I-2 宝石的物理学基础II

第二章宝石的物理学基础

5/16/202411.星光效应2.猫眼效应3.变彩效应4.月光效应5.变色效应6.砂金效应（八）特殊光学效应5/16/202421.星光效应现象：以弧面形切磨的某些珠宝玉石在垂直于晶体光轴的断面上显光芒四射的星光的现象。常为四射或六射星线。

星光蓝宝星光红宝星光效应常见于红宝石和蓝宝石

5/16/20243星光宝石

星光效应5/16/20244星光宝石有反射星光和透射星光两种。透射星光少见，在芙蓉石宝石中有见到（六射透射星光）。星光普通辉石星光尖晶石5/16/20245星光效应成因：多数是由于含有密集平行排列的针状、管状或片状包体对光的反射、折射引起的。5/16/20246星光效应宝石四射六射备注铁铝榴石（等轴晶系）++可显示多个星刚玉（三方晶系）+偶见12星合成刚玉（三方晶系）+透辉石（单斜晶系）+不对称射线正长石（单斜晶系）+尖晶石（等轴晶系）++可显示多个星石英（三方晶系）+可显示多个星常见的星光宝石

5/16/202472.猫眼效应

机理：含大量纤维状矿物（如角闪石、金红石等）包裹体，从而能在金黄色或绿色背景上造成闪变丝绢光泽的虎眼石或猫眼石效果。虎睛石猫眼效应猫眼石常见矿物：金绿宝石木变石5/16/202485/16/20249形成条件：

(1)平行密集排列的纤状、针状矿物或管状气液包体；

(2)平行纤、针、管状包体切磨成弧面型

(3)包裹体与主晶有折射率差值。成因：主要由反射、折射引起。猫眼5/16/202410显示猫眼效应的宝石

序号宝石名称序号宝石名称序号宝石名称1磷灰石7石榴石12方柱石2绿柱石8石英13透闪石3金绿宝石（包括变石）9虎睛石14阳起石4顽火辉石10电气石15玻璃5长石（特别是正长石）11柱晶面16二层石5/16/202411变彩效应3.变彩效应

光从某些特有的结构反射出时，由于干涉或衍射作用而产生的颜色或一系列颜色，随观察方向不同而变化的现象。如欧泊。

5/16/202412欧泊5/16/202413成因：宝石的特殊结构对光的干涉、衍射作用产生颜色。因为随着光源或观察角度的变化，颜色也改变，这种现象称为变彩。黑欧泊5/16/202414欧泊序号宝石名称序号宝石名称1蛋白石7玛瑙2合成蛋白石8拉长石3拼合石9珠母4塑料10贝壳大理岩5玻璃11破裂或劈裂的宝石可显示变彩的宝石5/16/2024154.月光效应

宝石内部的包体或结构特征反射出的光所产生的一种漫反射效应称月光效应。如：月光石是由折射率稍有不同的正长石和钠长石平行交叉的超微细结构，产生漂浮状的淡蓝色或白色光彩。

序号宝石名称1顽火辉石2长石（正长石）3黑耀岩4合成尖晶石5玻璃、二层石5/16/202416成因：宝石中极微小的包体、固溶体结构，或点缺陷，晶体位错、孔隙等对光的散射而产生。橙色、蓝色月光石乳光5/16/202417散射粒子<400nm时，散射光带蓝色，这是因为对短波散射光强度较大的结果；>700nm时，乳白色，在光波前进方向散射光波最强，而其他方向散射光弱，因此蓝光或乳光只出现在宝石某一区域。除月光石外，水晶、英蓉石、白色玛瑙、浅淡颜色岫玉均可以有月光效应。5/16/2024185.变色效应在不同光源照射下，样品呈现明显颜色变化的现象称为变色效应，常用日光和白炽灯两种光源进行观察。如变石。在钨丝灯光或烛光中与红光相当的能量多，宝石显红色；在日光和荧光中绿光能量多，宝石显绿色。日光灯下的变石钨丝灯下的变石5/16/202419成因：变石具有两个透光区，一个是绿色波段，一个是红色波段，日光中绿色成分偏多，钨丝白炽灯红光成分多，所以日光下呈各不相同绿色，灯光下呈各不相同的红色。具变色效应的宝石除变石外还有：蓝宝石、石榴石、尖晶石、萤石、蓝晶石等人工宝石具有变色效应的有：合成刚玉、合成尖晶石、CZ、玻璃、合成变石等。5/16/2024206.砂金效应：当透明宝石中含有不透明的固体包裹体时，不透明的包裹体对可见光发生反射作用，呈现星点状反光的现象叫砂金效应，也称日光效应。成因：主要由反射作用引起。日光石：赤铁矿、针铁矿；东陵石：云母、铬云母；人造砂金石：铜小晶片。

