宝石光学性质.ppt

第二章宝石的基本特性,第一节宝石的光学性质第二节宝石的力学性质第三节宝石中的包裹体,第一节宝石的光学性质,一、宝石的颜色二、宝石的光泽和透明度三、宝石的折射率和色散四、宝石的多色性五、宝石的发光性六、宝石的特殊光学效应,一、宝石的颜色,研究意义：宝石颜色是评价宝石质量和价值的重要依据；不少宝石的特有颜色可以作为其重要鉴定特征；了解宝石颜色的致色原因，对宝石的合成、改色、鉴别等工作都一定的指导意义。,1、颜色的本质,颜色是具有一定波长的电磁波。一定波长的可见光，会呈现一定的颜色。在整个电磁波谱中，能引起人眼视觉的可见光只是一小部分，一般取400700nm波长作为可见光的范围（实际范围可达380780nm）。,单色光的波长由长到短，对应的颜色感觉由红到紫。,日常见到的自然光，就是由以上几种色光混合而成的白光。将各种色光的颜色排成扇形圆环图，任意一对对角扇形区两种颜色的色光，都可以适当比例混合成为白光，这两种颜色称为互补色。,红,橙,黄,黄绿,绿,蓝,靛,紫,颜色表示方法：波长（）单位：纳米（nm）能量（E）单位：电子伏（ev）E(ev)(nm)1240400nm紫光相当于3.10ev;700nm红光相当于1.77ev即可见光的能量范围大致为1.773.10ev。波长越短，能量越大。,700nm,400nm,宝石的颜色是宝石对不同波长的可见光选择性吸收的结果。当可见光（白光）照射宝石时：如果宝石选择吸收了某些波长的色光，则宝石呈透射或反射色光的混合色，相当于被吸收色光的补色或补色的混合色；如果宝石普遍均匀的吸收所有色光，则宝石随吸收程度不同而呈黑、灰或白色；如果所有的色光都有通过宝石，则宝石呈无色透明。,宝石的颜色,白光,2、宝石颜色的致色机理,五种机理：过渡金属离子的内部电子跃迁致色离子间的电荷转移致色色心致色能带间的电子跃迁致色物理光学致色,（1）过渡金属离子的内部电子跃迁致色,当宝石组分中含有：Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等，都是宝石产生颜色的物质基础，称为“色素离子”。这类离子存在d轨道上未成对的单电子，受到周围配位体阴离子电子云影响，d轨道的能级会发生分裂，所产生的能量差值可能与某种波长的可见光能量相当。当白光入射宝石晶格，d电子受到相同能量光波激发，从基态（低能轨道）跃迁到激发态（高能轨道），这部分光波的能量转移给被子激发电子，即吸收，其余光波透射或反射出宝石，混合呈色。,吸收光能,释放光能,放热,红宝石的呈色机理,成分：Al2O3含Cr2O3Cr3+Al3+有3个d电子基态e激发态,吸收紫光、绿-黄光通过红光、蓝光（少量）呈红色、紫红色,（2）离子间电荷转移致色,在晶体结构中，相邻离子间在外来能量（光能）作用下，可使电子从一个原子的轨道跃迁到另一个原子轨道上去，即离子间发生电荷转移。,离子间电荷转移分三类型：非金属离子金属离子金属离子金属离子非金属离子金属离子,e,蓝宝石的致色原因,蓝宝石成分：Al2O3含Fe2+、Ti4+等杂质。Fe2+Ti4+电荷转移吸收红、黄光，呈蓝色。,（3）色心致色,色心：可以吸收光波的晶体结构缺陷。主要有两种：缺失原子（缺位）受放射性幅照捕获1个电子形成电子色心；额外原子（填隙原子）受放射性幅照激发1个电子形成空穴色心。两者结果都造成有不成对的电子而发生能级分裂，吸收光波产生颜色。,例：紫色萤石的致色原因,萤石成分：CaF2由于Ca2+含量过高和受放射性幅照影响，造成F缺位而为电子占据电子色心。,该色心吸收黄绿光波，使萤石呈紫色。,例：烟晶的致色原因,成分：SiO2Si4+Al3+H+(Na+)受幅照后，Al3+邻近的O的1个价电子被激发离开其轨道，出现未配对电子空穴色心。,产生极强的紫外可见光范围的吸收，呈烟灰色。