宝玉石的物理性质.pdf

宝玉石的物理性质宝玉石的物理性质 宝玉石的物理性质是区分鉴别各类宝玉石品种的重要依据 而物理性质则取决于宝玉石 本身的化学成分和内部结构 不同的宝玉石品种其化学成分和结构均有所不同 因而物理性 质是确定宝玉石品种的关键 3 1 2 1 宝玉石的力学性质宝玉石的力学性质 3 1 2 1 1 解理 裂理和断口 解理 裂理和断口是矿物在外力作用下发生破裂的性状 破裂的特征与矿物结构有关 均是宝石鉴定和加工的重要参考因素 1 解理 单晶晶体在外力作用下 沿特定的结晶方向 一般平行于理想晶面方向 裂开成较光滑 的平面性质 称为解理 其裂开的光滑平面即为解理面 这是由于沿解理面平行方向的原子 或离子的堆积和结合往往比垂直该方向更紧密和更强 而解理则发生于晶体内原子或离子连 结最薄弱的方向 宝石学中形成解理的难易程度及解理面发育特点将解理分为完全解理 中 等解理和不完全解理三类 表 2 28 表 2 28 解理分级表 解理级别 难易程度 解理面特点 实例 完全解理 易裂成平面或小块 断口难出现 光滑 平整 闪光 可呈台阶状 托帕石 萤石 方解石 辉石 中等解理 可裂成平面 断口较易出现 较平整的平面 金刚石 蓝晶石 榍 石 红柱石 不完全解理 不易裂成平面 出现许多断口 不平整 不连续 带油脂感 磷灰石 金绿宝石 绿柱石 宝石的抛光效果在某种程度上受制于解理发育状况 如托帕石 其底面解理发育 故加 工时 应避免刻面与解理面方向平行 不然会出现粗糙不平的抛光面 工匠就是借助于金刚石和冰洲石的解理面作为其劈开的方向 2 裂理 晶体在外力作用下沿一定的结晶学方向裂成平整光滑平面的性质称裂理或 裂开 裂开的面称为裂理面 裂理是由非固有的其他原因引起的定向破裂 它主要是在定向 压力下晶格发生滑动形成聚片双晶或由于晶格中某一定方向的面网间分布有他种物质的夹 层等原因造成的 如刚玉 因具有三组聚片双晶 故常见裂理发育 3 断口 宝石在外力作用下发生随机的无一定方向的不规则的破裂称断口 常见断口有贝壳状 如玻璃 水晶 锆石和黑曜岩 参差状 如软玉 土状 如绿松石 3 1 2 1 2 硬度 宝石抵抗压入 刻划或研磨的性能称为宝石的硬度 宝石硬度与其化学组成 化学键及 晶体结构有关 宝石鉴定中有意义的是相对硬度 常用的相对硬度是摩氏硬度 可用摩氏硬度表或摩氏 硬度计来测试 摩氏硬度计是德国物理学家 Friedrich Mohs 于 1822 年根据 10 种标准矿物的 相对硬度而确定的 其定性级别见表 2 29 另一种常用测量硬度的标准称为 Knoop 硬度 以在被测物体抛光表面产生永久性变形 所需的单位面积上的力来计算 该硬度值接近物体的绝对硬度 表 2 29 表 2 29 硬度对照表 矿物 成分 摩氏硬度 Knoop kg mm2 滑石 Mg3 Si4O10 OH 2 1 石膏 CaSO4 2H2O 2 32 方解石 CaCO3 3 135 萤石 CaF2 4 163 磷灰石 Ca5 PO4 3 F OH Cl 5 430 正长石 KAlSi3O8 6 560 石英 SiO2 7 820 黄玉 Al2 SiO4 F OH 2 8 1340 刚玉 Al2O3 9 2100 金刚石 C 10 7000 在利用上表摩氏硬度值确定宝石相对硬度时 还可以借助一些常见物质的相对硬度加以 补充 如以下常用物质的相对硬度 指甲为 2 5 铜针为 3 玻璃为 5 5 5 刀片为 5 5 6 钢锉为 6 5 7 应指出的是 矿物晶体 不同的结晶方向其硬度有程度不同的变化 