宝石学基础课程-第八章反射和反射效应

宝石学基础课程,第八章反射和反射效应,第八章反射和反射效应,第一节反射的基本概念第四节其他与反射有关的效应一.反射及反射定律一.晕彩二.外反射和内反射二.亮度第二节外反射（表面反射）三.砂金效应一.光泽四.闪烁二.光泽类型第五节以光反射为基础的测试器第三节内反射一.内反射效应二.猫眼效应三.星光效应,第一节反射的基本概念一.反射及反射定律反射是落在表面的光部分从表面反回的现象。反射遵循斯涅尔反射定律：定律之一：光线的反射角与入射角相等。定律之二：入射线、反射线和法线位于同一平面内。入射角（i）反射角（r）入射点（o）:光线照射到反射面的位置反射面（MP）法线（NO）是通过入射点（O）并垂直于反射面（MP）的假想线,二.外反射和内反射（一）外反射（表面反射）：并非所有照射到宝石表面的光都能进入宝石有一部分的光波被从表面反射，这一现象称之为外反射或是或表面反射。许多宝石材料的瑰丽有一部分就是来自表面反射光。（二）内反射：未被表面反射而进入宝石的光会被宝石材料的内部包裹体和其它特征所反射这一现象称之为内反射。内反射能使宝石出现一些特殊的光学特征，譬如猫眼和星光效应，从而增加这些宝石的瑰丽和价值。,第二节外反射（表面反射）是光从宝石材料材料表面的反射，用光泽来描述。一.光泽是表面反射，其明亮度和质量取决于（一）材料的折射率和反射率；（二）材料的颗粒集合方式；（三）表面平整程度；（四）抛光程度；（五）硬度。尽管较硬的宝石常有较强的光泽，但硬度和光泽两者并无直接的关系。以折射率为1.89的翠榴石为例，其硬度只有6.5，但却具有亚金刚光泽。,二.光泽类型（一）光泽等级：矿物学中，通常按光泽的强弱将光泽分为五级：金属光泽、半金属光泽、金刚光泽、亚金刚光泽、玻璃光泽。（二）特殊光泽类型：由于矿物的表面不平，或带有细小孔隙，或因不是单体而是集合体，则其表面所反射出来的光亮必然受到一定程度的影响，从而造成一些特殊的光泽类型。1.特殊的光泽类型：丝绢光泽、珍珠光泽、蜡状光泽油脂光泽、树脂光泽、沥青光泽和土状光泽等。2.特殊光泽类型并不代表某一光泽等级。同一种矿物有时可按光泽等级描述，有时可按特殊类型描述。如石膏为玻璃光泽，但呈纤维状集合体时可描述为丝绢光泽。所以必须明确，特殊光泽不是每一种矿物必定具备，但每一种矿物必可归在某一种光泽等级之中。,三.光泽类型描述：（一）金属光泽-由金或银等金属以及抛光的赤铁矿和黄铁矿等宝石材料所显示的非常强的光泽。（二）半金属光泽-呈弱的金属状的光泽。宝石材料只极少数供收藏的品种如辰砂和黑色闪锌矿具半金属光泽。（三）金刚光泽-如钻石所显示的很明亮和反射性的光泽。（四）亚金刚光泽-通常由锆石和翠榴石等高折射率宝石所显示的明亮光泽（五）玻璃光泽-在抛光的玻璃、祖母绿和碧玺等具中等折射率的大多数透明宝石中所见到的光泽。天然，然而要指出的是，刚玉（红宝石和蓝宝石）以及大多数石榴石和尖晶石当与祖母绿等具较低折射率的宝石相比较时，可描述为明亮玻璃光泽。通过训练，你将能把总称为具玻璃光泽的海蓝宝石、托帕石、蓝宝石的光泽区分开。,（六）丝绢光泽-石膏和孔雀石等一些纤维状矿物显示的光泽。（七）珍珠光泽-天然和养殖珍珠都由晶质层组成，光从表面和近表面的晶质层反射。有时这种微细的结构引起晕彩。珍珠的这种光泽常称为珍珠光泽。一些宝石的解理面显示珍珠光泽，这是因为紧靠表面下方的初始解理引起了横跨解理面的普遍的晕彩。,（八）树脂光泽-琥珀等软的具低折射率的宝石显示树脂光泽。（九）油脂光泽-在一些颜色较浅，具玻璃或金刚光泽的宝石的不平坦表面上或颗粒集合体表面上所见到的类似油脂状的表面反光。如水晶的晶面为玻璃光泽，断口则常呈油脂光泽。（十）蜡状光泽-在一些半透明或不透明、低硬度的隐晶质或非晶质块状集合体表面所呈现的一种类似于石蜡状的表面反光，如块状叶腊石、绿松石。