,H,（4）能带间的电子跃迁致色,能带理论认为：晶体中的电子不束缚于个别原子，而是在整个晶体中作周期性共有化运动。,即晶体中的每个电子都是在周期性排列的原子和其它所有电子产生的势场中运动。,在晶体中，各个原子的相似轨道能级发生相互重叠而构成各个能量范围不同的能带，电子按能级高低分别处在各能带中。,处在价带顶部的电子当受到大于Eg的外来能量（可见光）激发，可以跃迁到导带上去。吸收可见光能量而使晶体产生颜色。,能带理论所解释的宝石颜色,（5）物理光学致色,指由于宝石内部的结构、构造、裂隙、包裹体等到因素，对光发生物理光学作用而使宝石呈色。这些作用主要有：1）干涉作用致色2）衍射作用致色3）散射作用致色4）有色包体致色,1）干涉作用致色,干涉：当两条光线相遇而叠加沿同一路线传播时，由于彼此的位相原因造成光波相互增强或抵消的一种光学现象，其效果是产生非纯正光谱色。常见于有裂隙、薄层包裹体或具不同物质薄层结构的材料。,例一：晕彩石英，由于存在充填于裂隙中的气、液薄膜，呈现虹彩。,例二：珍珠，两种折射率不同的物质（珍珠层和有机质层）呈同心层状交替构成，对光层层反射和折射，相互于涉产生晕彩。,2）衍射作用致色,衍射：为光干涉的一种特殊类型。产生衍射的宝石具有规则的不同折射率的交替层堆积，当白光与之相互作用时发生光波的定向传播，其效果产生纯正光谱色。这种现象主要见于欧泊：,3）散射作用致色,宝石材料内部结构不规则、或粒度超出衍射限定范围（约100400nm）、或含直径大于可见光波长的包裹体、微晶微裂隙或气泡，入射光线与这些不符合衍射条件的物质界面相互作用，造成光在不同方向上的反射而呈现颜色。例：普通蛋白石、乳石英等。,4）有色包裹体致色,宝石材料中含有有色包体杂质，因它们的体色影响，使宝石呈现出相应的颜色。例如，石英中可含蓝线石包体而呈蓝色、日光石因含红色赤铁而呈红色等。,二、宝石的透明度和光泽,（一）宝石的透明度（二）宝石的光泽,（一）宝石的透明度,透明度：指宝石充许可见光透过的程度。有关因素：宝石晶体的透明度与其化学成分和结构有关。如果内部存在有较多自由电子，电子跃迁会吸收大量光波，透过光少，故透明度低或不透明；如果内部不存在自由电子或较少，则对光波的吸收少，透过光多，透明度较高。,玉石的透明度与组成矿物的透明度和集合体方式有关。一般透明度低或不透明。即使主要由透明矿物集合而成，因内部颗粒之间的界面对光线产生散射，也表现出较低的透明度。与宝石中的杂质、包裹体、裂隙，以及表面是否光滑等因素有关。,宝石透明度分级,宝石的透明度通常是对加工成一定规格大小的成品而言。分级标准（五级）：（1）透明：可充分透过可见光，隔着宝石可清晰透视另一侧物体，如优质钻石、水晶等；（2）半透明：可较好地透过部分可见光，隔着宝石可透射另一侧物体，但不清淅，如电气石、月光石等；（3）亚透明：可较差地透过部分可见光，隔着宝石不能透视另一侧物体，如优质翡翠、软玉、岫玉、玉髓等；（4）半亚透明：只能透过很少可见光，或光线只能透过宝石薄片，如玛瑙、黑曜岩、天河石等；（5）不透明：基本上不能透过可见光，即使磨成薄片也不透明，如青金石、孔雀石等。,（二）宝石的光泽,光泽：指宝石表面对可见光的反射能力。但对透明度很高的宝石来说，其光泽应是反射光量（主要）和透射光量（次要）的总和。宝石光泽的强弱取决于宝石的折射率（N）、吸收系数（K）、反射率（R）。它们的关系如下：透明宝石R=(N-1)2/(N+1)2不透明宝石R=(N-1)2+K2/(N+1)2+K,宝石光泽分级,根据折射率（N），分为五级：金属光泽N3赤铁矿半金属光泽N=2.63.0金红石金刚光泽N=2.02.6金刚石半金刚光泽N=1.92.0锆石强玻璃光泽N=1.71.9金绿宝石、钙铝榴石玻璃光泽N=1.541.70尖晶石、电气石、水晶半玻璃光泽N=1.211.54欧泊、萤石,宝石的特殊光泽,油脂光泽：由于极微细的粗糙表面（抛光面或断面）使光线漫反射而显示油脂般的反光现象。