如蓝晶石在平行柱 面延长方向上的摩氏硬度为 4 5 5 而在垂直柱面延长线方向上的摩氏硬度为 6 5 7 金刚石 是已知最硬的天然材料 其八面体方向的硬度大于其他方向的硬度 金刚石粉末的方向是随 机的 可能含有大量硬度较大方向的尖粒 因而使金刚石抛光粉用来抛磨钻石戒面成为可能 对于软玉 翡翠 青金石等由不同硬度矿物组成的集合体宝石材料 所使用磨料的硬度 须高于宝石材料中最硬矿物的硬度 否则在这些材料表面易出现高低不平的小坑或突起 桔 皮现象 大气中的灰尘成分主要是石英 硬度为 7 硬度小于 7 的宝石抛光面变 毛 就是由灰 尘的经常磨蚀引起的 这是某些镶宝首饰的肉眼鉴定特征之一 应注意的是 在不得不用硬度笔对宝石进行测试时 应遵循先软后硬的顺序 以使宝石 表面留下尽可能少的痕迹 3 1 2 1 3 密度和相对密度 宝石单位体积的质量称为宝石的密度 单位为 g cm 3 密度与组成材料各元素的原子量 原子 离子 半径和该材料的结构有关 如金刚石和 石墨同为碳元素组成 但二者晶体结构各异 密度也相差很大 石墨为 2 09 2 23g cm3 金 刚石为 3 47 3 56g cm3 密度的测定与计算十分复杂 而宝石的相对密度值与密度的值十分接近 实际上可把相 对密度的近似值作为密度的近似值 宝石学中通常以测定相对密度的方法确定密度值 相对 密度为宝玉石在空气中的重量与同体积的水在 4 及标准大气压条件下的重量之间的比值 相对密度没有单位 而密度或相对密度是鉴定宝石的重要参数之一 相对密度的测试方法将在宝石测试仪器的有关章节中介绍 各种宝石的密度值可参见附 录 A 3 1 2 2 宝玉石的光学性质宝玉石的光学性质 3 1 2 2 1 颜色颜色 1 颜色的定义 颜色是可见光波进入人眼的视觉效果 光是一种电磁波 可见光则是从无线电波到宇宙射线整个电磁波谱中的一部分 图 2 64 图 2 64 电磁波谱图 一般人眼仅能感受到 400nm 700nm 波谱范围内的光 不同波长的光人眼感受到不同的 颜色 从长波一端向短波一端的顺序依次为红色 700nm 橙色 620nm 黄色 580nm 绿色 510nm 蓝色 470nm 紫色 420nm 两种相邻颜色之间存在一系列过渡色 颜色与波长的上述对应关系 并非完全固定 除 572nm 黄 503nm 绿 和 478nm 蓝 三点外 其余颜色将随光的强度改变而稍向红色方向和蓝色方向偏移 如在光强增加 的条件下 原本 525nm 的绿色看上去微具蓝色 人眼对可见光谱的分辨能力在 540nm 处最灵敏 约为 1nm 10 9m 正常视觉可分辨 出一百多种不同的颜色 2 宝石的颜色及其表征 宝石的颜色是宝石对可见光相互作用的结果 当宝石对不同波长的可见光选择性吸收时 宝石具有不同颜色 其所呈现的颜色是剩余 光中各色光的混和色 剩余光中所占比例最大的波段决定了宝石的主色调 次要波段决定了 宝石的辅色调 以红宝石为例 当白光 400 700nm 入射红宝石时 大部分波段的光被吸 收 只有 680 700nm 和 480nm 左右的两个波段的光透过 680 700nm 波段透过决定了红宝 石的主色调为红色 480nm 波段透过意味着蓝绿光与红光相混合 使红宝石呈紫红色 即红 中略带蓝色调 当宝石对可见光的所有波段的反射比一样且反射率达 80 以上时呈白色 吸收率达到 80 以上时呈黑色 介于两者之间呈灰色 这样的宝石品种有无色钻石 无色水晶 黑玛瑙等 色度学中用色调 明度和饱和度三要素来表示颜色特征 色调是彩色间相互区分的特性 红色 