材料专业短学期报告宝石鉴赏.docx

专题2：珠宝鉴赏题目：目前材料上所使用的最新的分析测试手段及其在宝石上的应用。 随着科技的不断发展,现代测试技术在宝石学中的应用越来越广泛和重要。下面介绍6种材料分析测试仪器（手段）：紫外-可见光分光光度计（UV-VIS）、激光诱导离解光谱仪（LIBS）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）、拉曼光谱仪（RAMAN）、阴极发光仪（CL）、X荧光光谱仪（XRF）。1. 紫外-可见光分光光度计（UV-VIS）： 紫外分光光度计，就是根据物质的吸收光谱研究物质的成分、结构和物质间相互作用的有效手段。紫外分光光度计可以在紫外可见光区任意选择不同波长的光。物质的吸收光谱本质上就是物质中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波长的光能量，相应地发生了分子振动能级跃迁和电子能级跃迁的结果。每种物质就有其特有的、固定的吸收光谱曲线。可根据吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或测定该物质的含量，这就是分光光度定性和定量分析的基础。朗伯-比耳定律(LambertBeer)是光吸收的基本定律，俗称光吸收定律，是分光光度法定量分析的依据和基础。当入射光波长一定时，溶液的吸光度A是吸光物质的浓度c及吸收介质厚度d(吸收光程)的函数。 紫外-可见吸收光谱是在紫外-可见光电磁辐射作用下,由分子中的电子在能级间跃迁而产生的一种分子光谱。当一束足够能量的光(h)照射时,分子的内能发生改变, 3种能量都发生跃迁,即:E=Ee+Ev+Er。其中Ev和Er产生的吸收光谱分别位于红外区和远红外区,Ee产生的吸收光谱位于紫外-可见区。由于Ee远远大于Ev和Er,所以当发生电子能级跃迁时,则同时伴随有振动能级和转动能级的改变,因此,分子的紫外-可见吸收光谱是由许多线光谱聚集在一起的带状光谱。对于宝石来说,绝大多数都是无机化合物,无机物的紫外-可见吸收光谱的电子跃迁形式,一般分为两大类:配位场跃迁和电荷迁移跃迁。目前宝石紫外-可见吸收光谱主要可用于宝石真伪鉴别和宝石呈色研究等方面。2. 激光诱导离解光谱仪（LIBS）： 激光诱导击穿光谱仪是光谱分析领域一种崭新的分析手段，其基本原理是使用高能量激光光源，在分析材料表面形成高强度激光光斑(等离子体)，使样品激发发光,这些光随后通过光谱系统和检测系统进行分析。这种技术对材料中的绝大部分无机元素非常敏感。可测几乎所有自然元素，包括常规方法难以分析的H，Li，Be，C，N，O，S等元素。将一束高功率的激光束聚焦于样品表面,样品表面反射小部分的激光能量,剩下的能量被吸收。由于脉冲激光持续时间极短,不足以产生由样品聚焦点处向外的热扩散,因此聚焦点处产生瞬时高温并蒸发部分物质，通过对光谱中的特征谱线进行分析,从而实现了样品的微区元素成分分析。具有ppm级的检测限和高灵敏度、检测精度和准确度；真正意义上的无损检测，只消耗微量的样品，激光入射到样品上几乎不会产生加热效应；几乎不受光谱干扰的影响，环境适应性好，几乎没有特殊要求。在宝石上适合鉴定Be扩散红、蓝宝石，贵金属纯度分析等。3. 傅里叶红外光谱仪（FTIR）： 是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪（分束器、动镜、定镜）、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。 傅立叶中红外光谱，中红外光谱主要指4000 400 cm-1波段的红外光谱。不同的分子振动在此波段均有吸收, 几乎没有两种物质的红外光谱图是相同的, 所以红外光谱也被称为“指纹谱”。中红外光谱测试是宝石鉴定中最主要的手段。透射光谱法，红外光穿透宝玉可以方便地得到其中物质的结构信息。常用于红宝石、蓝宝石及钻石等宝玉石的鉴别。反射光谱法，对于较厚的翡翠或使用黄金及白金镶嵌的成品,红外光难以穿透,无法采集到透射光谱,此时需使用漫反射光谱附件。测试宝玉石表面的红外反射光谱是解决上述问题的一个成熟的方法,该方法不但可以鉴定宝玉石的填充、改性,还能得到完整的宝玉石的结构信息,常用于鉴定宝石的真伪。