光的基本性质及宝石的光学性质.ppt

第五章宝石的光学性质 第一节光的本质 1 光的电磁波理论以麦克斯韦为代表的电磁波理论认为光是一种电磁波 以波动的形式 将光源辐射能从近至远地向前传播 在波动中质点的振动方向和波的传播方向相互垂直 为一种横波 如图所示 宝石学中常用波长单位为纳米 即10 9 有些情况下用波数来表示波长范围 波数即单位长度内波的数目 其单位为cm l 波数值与波长成反比 光的波动理论很好地解释了光的干涉 衍射及宝石中相应的一些光学现象 光的量子理论普朗克在1900年提出了光的量子理论 认为各种频率的光只能不连续地被发射和吸收 即光具有粒子性 能量是不连续的 是量子化的 爱因斯坦进一步提出 光的辐射场也是量子化的 光在空间传播也具有粒子性 即一束光是一束以光速运动的粒子流 这些粒子称为光量子 或光子 不同频率的光子具有不同的能量 光的粒子性很好地解释了光的直线传播 光的折射和反射 能解释宝石的颜色成因 以及荧光 磷光等现象 现代科学证实 光具有波粒二像性 只有将光的波动理论与光的量子理论结合起来 才能对光的本质进行完整的解释 第二节自然光与偏振光 1 自然光一切从光源直接发出的光波 统称为自然光 如太阳光 灯光等 2 偏振光在垂直光波传播方向的某一固定平面内沿一固定方向振动的光波称为平面偏振光 简称偏振光或偏光 如图1 3 4所示 偏振光的振动方向与传播方向构成的平面称振动面 3 自然光和偏振光在宝石中的传播特点 第三节光的折射与反射 光的全反射及全反射临界角 根据折射定律 当光波由光疏介质 介质1 射入光密介质 介质2 时 折射光的光速变小 相对折射率 1 入射角大于折射角 i 折射光靠近法线方向传播 反之 当光波由光密介质进入光疏介质时 折射光的光速将变大 相对折射率小于l 入射角小于折射角 i 折射光线远离法线方向传播 随着入射角的不断加大 折射光偏离法线的程度也将不断加大 如图 由折射转变成全内反射 当光线的入射角加大到一定程度 如图中的OD光线 相应的折射线DD 已不再进入光疏介质 而是沿DD 方向在S分界面内传播 如果光线的入射角继续增大 如图中的OE光线 入射光不再发生折射 而是全部反射回入射介质中 且遵循反射定律 反射角 入射角 这一现象称为光的全反射 与 90 相应的入射角称为全反射临界角 在光的全反射过程中 相应的光疏介质的折射率为n 光密介质的折射率为N N n 全反射临界角为 它们之间可有如下关系 即sin sin90 n Nn N sin 光的漫反射 当一束平行光线照到理想抛光平面或镜面时 入射光的绝大部分 依反射定律沿同一方向被反射 且入射角与反射角相等 这种反射称为镜面反射 当一束光线照到物体凹凸不平的表面时 光沿着不同的方向发生反射 称为光的漫反射 第四节光的干涉与衍射 1 光的干涉波长相同 相差恒定 传播方向相近的两束或两束以上的光在同一介质中相遇时 在交叠区相互作用产生相长增强或相消删除的现象称为光的干涉作用 并不是任意两束光相遇都可发生干涉作用 能发生干涉的两束光必须符合以下条件 即两束光的频率相同 振动方向相同 位相相同或位相差恒定 2 光的衍射 光波在遇到障碍物时 偏离直线方向传播的现象称为光的绕射 也称为光的衍射 衍射的条件 只有当障碍物的大小与光波波长十分相近 衍射才能发生 单色光发生衍射时 衍射结果产生明暗相间的条纹 