绿色 蓝色 彩色宝石的色调取决于光源的光谱 组成和宝石对光的选择性吸收 例如金绿宝石的变色效应中其在自然光下呈绿色 在白炽灯 或烛光下呈暗红色 饱和度是指彩色的纯净度或鲜艳度 彩色宝石的饱和度取决于宝石对可见光谱宽窄范围 的吸收程度 当宝石仅对窄波段的光反射或透过时 该宝石的色饱和度就高 颜色就鲜艳 如红宝石 缅甸红宝石对可见光大部分吸收 仅允许近 700nm 处的红光透过 宝石具较高 的饱和度 呈鲜艳的红色 而泰国红宝石除红光透过外另有橙色 黄色区域的光透过 产生 棕红色 饱和度明显下降 鲜艳度也明显不如缅甸红宝石 明度也称亮度 即人眼对颜色明暗程度的感觉 宝石明度取决于宝石对光的反射或透射 能力 在可见光中 黄绿色光的明度远大于紫色光或红色光的明度 明度也取决于宝石所反 射或透射光的亮度 一块半透明的黄色蓝宝石就比一块蓝色蓝宝石具有更高的明度 显得更 明亮 3 宝石颜色的成因 宝石颜色的成因有传统的和近代的两种解释 传统宝石学基于化学成分和外部构造特点将宝石颜色分为 a 自色 由化学成分中的主要元素而引起的颜色 如绿松石 孔雀石 橄榄石 铁铝 榴石等 b 他色 由化学成分中的微量元素而引起的颜色 如尖晶石 其化学成分主要是 MgAl2O4 纯净时无色 含微量钴 Co 时呈蓝色 含微量铁 Fe 时呈褐色 而含微量铬 Cr 时则呈红色 c 假色 与宝石的化学成分和晶体结构没有直接关系 而与光的物理作用有关 由于 宝石内存在一些细小的平行排列包裹体 出溶片晶 平行解理等 对光的折射 反射等光学 作用而产生的颜色 这将在宝石的特殊光学效应一节中叙述 从材料的晶体场理论 分子轨道理论和能带理论等角度去揭示宝石颜色成因的本质是近 代理论的基础 它又从电子跃迁 结构缺陷 元素离子间电子跃迁 电荷转换和能带间的电 子转移等几方面进行阐述 这方面的理论可参考有关文献 3 1 2 2 2 透明度透明度 1 透明度的定义 物体允许可见光透过的程度称透明度 设入射光的强度为 Io 当光穿过一定厚度的介 质后 强度减弱为 I 则 I Io 称为介质的透明度系数 值在 0 1 之间 越接近 1 介质的透明度越高 2 宝石透明度的划分 透明 能使绝大部分光透过 如水晶 半透明 能使部分光透过 如金绿宝石中的猫眼品种 不透明 基本上不能使光透过 光被物体全部吸收或反射 如孔雀石 3 影响宝石透明度的几个因素 不同晶格类型的宝石 具有不同的吸收系数 从而有不同的透明度 金属晶格内部由于 有大量自由电子 它的跃迁对光有明显吸收 所以透明度很低 如赤铁矿 而原子晶格和离 子晶格由于缺少自由电子 对光的吸收相对较弱 具有高的透明度 如钻石 此外宝石的厚度 自身颜色 颗粒结合方式 品质 裂隙也会影响它们的透明度 3 1 2 2 3 光泽光泽 1 光泽的定义 宝石的光泽是指宝石表面反射光的能力 首先宝石的光泽是其矿物成分 结构与可见光相互作用的一种反映 当可见光能量小于 晶体结构中原子或离子的能级的能量差时 可见光大部分透过 宝石的光泽较弱 反之 宝 石光泽较强 其次 宝石的矿物集合体结合方式和表面性质也影响到宝石的光泽 如颗粒大小 形状 排列方式等 以石英岩和虎睛石为例 两者化学成分同为二氧化硅 前者为细粒石英集合体 后者为石英交代的钠闪石 石棉的假晶组成 前者具玻璃 油脂光泽而后者由于假晶的定向 排列而具丝绢状光泽 再者 宝石的折射率 n 反射比 和吸收比 也与光泽有关 一般而言 折 射率 反射比越大 光泽越强 2 光泽的分类 在宝石学中 根据光泽的强弱可以分为以下几级 金属光泽 如自然金 