（十一）土状光泽-呈粉末状或土状集合体的矿物或材料，其表面光泽黯淡如土，如高岭石、褐铁矿等。,第三节内反射一.内反射效应：是光从宝石表面以下的特征反射造成的。内部特征可能是宝石中的包裹体，也可能是结构性特征如裂缝和微细的薄层。（一）由包裹体导致的重要内反射效应是猫眼效应和星光效应等。（二）由结构性特征（微细的层）导致的一个重要的内反射效应是晕彩。晕彩是由光的薄膜干涉和衍射效应造成的。珍珠光泽也属此效应；二.内反射效应品种（一）猫眼效应1.猫眼效应是某些宝石沿一定方向切磨成弧面宝石后因反射而在其表面出现的从这一头到另一头的明亮光带。,2.猫眼效应是光从长形、定向且都平行于一个方向的包裹体反射所致。这些包裹体既可以是其他矿物的针状包体或纤维状体，也可以是管状孔洞。3.当以下条件都具备时，宝石将显示猫眼反射：1）包裹体是长而细的针状、管状的；2）包裹体是平行排列的；3）包裹体是足够丰富的；4）宝石被切磨成顶部是弯曲的，而底部平行于包裹体所在的方向。,4.举例：1）金绿宝石有个品种具猫眼效应。这是唯一一种无需注明矿物种而直称猫眼的宝石。2）能提供猫眼品种的其他宝石是石英（包括虎睛石）和碧玺等。不应将这些宝石直称为猫眼，而应描述为石英猫眼、碧玺猫眼等。,（二）星光效应1.成因同猫眼效应，但它是光从宝石内部定向排列的两组或两组以上平行纤维状或管状包裹体反射所造成。2.显示星光效应的条件：1）包裹体是长而细的：针状、纤维状包裹体或管状孔洞；2）包裹体在至少两个不同方向上是平行排列的；3）包裹体是足够丰富的；4）宝石被切磨成顶部是弯曲的，而底部平行于包裹体所在的方向。3.丝光：当包裹体数量不足时不产生星光，但有时偶尔能看到由一小群这类包裹体反射出的光叫丝光。,4.表星光效应1）表星光效应：当从上面来的光被丛弧面切磨的宝石或珠子，例如星光刚玉和星光石榴石中的包裹体所反射时，通常能看到的星光效应。2）透星光效应：穿过透明宝石并朝向观察者的透射光被宝石内微细、定向的纤维体所聚焦和反射。当光穿过宝石时，纤维体“被照亮”。这叫透星光效应。如：从底部照亮某些蔷薇石英球体或弧面宝石时可见到特别好的透星光效应，表现为非常细的明亮的星光。蔷薇石英（芙蓉石）的星光主要是透射光造成的故称为透星光，它不全属于反射效应。,第四节其他与反射效应有关的效应一.晕彩（一）定义晕彩是光的反射、衍射和干涉作用的综合效应：是当光波因从薄膜、裂隙反射或因衍射而发生干涉作用致使某些颜色被去除而另一些被加强时所看到的颜色效应，这种单一色或一系列颜色效应，这种单一色或一系列颜色常被描述为晕彩。使用白光时宝石材料中的干涉看的最清楚。为了解晕彩的成因，需要知道什么是光的干涉，什么是光的衍射。,1.干涉（Interference）-波长相同、传播方向相近的两束以上的光在同一介质中传播或相遇时，在交叠区相互作用产生相位增强（“同相位”）或相消删除（“异相位”）的现象称为光的干涉作用。产生干涉作用的波称为相干波。当两相干波源的单色发光产生干涉时将产生一系列明暗条纹，称为“干涉条纹”：而复色光（发生干涉时），产生由紫到红的一系列彩色条纹。,2.衍射（Diffraction）-又称“绕射”：指光在传播过程中遇到障碍而偏离直线方向的现象。当光线从狭缝、微细孔洞或极细的线、槽或纤维通过或反射时都可能发生衍射。缝隙和颗粒越小衍射量越大，光以很大的衍射角向外发散。单色衍射时，衍射的结果产生明暗相间的条纹。复色光（白光）发生衍射时，不同的波长以少许不同的角度衍射，这导致发散的光谱色。衍射是干涉的一种特殊形式。,（二）晕彩种类：1.由薄膜干涉作用导致的晕彩1）光从液体薄膜、固体薄膜以及不同组成的固体微分层和裂隙孔洞呈密集复式反射时所发生的干涉作用，所产生的干涉色与水塘油膜中所见的相似。