当复色光发生衍射时 产生的将是五颜六色的彩色条纹 衍射效应产生的是纯正的光谱色 光的衍射在宝石学中主要的应用有两个方面 其一 利用光的衍射原理而设计的衍射光栅 是宝石用分光镜的主要构件之一 其二 利用光的衍射原理 可解释宝石中的一些特殊光学效应 如变彩效应 3 光的散射散射是指由传播介质的不均匀性引起的光线向四面八方射去的现象 若散射中心非常小 即引起散射的粒子小于光的波长 d 时 这种散射称为瑞利散射 在瑞利散射中 散射强度与光的波长成反比 所散射的高能光波为蓝紫色光 橙红色光大多不被散射 因此所见侧光多呈浅蓝色 若散射中心与光的波长相近或更大时 d 时 所发生的散射称为米氏散射 散射作用与波长的关系不大 散射光以白色为主 d 2 时 有可能显示出各种颜色 主要是红色和绿色 第五节光的色散 光 复色光 在同一介质中的传播速度随波长而异的现象称为色散 复色光通过具有棱镜性质的材料时 棱镜将复色光分解成不同波长光谱的现象 白光穿过棱镜和明亮琢型宝石时的色散 宝石的色散值是可以测定的 通常使用可见光谱中两个最明显的波长 即分别测定宝石对红光686 7nm及紫光430 8nm两束单色分光的折射率值 这两束光的折射率值之差 便是该宝石的色散值 这两种波长的光分别称为太阳光光谱中的B线和G线 根据色散值的大小 可将色散划分成不同的等级 极低 0 01以下 萤石0 007低 0 01 0 019 水晶0 013蓝宝石0 018中高 0 02 0 029 锰铝榴石0 027人造钇铝榴石0 028高 0 03 0 059 锆石0 039钻石0 044人造钆镓榴石0 045榍石0 051翠榴石0 057极高 0 06以上 合成立方氧化锆0 060合成碳硅石0 104人造钛酸锶0 190合成金红石0 330 钻石 合成金红石的火彩特征 色散在宝石中的意义 其一 可以作宝石肉眼鉴定的特征之一其二 高色散值使刻面宝石更加美观 白光照射宝石分解出的光谱色 俗称 火彩 影响宝石火彩的因素除色散值外 还有体色 净度和刻面角等 第六节光率体与宝石的光性方位 光率体 光率体是光在晶体中传播时 光波的振动方向与折射率值关系的立体图形 具体作法是 以晶体的中心为起点 测定晶体不同振动方向的折射率值 按一定坐标空间和比例作各振动方向折射率值的立体投影 各投影点的轨迹构成该晶体的光率体 1 均质体的光率体 光波在均质体中传播时 向任何方向振动 其传播速度不变 折射率值相等 因此 均质体的光率体是一个圆球体 均质体的光率体在任何方向的切面都是圆切面 圆切面的半径代表均质体的折射率值 1 均质体的光率体 圆球体 一轴晶光率体 一轴晶光率体是一个以直立轴为旋转轴的椭球体 直立轴代表光轴方向 该方向的折射率值为非常光的折射率 用Ne表示 垂直光轴的圆切面各方向的折射率值相等 为常光的折射率 用No表示 No小于Ne时为正光性 No大于Ne时为负光性 双折率等于Ne No的绝对值 一轴晶光率体 旋转椭球体 一轴晶光率体 旋转椭球体 正光性 3 二轴晶光率体 二轴晶光率体为一个三轴不等的椭球体 椭球体的三个主轴代表二轴晶宝石的三个主要光学方向 称为光学主轴 三个主轴的相应折射率值分别用Ng Nm Np表示 其中Ng Nm Np Ng Nm大于Nm Np时为正光性 Ng Nm小于Nm Np时为负光性 双折率等于Ng