宝玉石的物理性质

表 2-28 解理级别 完全解理 中等解理 不源自文库全解理 难易程度 易裂成平面或小块， 断口难出现 可裂成平面，断口较易出现 不易裂成平面,出现许多断口 解理分级表 解理面特点 光滑、平整、闪光 可呈台阶状 较平整的平面 不平整,不连续,带油脂感 实例 托帕石、萤石、 方解石、辉石 金刚石、蓝晶石、榍 石、红柱石 磷灰石、金绿宝石、 绿柱石
3.1.2.2 宝玉石的光学性质 3.1.2.2.1 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。
④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： ①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。 ②树脂光泽：类似于松香等树脂表面所呈现的光泽，如琥珀。 ③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。 ④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。 ⑤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 （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。
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。
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） 。
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 （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 =τ ，τ 称为介质的透明度系数，τ 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 ①透明：能使绝大部分光透过，如水晶。 ②半透明：能使部分光透过，如金绿宝石中的猫眼品种。 ③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 （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（ρ ）和吸收比（α ）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： ①金属光泽：如自然金、自然铂及磨光后的黄铁矿。 ②半金属光泽：如赤铁矿、赤铁矿 ③金刚光泽：非金属矿物中最强的一种光泽，如金刚石。
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 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 2-29 矿物 滑石 石膏 方解石 萤石 磷灰石 正长石 石英 黄玉 刚玉 金刚石 成分 Mg3[Si4O10](OH)2 CaSO4·2H2O CaCO3 CaF2 Ca5(PO4)3(F,OH,Cl) KAlSi3O8 SiO2 Al2 SiO4 (F,OH)2 Al2O3 C
硬度对照表 摩氏硬度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Knoop（kg/mm2） 32 135 163 430 560 820 1340 2100 7000