自然铂及磨光后的黄铁矿 半金属光泽 如赤铁矿 赤铁矿 金刚光泽 非金属矿物中最强的一种光泽 如金刚石 玻璃光泽 大多数晶质宝石属于此类 如水晶 海蓝宝石等 还有一些介于两者之间的光泽 如半金属光泽 亚金刚光泽等 由于矿物表面光滑程度 和集合方式不同 会使光泽发生变化 形成一些特殊光泽 常见特殊光泽类型为 油脂光泽 常出现在具玻璃光泽 金刚光泽宝石的不平坦断面上 颗粒集合体表面也 具这种光泽 树脂光泽 类似于松香等树脂表面所呈现的光泽 如琥珀 蜡状光泽 由反射面的不平坦产生的一种比油脂光泽暗些的光泽 在一些透明玉石矿 物上可见到 丝绢光泽 以纤维状集合体出现或具完全解理矿物表现所呈现如丝织品的光泽 如虎 睛石 珍珠光泽 珍珠或解理发育的浅色透明宝石表面所见到的柔和多彩的光泽 如珍珠 3 光泽在宝石鉴定中的应用 在宝石的肉眼鉴定中 光泽能提供一些重要信息 凭借光泽特征可对不同的宝石进行初 步鉴定 如凭锆石的亚金刚光泽而将其从一包有尖晶石 石榴石混装的宝石中选出 观察断面的不同光泽 又可区分玉髓 软玉 油脂光泽 和绿柱石等单晶宝石 玻璃光 泽 对一颗不同部分有不同光泽的宝石 至少要引起警惕是否为拼合石 但要指出的是 光泽不可作为绝对的鉴定依据 必须依靠其他手段 才能对宝石种类作 出准确鉴定 3 1 2 2 4 折射率和双折射率折射率和双折射率 1 光的折射和反射 由于光的粒子性 光波在均匀介质中沿直线传播 但当光波从一种介质传播到另一种介 质时 在两种介质的分界面上将发生分解 一部分仍反射回这种介质 而另一部分进入别种 介质并产生折射 见图 2 65 入射光线 反射光线 折射线和法线均在同一平面内 图 2 67 光的全反射及其临界角 图 2 65 光的折射和反射 图 2 66 光的折射定律 2 折射定律和折射率 由图 2 66 我们可以看到 一束平行光以入射角 i 由介质 1 向介质 2 入射 设在时间 t1 R1到达介面 O R2到达 N 在时间 t2 R1到达介质 2 中的 S R2到达介面 M 如设光线在 介质 1 中的速度为 V1 在介质 2 中的速度为 V2 由此可知 OS V2 t2 t1 OM Sinr NM V1 t2 t1 OM Sini V1 Sin i 可得 n 这就是折射定律 i 称为入射角 称为折射角 V2 Sinr 当两种介质一定时 n 为一常数 称为第二介质相对于第一介质的相对折射率 如第一 介质 入射介质 为真空 或空气 则 n 值为第二介质 折射介质 的绝对折射率 空气 的折射率通常视为 1 折射率较大的介质称为光密介质 光波在其中的传播速度较小 折射率较小的 介质称 为光疏介质 光波在其中的传播速度较大 3 全反射 根据折射定律 当光波由光疏介质射入光密介质 入射角大于折射角 i r 折射光靠 近法线传播 反之 当光波由光密介质射入光疏介质 入射角小于折射角 iNm Np 当光波沿垂直以Nm为半径的圆切面入射时 光轴方向 不发生双折射 折射率为Nm 当光波垂直轴面方向入射时 分解成两种偏光 相应的折射率为Ng Np 当光波垂直另两 个主轴面Ng Nm或Nm Np入射时 相应的折射率为Ng Np 因此 具二轴晶光率体 的宝石有三个主折射率值 其最大主折射率值Ng与最小主折射率值Np的差值为双折射率值 3 1 2 2 5 多色性多色性 非均质体宝石的光学性质随方向而异 对光波的选择性吸收总强度随光波在晶体中的振 动方向不同而发生变化 因此对非均质体透明的彩色宝石 从不同方向观察 宝石将会显现 不同的颜色或同种颜色的深浅差别 