Np的绝对值 二轴晶光率体 三轴椭球体 4 光性方位 光率体主轴与晶体结晶轴之间的关系称为光性方位 1高级晶轴晶体的光性方位等轴晶系是高级晶族中唯一的晶系 等轴晶系的宝石为均质体 其光率体是一个圆球体 所以通过光率体中心的任意三个互相垂直的直径都可以与三个结晶轴相当 球体半径代表折射率的大小 中级晶轴 中级晶轴晶体只有一个高次轴 三次 四次或六次轴 一轴晶光率体的旋转轴 光轴 与晶体的唯一高次对称轴 C轴 相一致 无论是正光性晶体 如石英 还是负光性晶体 如方解石 都是光率体的光轴与晶体的C轴一致 4 光性方位 中级晶族 低级晶轴 斜方晶系晶体的最高对称要素为3L23PC 所以斜方晶系的光性方位是 光率体的三个主轴与晶体的三个结晶轴相重合 至于是那一个主轴与那一个结晶轴重合 因晶体不同而不同 如宝石黄玉是 Nm Y轴 Ng Z轴 Np X轴 Ng Nm Np 单斜晶系晶体的最高对称要素为L2PC 在晶体定向时 如取b为唯一轴 此时b轴方向包含二次对称轴与对称面的法线重合 它可与光率体三个主轴之一重合 其余二主轴与结晶轴斜交 究竟那一个主轴与Y轴一致 其它二主轴与Z轴或X轴的斜交角度有多大 视晶体种类不同而异 如透闪石 低级晶轴 三斜晶系的对称程度最低 只有一个对称中心或只有一个一次旋转轴 三个结晶轴互相不垂直 故三斜晶系的光率体的三个主轴与结晶轴斜交 其斜交角度因晶体而异 4 光性方位 低级晶族 各晶系与光学性质的关系表 第七节宝石的多色性 吸收性 宝石的多色性 宝石颜色随光波在晶体中振动方向不同而改变的现象 如 山东蓝宝石平行C轴观察蓝色垂直C轴观察蓝绿色宝石晶体的多色性明显程度与宝石的性质有关 也与所观察的宝石切面的方向性有关 一轴晶宝石 在平行光轴或平行光轴面的面内 多色性表现最明显 二色性 垂直光轴的平面则不显多色性 其它方向的平面的多色性的明显程度介于上述二者之间 二轴晶彩色宝石可以有三个主要颜色 三色性 它们分别与光率体三个主轴ng nm np相对应 在平行光轴面的切面中多色性最明显 它的两个颜色分别与ng和np相当 在垂直光轴的切面上只显示一种颜色 此颜色与nm相对应 宝石晶体的多色性明显程度与宝石的性质有关 也与所观察的宝石的方向性有关 在平行光轴或平行光轴面的切面内 多色性表现最明显 垂直光轴的切面则不显多色性 其他方向的切面上的多色性的明显程度介于上述二者之间 透辉石 二轴晶宝石显示暗绿色至绿色 堇青石 二轴晶宝石显示蓝紫色 浅蓝色和浅黄色 红柱石 二轴晶宝石显示褐红色至灰绿色 宝石的吸收性宝石晶体中 颜色深浅随光波振动方向而改变的现象称为吸收性 在一轴晶宝石中 当ne方向的颜色比no方向的颜色深时 光波沿ne方向振动时的吸收总强度大于no方向 故其吸收性为ne no 称为正吸收 反之nenm np时 称为正吸收 ng nm np时称为反吸收 第八节宝石的光泽 宝石的光泽是指宝石表面反射光的能力 通常 光泽的强弱用反射率R来表示 反射率是指光垂直入射宝石表面时的强度 Io 与反射光强度 Ir 的比值 宝石反射率的大小主要取决于折射率 n 和吸收系数 K 光泽的强弱由多种因素决定 1 宝石矿物的晶体结构与化学成分 2 宝石矿物集合体结合方式和宝石表面性质 3 宝石矿物光泽的强弱也与其自身的折射率 反射比和吸收比有关 一般而言 宝石矿物的折射率 反射比越大 