日光石5/16/202421（九）宝石的折射与双折射

1.光的反射2.光的折射与宝石的折射率（RI）3.宝石的双折射4.色散

5/16/202422光的反射1.光的反射

当光遇到物质抛光面发生反射时,入射角等于发射角。

5/16/202423光的折射2.光的折射光线从一种介质进入另一种介质使光线发生偏离的现象。

当光从空气斜射入水或玻璃中时，折射角小于入射角当光从水或玻璃斜射入空气中时，折射角大于入射角5/16/202424全内反射当一条光线从光密介质进入光疏介质时，光线偏离法线折射，且折射角总是大于入射角。当入射角增大到足以使折射线沿两介质之间的分界面通过时（即折射角为90度），则这个入射角称为临界角。当入射角>临界角时，则光线发生全内反射，并留在光密介质中。

5/16/202425光线在两种介质中传播宝石折射仪工作原理建立在全内反射原理的基础上全内反射5/16/202426折射仪工作原理宝石折射仪的工作原理都是建立在全内反射原理的基础上。宝石为光疏介质，而折射仪中的玻璃棱镜为光密介质。5/16/202427宝石的折射率（RI）

按照折射定律，入射角的正弦与折射角正弦之比为一常数。当一个物质的RI与另一个物质的RI对比时，我们常将真空作为一个介质，将其常数定位1，即折射率为1。实践中，通常用空气作为标准介质，它的RI=1.00029。不同宝石具有不同的折射率。宝石在款式设计和加工过程中，充分利用宝石的折射率。如对金刚石的加工，标准的钻石冠部角度应是34°30’，亭部角度应是40°45’，这样才能充分利用钻石的折光率，显示出耀眼的光辉。5/16/202428

在标准宝石折射仪上RI的读数范围从1.3-1.8，对于钻石RI=2.4175,折射率的测定用处不大。

钻石极高的RI是导致成品钻石的反射性能和色散（火彩）的因素之一。5/16/202429部分宝石硬度、比重、折光率一览表（1）

矿物名称宝石名称硬度（H）比重（G）折光率（N）金刚石钻石103.47-3.552.42绿柱石祖母绿7.5-82.67-2.781.56-1.60蓝晶7.5-82.65-2.851.57-1.58金绿宝石猫眼8.53.5-3.71.74-1.76刚玉红宝石93.99-4.021.76-1.77蓝宝石93.97-4.081.76-1.77蛋白石欧泊5-61.98-2.201.44-1.46石榴子石紫鸦乌6.5-7.53.5-4.21.74-1.89长石月光石62.56-2.621.52-1.53电气石碧玺7-7.52.9-3.21.62-1.65宝石的硬度一般大于6折光率相差不大5/16/202430矿物名称宝石名称硬度（H）比重（G）折光率（N）尖晶石大红宝石7.5-83.5-3.71.71-1.74石英猫眼勒子石9.5-72.651.54-1.55金绿宝石变石8.53.70-3.721.74-1.76橄榄石橄榄石6.5-73.3-3.51.65-1.70黄玉或黄晶托帕石83.53-3.561.61-1.64水晶水晶72.651.54-1.55硬玉翡翠6-6.53.3-3.41.54-1.77软玉玉5-62.9-3.11.60-1.63绿松石松石5-62.6-2.851.61-1.65玛瑙玛瑙7-7.52.6-2.651.54-1.55孔雀石孔雀石3.5-43.75-4.051.66-1.91蛇纹石岫玉5-5.52.4-2.81.56-1.57部分宝石硬度、比重、折光率一览表（2）

