽（一）宝石的透明度•透明度：指宝石充许可见光透过的程度。•有关因素：•①宝石晶体的透明度与其化学成分和结构有关。•金属晶格内部存在较多自由电子，电子跃迁会吸收大量光波，透过光少，故透明度低或不透明如赤铁矿；•原子晶格和离子晶格内不存在自由电子或较少，则对光波的吸收少，透明度较高，如钻石具典型的原子晶格。②与宝石中的杂质、包裹体、裂隙、厚度和自身颜色，以及表面是否光滑等因素有关。③玉石的透明度与组成矿物的透明度和颗粒结合方式有关。组成矿物的粒度越不均匀、排列越杂乱、颗粒边缘越不平直，则内部颗粒之间的界面对光线的折射、散射越强，透明度越低。即使主要由透明矿物组成的玉石也常可表现出较低的透明度。宝石透明度分级–宝石的透明度通常是对加工成一定规格大小的成品而言。•分级标准（五级）：（1）透明：可充分透光，隔着宝石可清晰透视另一侧物体，如优质钻石、水晶等；（2）半透明：可较好地透光，可透视物体，但不清淅，如电气石、月光石等；（3）亚透明：可较差地透过部分可见光，不能透视物体，如优质翡翠、软玉、岫玉、玉髓等；（4）半亚透明：透光很少，或光线只能透过宝石薄片，如玛瑙、黑曜岩、天河石等；（5）不透明：基本不能透过可见光，即使磨成薄片也不透明，如青金石、孔雀石等。目前珠宝界对透明度级别的划分逐渐趋于三分法，即划分为透明、半透明、不透明三个级别。（二）宝石的光泽•光泽：指宝石表面对可见光的反射能力。但对透明度很高的宝石来说，其光泽应是反射光量（主要）和透射光量（次要）的总和。•宝石光泽的强弱取决于宝石的折射率（N）、吸收系数（K）、反射率（R）。它们的关系如下：透明宝石R=(N-1)2/(N+1)2不透明宝石R=[(N-1)2+K2]/[(N+1)2+K2]•此外，宝石的抛光质量、表面平整程度、集合体的结合方式（如石英岩和虎睛石）等因素也会影响宝石光泽强弱。宝石光泽分级根据折射率（N），分为：金属光泽N﹥3赤铁矿半金属光泽N=2.6~3.0金红石金刚光泽N=2.0~2.6金刚石半金刚光泽N=1.9~2.0锆石强玻璃光泽N=1.7~1.9金绿宝石、钙铝榴石玻璃光泽N=1.54~1.70尖晶石、电气石、水晶半玻璃光泽N=1.21~1.54欧泊、萤石•油脂光泽：由于极微细的粗糙表面（抛光面或断面）使光线漫反射而显示油脂般的反光现象。如软玉、蛇纹石玉、石英断口等。•蜡状光泽：由隐晶质块体或微细颗粒表面对光线漫反射而呈现出蜡状反光现象，较油脂光泽弱。如绿松石、玉髓等。宝石的特殊光泽•树脂光泽：由于质软或折射率低，呈现出如同树脂般的微弱反光现象。如琥珀、塑料等。•丝绢光泽：由于具有纤维状结构或构造，各纤维的反射光相互影响而呈现出丝绢般的反光现象。如木变石、纤维石膏等。•珍珠光泽：为珍珠特有的光泽，因具有细微的同心层状结构，对光层层反射干涉而呈现出朦胧的晕色光泽。其它某些具有细微平行层面结构的宝石材料有时也可出见类似的光泽，如月长石等。•沥青光泽（煤玉）和土状光泽（劣质绿松石）三、宝石的折射率和色散•（一）折射率•（二）双折射率•（三）色散（一）折射率•当光线从空气（光疏介质）传播到宝石（光密介质）表面时，一部分光线按反射定律返回空气，一部分光线按折射定律进入宝石：–反射定律：反射角等于折射角，r′=i–折射定律：折射角小于入射角，r=iir′r•根据折射定律：宝石的折射率N为光在空气中的传播速度Vi与光在宝石中的传播速度Vr之比，它等于入射角i的正弦与折射角r的正弦之比，是一常数。•例：已知光在空气的传播速度为300000km/s,在钻石中的传播速度为123967km/s,则钻石的折射率为：N=ViVr=SinisinrN钻石=300000km/s123967km/s=2.42•宝石折射率与光在晶体中的传播速成度成反比。传播速度越小，折射率越大；反之，则越小。•折射率是宝石的一种稳定光常数，各种宝石都有其固定的折射率值，故是鉴定宝石的重要依据。例如：钻石2.42红宝石1.762~1.770黄玉1.619~1.627水晶1.544~1.553结晶质：内部质点作规则排列，即具格子状构造。结晶质在空间的有限部分称为晶体。非晶质：内部质点不作规则排列，即不具格子构造。如玻璃。称为非晶质体。等轴晶系四方晶系六方晶系三方晶系斜方晶系单斜晶系三斜晶系（二）双折射率•均质体宝石：–光学上各向同性，等轴晶系、非晶质体。–单折射，只有1个折射率值N。N单折射•非均质体宝石：–光学上各向异性的介质，除等轴晶系外的其它六个晶系。–双折射，有多个折射率值：•一轴晶（四方、三方、六方晶系），二个主折射率Ne、No。–NeNo，正晶；NeNo，负晶。–Ne-No，双折射率。•二轴晶（斜方、单斜、三斜晶系），三个主折射率Ng、Nm、Np。–Ng-NmNm-Np，正晶；–Ng-NmNm-Mp，负晶。–Ng-Np，双折射率。NeNo双折射•双折射率很大的宝石材料，可呈见出明显的双影现象，如冰洲石(0.172)、金红石(0.287)、锆石(0.059)等。•双折射率也是鉴定宝石的光学数据。•双折射双影现象及