光泽越强 宝石矿物光泽的强弱也与其自身的折射率 n 反射比 和吸收比 有关 而且 反射比与折射率和吸收比之间也有一定的函数关系 光泽分类根据光泽的强弱可以将光泽分为 1 金属光泽具金属光泽的宝石矿物 其R 25 表面呈金属般的光亮 一般不透明 宝石矿物极少具金属光泽 如黄铁矿 通常折射率n 3 2 半金属光泽具半金属光泽的宝石矿物 其R 25 19 表面呈弱金属般的光亮 一般不透明 如黒钨矿和铬铁矿 通常折射率n 2 60 3 3 金刚光泽具金刚光泽的宝石矿物 其R 19 10 表面金刚石般的光亮 透明 半透明 以钻石为代表 通常折射率n 2 9 2 60 4 玻璃光泽等具玻璃光泽的宝石矿物 其R 10 4 表面玻璃般的光亮 透明 半透明 如祖母绿 水晶 黄玉等宝石 通常折射率n 1 3 1 9 在宝石中常见的一些特殊光泽 1 油脂光泽有一些颜色较浅 具有玻璃光泽或金刚光泽的宝石的不平坦断面上或集合体颗粒表面所见到的一种光泽 如石英断口可为油脂光泽 石榴石和磷灰石的断口也多为油脂光泽 2 树脂光泽一些颜色为黄 黄褐色的宝石 断面上可见到一种类似于松香等树脂所呈现的光泽 如琥珀 其断面上常见树脂光泽 3 蜡状光泽在一些透明 半透明玉石矿物的隐晶质或非晶质致密块体上 由于反射面不平坦 产生的一种比油脂光泽暗些的光泽 如块状叶蜡石的光泽 4 土状光泽一些细分散的多孔隙的宝石矿物因对光的漫反射或散射而呈现一种暗淡的土状光泽 如风化程度较高的绿松石 5 丝绢光泽一些透明的原具玻璃光泽或金刚光泽的宝石矿物 当它们呈纤维状集合体的形式出现时 或一些具完全解理的矿物表面所见到的一种像蚕丝和丝织品那样的光泽 如虎睛石 6 珍珠光泽在珍珠的表面或一些解理发育的浅色透明宝石矿物表面 所见到的一种柔和多彩的光泽 如珍珠 钻石 金刚光泽 锆石 亚金刚光泽 石榴石 强玻璃光泽至亚金刚光泽 托帕石 玻璃光泽 由于反射光受到宝石矿物颜色 表面平坦程度 集合体结合方式等的影响 还可以产生一些特殊的光泽 如油脂光泽如 水晶断口面树脂光泽如 琥珀蜡状光泽如 叶蜡石丝绢光泽如 木变石珍珠光泽如 养殖 珍珠土状光泽如 劣质的绿松石 绿松石 蜡状光泽 珍珠 珍珠光泽 琥珀 树脂光泽 木变石 丝绢光泽 光泽在宝石鉴定中的应用 1 光泽是宝石的重要性质之一 在宝石的肉眼鉴定中 光泽可以提供一些重要的信息 尖晶石 石榴石 锆石 海蓝宝石 托帕石 2 光泽在宝石鉴定中的另一个应用是对拼合石的鉴定 如石榴石 玻璃拼合石 包括对贴皮翡翠毛料的识别 3 光泽可以反映宝玉石的质地细腻均匀度 也是宝玉石 尤其是翡翠等玉石 质量判定的依据 4 光泽能够反映宝玉石的加工精细度 抛光精良的宝玉石光泽好 第九节宝石的透明度 透明度的物理定义物体的透明度是指物体允许可见光透过的程度 假设入射光的强度为I 当光穿过一定厚度的介质后 强度减弱到I 则I I 为介质的透射因数 的值介于0 1之间 越接近l 介质的透明度越高 在宝石的肉眼鉴定中 通常将宝石的透明度划分为五个级别 1 透明如 水晶 2 亚透明如 烟晶3 半透明如 一些质量较好的电气石 4 亚半透明如 黑曜岩 5 不透明如 孔雀石 目前珠宝界对透明度级别的划分逐渐趋向于采用三分法 把宝石透明度划分成 透明半透明不透明 透明宝石 水晶 绿柱石 托帕石 烟晶人体雕件 亚透明宝石 半透明宝石 月光石