如软玉、蛇纹石玉、石英断口等。蜡状光泽：由隐晶质块体或微细颗粒表面对光线漫反射而呈现出蜡状反光现象，较油脂光泽弱。如绿松石、玉髓等。树脂光泽：由于质软或折射率低，呈现出如同树脂般的微弱反光现象。如琥珀、塑料等。丝绢光泽：由于具有纤维状结构或构造，各纤维的反射光相互影响而呈现出丝绢般的反光现象。如木变石、纤维石膏等。珍珠光泽：为珍珠特有的光泽，因具有细微的同心层状结构，对光层层反射干涉而呈现出朦胧的晕色光泽。,油脂光泽：由于极微细的粗糙表面（抛光面或断面）使光线漫反射而显示油脂般的反光现象。如软玉、蛇纹石玉、石英断口等。,蜡状光泽：由隐晶质块体或微细颗粒表面对光线漫反射而呈现出蜡状反光现象，较油脂光泽弱。如绿松石、玉髓等。,树脂光泽：由于质软或折射率低，呈现出如同树脂般的微弱反光现象。如琥珀、塑料等。,丝绢光泽：由于具有纤维状结构或构造，各纤维的反射光相互影响而呈现出丝绢般的反光现象。如木变石、纤维石膏等。,珍珠光泽：为珍珠特有的光泽，因具有细微的同心层状结构，对光层层反射干涉而呈现出朦胧的晕色光泽。其它某些具有细微平行层面结构的宝石材料有时也可出见类似的光泽，如月长石等。,三、宝石的折射率和色散,（一）折射率（二）双折射率（三）色散,（一）折射率,当光线从空气（光疏介质）传播到宝石（光密介质）表面时，一部分光线按反射定律返回空气，一部分光线按折射定律进入宝石：,反射定律：反射角等于折射角，r=i折射定律：折射角小于入射角，r=i,i,r,r,根据折射定律：宝石的折射率N为光在空气中的传播速度Vi与光在宝石中的传播速度Vr之比，它等于入射角i的正弦与折射角r的正弦之比，是一常数。,例：已知光在空气的传播速度为300000km/s,在钻石中的传播速度为123967km/s,则钻石的折射率为：,宝石的折射率与光在其晶体中的传播速成度成反比。传播速度越小，折射率越大；反之，则折射率小。折射率是宝石的一种稳定光常数，各种宝石都其固定的折射率值，故是鉴定宝石的重要依据。例如：钻石2.42红宝石1.7621.770黄玉1.6191.627水晶1.5441.553,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。,立方晶系,四方晶系,六方晶系,三方晶系,斜方晶系,单斜晶系,三斜晶系,（二）双折射率,均质体宝石：光学上各向同性的介质，等轴晶系、非晶质体。单折射，只有1个折射率值N。,N,单折射,非均质体宝石：光学上各向异性的介质，除等轴晶系外的其它六个晶系。双折射，有多个折射率值：一轴晶（四方、三方、六方晶系），二个主折射率Ne、No。NeNo，正晶；NeNm-Np，正晶；Ng-NmNm-Mp，负晶。Ng-Np，双折射率。,Ne,No,双折射,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。,（三）色散,1、光的色散：指白光被分解为单色光而形成七色光谱现象。棱镜分光原理图解：,白光,色散光,波长越长(红光)，折射率(n)越小，而折射角(r)越大;波长越短(紫光)，折射率(n)越大，而折射角(r)越小。,2、宝石的色散：当白光通过加工成特定琢型的刻面型宝石后，也会发生色散现象。俗称“出火”、“火彩”。,白光,色散光(火彩),色散值：指一定波长的紫光(430.8nm)和一定波长的红光(686.7nm)这两个波长分别是太阳光谱中的G线和B线，在晶体中产生的折射率之差。例如：钻石NG=2.451NB=2.407色散值=0.044影响宝石色散现象（火彩）的因素：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。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。