这种现象称为多色性 一轴晶宝石 可以有两种主要颜色 如在偏光显微镜下观察 黑色电气石可有深蓝色和 浅紫色 黄绿色和灰蓝色 二轴晶宝石 可以有三种主要颜色 如富镁的堇青石可有蓝紫色 黄绿色和蓝色 宝石晶体的多色性其明显程度与宝石性质有关 也与观察方向有关 这点在观察宝石的 实践中可以体会到 需特别指出的是只有非均质体 透明的彩色宝石才可观察到多色性 3 1 2 2 6 特殊光学效应特殊光学效应 提到宝石的特殊光学效应 除了光的反射 折射外 还需要介绍一下光的干涉 衍射 散射和色散 光是一种电磁波 对其描述则有三要素 振幅 频率和相位 对振动方向相同的两束光 如它们的频率相同 由光程差引起的相位或相位差恒定 则会产生干涉 相位相同 则振幅 叠加 光亮度增强 相位相反 相位差180 则振幅相消 光亮度减弱 这就是干涉 见 图2 72 图 2 72 光的干涉 图2 73 光的衍射 当两束单色光 频率间隔非常窄的光 干涉时 则会产生一系列明暗条纹 而当两束复 色光 频率间隔相当宽的光 干涉时 则会产生一系列彩色条纹 这种由于干涉作用形成的 颜色称为干涉色 日常见到极薄的油膜所显现的彩色条纹就是光的干涉的一个很好的例子 光的反射和折射是以光沿直线传播作为前提的 即将光作为粒子的性质加以描述 而光 又是一种电磁波 作为波动的性质看 光在遇到障碍物时会偏离直线方向传播 也即衍射 当产生一系列衍射时 它们之间由于频率相同而相位有差别 也会发生干涉而出现干涉色 同样 单色光发生衍射 产生明暗相间的条纹 复色光发生衍射时产生彩色条纹 见图2 73 当光在不均匀介质中传播时 会引起光向四面八方射出的现象 称为散射 如光通过有 悬浮微粒液体时 能观察到侧光的现象就属此类 当引起散射的颗粒小于波长时 称为瑞利 散射 其散射光的波长与粒子直径的四次方成反比 这就是太阳光对大气中的微小颗粒产生 散射而使天空呈蔚蓝色的道理 当引起散射的颗粒大小与光的波长相当时 称米氏散射 散 射光不再趋向于蓝色而可能是多种颜色 如引起散射的颗粒比波长大得多时 散射光将呈乳 白色 当白光在同一种介质中传播时 由于不同波长的光传播速度不同 白光会被分解成由红 橙 黄 绿 青 蓝 紫等一系列组成色 这称为色散 如棱镜的分光作用就属此例 见图 2 74 宝石的色散值是可以测定的 分别测出宝石对红光 686 7nm 及紫光 430 8nm 两束单色光的折射率值 该两束光的折射率值之差 即为其色散值 图 2 74 光的色散 综上所述的四种光学现象在宝石中常有反映 是引起宝石特殊光学效应的物理基础 1 猫眼效应 一些弧面形宝石在光照下所呈现出一条闪亮光带的现象 就如猫的眼睛 随着光源或宝 石的摆动 亮带在宝石表面也平行移动 称猫眼效应 产生猫眼效应的宝石必须是 具有一组密集的定向排列的包裹体或相似结构如气液包裹 体 纤维状包裹体 针状或管状包裹体等 弧面形宝石的底平面与包裹体或相似结构平面平 行 正是由于这些定向排列的包裹体或相似结构对可见光的折射和反射作用引起了猫眼效 应 从弧面形宝石的纵切面 S 平面中可见到 除沿包裹体 NM 法线方向 OO 入射的光线直 接进入宝石外由 a b a b 的入射光经折射再由包裹体 NM 反射交于弧面上的一点 当弧面形宝石的高度合适时 如宝石内平行排列的包裹体十分丰富时 由它们反射的光 在弧面形宝石表面相交点的轨迹便产生了猫眼效应 猫眼 有亮暗 窄宽 密疏之分 这与宝石的弧面高度与宝石的折射率是否匹配有关 眼线不正是由于包裹体平面与宝石底面不平行所致 这方面的内容 