5/16/202431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。3.宝石的双折射单折射单折射——均质体双折射——非均质体5/16/202432折射均质体宝石：

5/16/202433非均质体宝石：双折射5/16/202434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。双折射双影现象及其明显程度可作为肉眼鉴别非均质体宝石的标志。5/16/2024354.色散白光分解成它的若干组成色（若干波长）之现象。当一束白光透过物体的斜面（如玻璃棱镜或宝石斜小面），通常产生彩虹光谱。有时称为“火彩”。红橙黄绿青兰紫5/16/202436棱镜分光原理图解：ir5/16/202437戴比尔斯集团百年纪念钻石重273克拉5/16/202438色散通常用弗朗霍夫光谱B线（B=687nm）和G线（G=430.8nm）相当的光所测得折射率的差值来表示。

钻石的色散为0.044，比所有其他天然无色宝石都高。许多合成无色宝石具有比钻石更高的色散，故可用于仿钻。矿物色散矿物色散锰铝榴石0.027榍石0.051钇铝榴石0.028翠榴石0.057锆石0.039立方氧化锆0.065铅玻璃0.041钛酸锶0.19金刚石0.044合成金红色0.28显示明显色散的宝石5/16/202439

一些有色宝石具有色散能力，但只有极少数能观测到色散。因为，这种宝石的“火彩”常被体色所掩盖。影响宝石色散现象（火彩）的因素：①宝石材料本身必须具备足够大的色散值。一般色散值在0.03以上的透明无色或浅色宝石都可产生明显的色散现象。②宝石刻面的切磨比例和角度。只有刻面比例和角度（冠角、亭角）合适，才能产生较好的色散现象。5/16/202440库里南1、2号光明之山Hope钻石千年星5/16/202441

(十)发光性

宝石在外加能量如紫光、紫外光和X射线等的照射下能发射可见光的性质称为发光性。对宝石学家感兴趣的两个发光类型是荧光和磷光。5/16/202442荧光：物质受射线照射时发出可见光的现象。机理：在外加能量照射下，宝石晶体结构中原子或离子的外层电子从基态激发到能量较高的激发态。当被激发到能量较高激发态的电子落回到较低激发态时则发射出光子。如果这两种激发态之间的能量间隔相当于某可见光子的能量，则发射出具有该能量差的可见光，由此而发射出的光呈现一定的颜色。

具萤光性宝石只要在外加能量连续作用下，就能连续发射某种可见光。5/16/202443在广州炒卖的夜明珠常见夜明珠的造假手段：1.表面涂荧膜2.人工胶合莹石3.强放射源照射。夜明珠5/16/202444例子：红宝石荧光产生的机理：Cr离子吸收能量后，电子由能级A跃到能级C、D时吸收能量而产生的。一般来说，当电子迁回能级A时，并不直接到达，而是先到达能级B,此时发出的红外线能量，所以是不可见的。当从能级B迁回到能级A时，发射的能量相当于红光。用可见光照射红宝石和红色尖晶石时，都能产生红色荧光。这种特征可用来鉴定红宝石和红色尖晶石。5/16/202445荧光的应用：

大多数钻石在X-射线照射下都发蓝-白色的光，这种光不如其他辐射所产生的荧光那么壮观，但持续性较好。在钻石开采中，根据这一现象从精矿中回收钻石。在砾石和钻石的混合物中通过X-射线束。钻石发出荧光、光线脉冲激发一个开关，使得钻石离开砾石，并落在一个容器中。5/16/202446宝石的荧光色颜色长波紫外线（365nm)短波紫外线（365nm)X-射线（0.1nm)白色琥珀、象牙琥珀、象牙金刚石红色合成、天然红宝石合成、天然红宝石、天然粉红色蓝宝石合成、天然红宝石、天然粉红色蓝宝石红色尖晶石红色尖晶石红色尖晶石合成（变色）蓝宝石合成（变色）蓝宝石合成（变色）蓝宝石合成、天然祖母绿合成、天然祖母绿合成、天然祖母绿斯里兰卡蓝色蓝宝石斯里兰卡蓝色蓝宝石斯里兰卡蓝色蓝宝石橙色金刚石金刚石合成绿色