,四、宝石的多色性,多色性：有色宝石晶体，在光的透射照明下，不同方向呈现不同颜色的现象。产生原因：晶体内部不同方向上晶格结构存在差异，除造成折射率不同外，同时对光波的吸收不同，因而呈现不同的颜色。均质体宝石（非晶质体、等轴晶系），各向同性，对光波无吸收差异，不具有多色性。非均质体宝石，各向异性，对光波有吸收差别，可具有多色性：二色性四方、三方、六方晶系宝石；三色性斜方、单斜、三斜晶系宝石。多色性特征是鉴定宝石的重要依据之一。,宝石矿物多色性示例,蓝宝石光性方位与多色性,黝帘石光性方位与多色性,五、宝石的发光性,发光性：指宝石在外加能量（紫外线、X射线）的激发作用下，能发出可见光的性质。,发光性分两种：荧光在外激发光的能量停止作用时，发光也随即停止。磷光在外激发光的能量停止作用后，发光还能继续一段时间。,发光性原理,发光性的实质是宝石晶体结构吸收了较高的外加能量，然后以较低的能量（可见光）再发射出来。发光过程大致经两个阶段：1）电子吸收光子能量进入高能级（A）；2）电子以发射光子和释放热的形式放出能量回落到低能级（B）。,发光性影响因素：与宝石本身的化学成分有关，主要是过渡元素、特别是稀土元素的种类和数量有关；与外来杂质、幅照环境条件等因素有关。发光性鉴定意义：有些宝石的发光性特征较稳定，有时可作为有效鉴别依据；有些宝石的发光性特征变化很大，不能作为可靠的鉴定依据。,六、宝石的特殊光学效应,指宝石外表出现的一些奇异光学现象。主要有以下几种：猫眼效应星光效应变彩效应变色效应月光效应砂金效应,1、猫眼效应,宝义：指某些宝石加工成弧面型后，在其弧形表面可以呈现出一条明亮的光带，并且对着光带转动宝石时，光带也随之平行移动的光学现象。,原理：宝石内部具有平行的纤维构造或含有平行密集的针状、纤维状矿物包体或管状气-液包体等，当垂直这些平行结构或构造方向将宝石切磨抛光成弧面型时，在光线照射下，弧面迎光部位的各个纤维或针、管状包体的反光点连在一起，就构成一条明亮光带。当转动宝石时，光带随着迎光部位的改变而移动。,品种：金绿宝石、绿柱石、电气石、磷灰石、石英、木变石、方柱石、锂辉石、透辉石、顽火辉石、绿帘石、黝帘石、透闪石、硅灰石、红柱石、硅线石等都可以产生猫眼效应。共有20多种，以金绿宝石出现的猫眼效应最好。,名称：金绿宝石猫眼石，可简称“猫眼”、“猫眼石”。其它具猫眼效应宝石，“该宝石名+猫眼（石）”。如“海蓝宝石猫眼（石）”。,2、星光效应,定义：某些宝石当加工成弧面型后，在其弧形表面可以呈现出多条相互交叉的光带，构成四射、六射或十二射的放射状星光图案的光学现象。,原理：宝石中含有沿着二个、三个或六个几何方向排列的针状矿物包体、或管状气-液包体，当平行这些包体的交织展布面（C轴）切磨原料加工成弧面型，各方向包体对光反射产生的光带相互交叉，就构成星状图案。,品种：星光红宝石和星光蓝宝石（六射、十二射）、星光芙蓉石（六射）、星光绿柱石（六射）、星光铁铝榴石（四射）、星光尖晶石（四射）、星光透辉石（四射）、星光顽火辉石（四射）、星光透闪石（四射）、星光堇青石（四射）等。有10多种，最漂亮的是星光红宝石、星光蓝宝石。,3、变色效应,定义：指某些宝石，能在日光和灯光照射下呈现出同的颜色的光学现象。变色现象最早发现于含铬的金绿宝石（变石），它在日光下呈绿-蓝绿色，在灯光下呈红-紫红色。,原理：与宝石中的化学成分（Cr3+、V3+)有关。变石：含微量Cr3+,使它对绿光透射最强，对红光透射次之，对其它光波强烈吸收。因此，在日光照射下，由于光源中绿光成分相对较多，变石透过绿光多而呈绿色；在白炽灯、烛、油灯光照射下，由于光源中红光成分多，变石透过红光多而呈红色。品种：变石（含铬金绿宝石）。其它少数含铬或钒的镁铝榴石和锰铝榴石、哥伦比亚含钒蓝宝石、东非含钒电气石等。合成刚玉变石、合成尖晶石变石、立方氧化锆变石等