在宝石加工工艺的有关 章节中会详细介绍 2 星光效应 一些弧面形宝石的表面在点光源照射下 呈现一组放射状闪动的亮线 形如夜空中闪烁 的星星 称为星光效应 星光效应产生的机理与猫眼效应相同 能产生星光的宝石应含有两组或三组以上定向排 列的包裹体或定向排列的内部结构 且弧面形宝石的底面与这些包裹体或结构所在的平面平 行 星光效应与猫眼效应不同之处在于前者的包裹体或结构已不限于在一个方向上 它们按 一定的角度分布 一般情况 三方 六方晶系的宝石可出现六射星光 如星光红宝石 属三 方晶系 晶形为六方柱状 在垂直结晶轴 C 轴的平面内有三组细针状金红石包裹体 相互 间成 60 角相交 等轴晶系 四方晶系 斜方晶系的宝石可出现四射星光 在三方 六方晶系宝石中 有 时在同一弧面形宝石中可同时出现二组星光 位置稍有错开 这称之谓十二射星光 3 变彩效应 由于宝石的特殊结构引起光的干涉 衍射作用而显颜色 颜色随光源或观察角度的变化 而变化 这种现象称变彩 典型的具变彩效应的宝石是欧泊 它的化学成分是 SiO2 nH2O 在欧泊的结构中 几乎 等大的 SiO2小球在空间作规则排列 球体间由含水二氧化硅胶体联结 球体间孔隙直径与 球体直径几乎相等 我们可以将这种具周期性空间结构对光的衍射视作为 三维光栅 欧泊的这种结构导致了光的衍射 产生了变彩 除了观察角度会影响欧泊的色斑颜色外 小球的直径也起着直接作用 当小球直径的明显大于可见光波长入时 即 d 入时 可见光不 发生衍射 欧泊无变彩现象 欧泊呈灰白色 当 d 入时 可见光波大部被挡于欧泊之外 欧泊内无干涉和衍射 只有瑞利散射 欧泊呈淡蓝色乳白光 当 d 与入相近或 d 略大于入时 发生干涉和衍射 此时会产生从蓝到红的多种色斑 色斑的存在应理解为堆积小球直径 d 的不均一分布 4 变色效应 宝石 矿物 的颜色随入射光谱能量分布或入射光波长的改变而改变的现象称变色效应 在不同光源照射下 宝石呈现明显颜色变化的现象称为变色效应 常用日光和钨丝灯 或烛 光 两种光源进行观察 产生变色效应应具备 宝石的可见光吸收谱存在两个明显分布间隔 带 透射光的波长与透射强度成正比 具有变彩效应的典型宝石是变石 一颗高质量的变石 在日光或荧光灯下呈蓝绿色 在 烛光 或钨丝灯 下呈深红色 此外 某些蓝宝石和石榴子石也有变色效应 3 1 3 宝玉石的其他物理性质宝玉石的其他物理性质 3 1 3 1 发光性发光性 宝石在外部能量的激发下发出可见光的性质称发光性 这些外部能量如摩擦 加热 阴 极射线 紫外线 X 射线等都能使某些矿物发光 紫外线激发的荧光和磷光是宝石学所感兴 趣的内容 荧光是指矿物在受外界能量激发时发光 激发停止 发光也即刻终止的现象 磷光是指矿物在受外界能量激发时发光 激发停止 发光仍在一短时间内继续的现象 荧光和磷光与矿物晶格中的微量杂质有关 这些杂质元素导致晶体在外部能量激发下的 能带和能级复杂的跃迁和驰豫 产生能量的吸收和以光的形式的释放 宝石的荧光特点常作为鉴定依据之一 常见宝石的发光性见表 2 30 表 2 30 常见宝石的荧光性 宝石 LW 紫外线荧光色 SW 紫外线荧光色 X 射线荧光色 钻石 蓝 橙 黄 紫 绿 蓝 橙 黄 绿 紫 白 黄 绿 蓝 红宝石 红 红 红 斯里兰卡蓝宝石 红 橙 红 橙 红 橙 斯里兰卡黄色蓝宝石 橙 橙 橙 合成橙色蓝宝石 红 橙 橙 红 合成绿色蓝宝石 红 橙 橙 无色蓝宝石 橙 橙 红 红尖晶石 红 橙 红 橙 红 橙 合成刚玉仿变石 红 红 红 祖母绿 红 绿 红 红 托帕石 橙 黄 橙 变