2）珍珠、拉长石以及月光石所显示的不同晕彩效应都由固体微细分层产生的薄膜干涉作用造成。3）许多宝石中晕彩的出现是由于光从裂缝和裂隙中反射而导致干涉色，这些裂缝和裂隙通常是空气的薄膜。光也可从初始解理反射而造成干涉色，如托帕石中所见。4）宝石表面的氧化膜以及人工镀膜也可以产生晕彩。,2.从极小和规则排列的球状结构或包裹体衍射形成。在贵欧泊中，二氧化硅球体之间的空间提供了细小的孔隙并产生明亮的晕彩色。这种效应被称为欧泊变彩。二氧化硅球体直径只有200nm到300nm（纳米）。它们之间的孔隙在尺寸上与光的波长为同一数量级。一些白光光线当穿过三维结构时将发生干涉。不同欧泊样品中球粒的大小不同所产生的颜色范围也不同。（欧泊是非晶质，二氧化硅小球粒有序排列，球粒大小在190nm300nm，斑块间球粒大小不同，光在球粒间产生干涉和衍射时产生晕彩，没有变彩的叫火欧泊）,.亮度亮度是通过冠部刻面观察时所见到的光被宝石反射而导致的明亮程度。它是由从亭部刻面反射的光和丛冠部刻面表面反射光共同造成的（内反射和外反射的共同作用）。明亮琢型的钻石切磨成合适角度，会造成光的全内反射，使光返回，加之从冠部刻面表面反射的光，朝着正对着台面观察的观察者。因此钻石显示高亮度。,低折射率宝石大多不以显示最大亮度为目的进行切磨，因为这时必须有很深的亭部才能产生全内反射。这么厚的宝石要求很深的镶嵌。宝石的亮度既然依赖于它有能力让光充分反射，也同样依赖于它能让光充分透过。所以，最大亮度也取决于总的透明度和净度（不含包裹体）以及好的抛光，强的光泽和未被磨损。,三.砂金效应光从宝石材料所含规则及不规则排列的赤铁矿和其他铁矿物小片或云母小片以及铜片晶等反射而产生的星闪效应。最常见的显砂金效应的天然宝石材料为日光石（砂金长石）、东陵石（砂金石英），而人造材料则有砂金玻璃（包括金星石）。四.闪烁效应宝石因光源移动，或观察角度的变化，引起刻面对光源的反射呈敏感交替的现象。闪烁的效果与刻面的大小、数量以及光源或观察角度的变化速度有关。,第五节以光反射度为基础的测试仪器一.反射度（Reflectance）是反射自表面的光的强度与到达表面的光（入射光）的强度的可以度量的比例。反射光的强度反射度入射光的强度反射率是入射光线垂直于材料表面，即入射角=0时，从材料表面能获得的最大反射度值。宝石的反射度和其折射率之间有密切关系。当周围介质为空气时，对于透明材料：R=（n-1）2/（n+1）2式中R为反射率，n为折射率。可见材料的折射率越高，其反射率也越高。通过测量材料的反射率和校准的RI标尺，可得出材料的RI值。用反射率提供RI值的仪器叫反射仪。,反射仪,1.基本原理（1）反射率：特定的入射角范围内反射光与入射光强度比。（2）透明宝石的反射率与折射率的关系：反射率=（n-1）2/（n+1）2通过测定反射率可以计算出样品的折射率。,二.反射仪使用红外光发射二极管（LED）作为入射光源，检测和标定有宝石表面反射回的光量，得出表面的相对反射率。因为宝石的关泽或反射仪受污物、油脂和表面缺陷的影响，所以当使用反射仪时，一定要保证宝石的待测面是平坦、洁净、无划痕的.使用反射仪的一个优点是在仪器正确标定的前提下，能度量超出标准折射仪测试范围的高折射率并区分钻石和它的仿制品。然而，该仪器不能提供精确的度数，可获得的信息范围也不如全内反射(TIR)折射仪广.,2.反射仪的操作（1）选取样品平坦、抛光最佳的刻面；（2）用绒布清洁样品的待测刻面；（3）待刻面放假在仪器的测试小孔上，尽量使小孔位于刻面的中央位置；（4）按下测试开关按钮，观察仪器显示的结果，记录所测得读书；（5）稍微移动样品，重复测试二次，得出样品的反射率或者折射率的平均值。,3.反射仪用途和注意事项（1）测定折射率1.81的宝石