显微光谱法，红外显微镜可以将红外光由7-13mm 的光束聚焦到10-20Am, 通过研究钻石中的包裹体来判断是否为天然钻石。而切割打磨过的钻石、红宝石、蓝宝石, 由于切割面会将红外光散射, 使透射红外光无法聚焦到检测器上, 解决此问题只需将红外光显微聚焦到一个切割面上即可测得其红外光谱。傅立叶近红外光谱，近红外光谱主要指12500-4000 cm-1波段的红外光谱。此波段是中红外光谱的倍频和组合频区,其特点是穿透能力强，穿透深度可到1mm以上，而中红外光的穿透能力只能到40m左右。当翡翠B货表面打蜡较厚时,中红外光难以穿透蜡层，无法得到石蜡层以下填充树脂的相关信息,从而产生误判；而近红外光可深入宝玉石1mm以上,树脂、石蜡的光谱信息均不会漏掉,确保了鉴定的准确性。采用中、近红外双波段的傅立叶红外光谱仪,不仅可以对翡翠A、B、C货进行鉴定，而且可通过观察红宝石在7000cm-1左右近红外谱区中水的构态来鉴定红宝石的真伪。4. 拉曼光谱仪（RAMAN）：拉曼光谱仪通常大多测定的是斯托克斯散射，也统称为拉曼散射。拉曼光谱可以作为分子结构定性分析。拉曼光谱是近代迅速发展起来的物理谱学分析技术,它是反映物质的分子特征,不同物种由于分子基因不同、结构不同,其拉曼峰特征不同,据此可以获取有用信息,达到测定、鉴别的目的。拉曼光谱技术作为一种客观、准确、定量的甄别宝石真伪,优劣级别的测试方法在宝石鉴定领域有着不可替代的重要作用。拉曼光谱可以得到各种宝石的振动光谱,进而获取其结构、成分的相关信息,可以鉴别矿物类别以及结构构造。（1） 能区分宝石材料的晶质或非晶质，同时还可以研究宝石晶体结构的变异和结晶程度的变化，从而判断宝石是天然还是合成的。（2） 鉴别宝石材料是否经过染色处理。当宝石中混有无机或有机染色材料时,拉曼光谱能鉴别出其分子基团的类型,并能甄别是外部染色素还是天然杂质。（3） 对射线辐照或高温处理后的宝石内部结构的变化,反映在拉曼振动光谱上的变化最为灵敏,所以激光拉曼探针能直接鉴定和分析这些变化。如裂隙填充祖母绿、翡翠、裂隙填充钻石等。天然和人造树脂的拉曼波峰是很明显的, 极易检出。（4）利用光荧光光谱同样可以鉴别天然海水珍珠、人工养殖海水珍珠、人工养殖淡水珍珠,同时也可研究不同萤石的致色机理。5. 阴极发光仪（CL）：从阴极射线管发出具有较高能量的加速电子束激发宝石矿物的表面，电能转化为光辐射而产生的发光现象，称之为阴极发光。应用于天然与合成宝石的区分；研究宝石矿物内部结构，分析生长过程及形成环境；研究宝石的缺陷中心。 由于天然宝石与合成宝石的生长环境的不同，所接受的杂质成分的含量不同、种类也不同，造成天然和合成宝石在生长结构上有显著差异，在阴极发光下显示不同颜色和不同生长纹，从而为区分天然与合成宝石矿物提供有效帮助。阴极发光是研究宝石矿物的内部生长结构的重要手段之一，可揭示其生长过程和生长机制，还能反映生长条件及生长环境等信息。宝石在阴极射线激发下可以发射出色调、谱位及强度不等的光，根据CL像和CL光谱特征，能揭示缺陷中心及发光机理。6. X荧光光谱仪（XRF）：X荧光光谱仪（XRF）由激发源（X射线管）和探测系统构成。X射线管产生入射X射线（一次X射线），激发被测样品，产生X荧光（二次X射线），探测器对X荧光进行检测。受激发的样品中的每一种元素会放射出二次X射线，并且不同的元素所放射出的二次X射线具有特定的能量特性或波长特性。探测系统测量这些放射出来的二次X射线的能量及数量。然后，仪器软件将探测系统所收集到的信息转换成样品中各种元素的种类及含量。X荧光光谱仪根据各元素的特征X射线的强度，可以测定元素含量。元素的原子受到高能辐射激发而引起内层电子的跃迁，同时发射出具有一定特殊性波长的X射线，根据莫斯莱定律，荧光X射线的波长与元素的原子序数Z有关，其数学关系如下：=K(Z s) 2 式中K和S是常数。而根据量子理论，X射线可以看成由一种量子或光子组成的粒子流，每个光具有的能量为：E=h=h C/式中，E为X射线光子的能量，单位为keV；h为普朗克常数；为光波的频率；C为光速。因此,只要测出荧光X射线的波长或者能量,就可以知道元素的种类，这就是荧光X射线定性分析的基础