宝石学 第3章 宝玉石的物理化学性质

晶体：晶体是具有格子构造的固体，晶形的充分发育 可导致其外部晶面呈规则的几何形态(由晶面、晶棱、 角顶构成)。
隐晶质:一些矿物，虽然其内 部原子结构作有序排列，但不 具外部规则的几何形态，它们 由无数的微晶组成，但这些微 晶尺寸很小，甚至用普通显微 镜都无法观察到，这些矿物称 隐晶质，如玉髓、软玉、绿松 石等。
四方晶系
四方晶系代表宝石有锆石、方柱石和符山石等
符山石 锆石
3．六方晶系
3个或4个晶轴，以4晶轴表示法为例，其纵轴或主 轴（c轴）比其他3个相等的晶轴长或短，3个相等的晶 轴相互以120°相交，纵轴垂直于3个相等晶轴组成的 平面，即a1=a2=a3≠c,α=β=90°，γ=120°。 如 用 三 晶 轴 表 示 ， 则 为 a=b≠c ， α ＝ β=90°,γ=120°。
1．等轴晶系（立方晶系）
晶体中有三个晶轴(直立轴是c轴、前后轴是a轴、左 右轴是b轴)三轴长度相等，垂直相交，即a＝b＝c，α＝β ＝γ＝90°。 理想的晶形是立方体、八面体、菱形十二面体和由 许多小面组成近圆的球型。
等轴晶系
属于等轴晶系的主要宝石有钻石、萤石、石榴石、青金石等
萤石
青金石
2．四方晶系 3个相互垂直的晶轴，其中2个晶轴长度相等，另一 个不等，不等的晶轴为纵轴，两个相等的晶轴为横轴， 即a＝b≠c，α＝β＝γ＝90°。 理想的晶形是四方柱和四方双锥。
光 相互作用 宝石
产生的效应
影响最佳 加工琢型及比例
评价宝石 的重要依据
鉴定宝石 的理论基础及方法
一、光的本质
光的本质是电磁波，它既具有波动性，又有粒子性。 电磁波的振动方向垂直于传播方向，即光波是横波，并 可用波长、波幅来表示。
电磁波谱
二、自然光和偏振光
1．自然光
根据光振动的特点不同，可将光分成自然光和偏振光。 自然光是一切普通光源所发出的光波，如太阳光和电灯光 等，它们是光源中大量分子或原子辐射的电磁波的混合波。 混合波中的光振动不是只沿一个方向，而是在垂直光传播方 向的平面内的一切方向都有光振动。
300000 km / s N水晶 ＝ 1.55 193548 km / s
光由光密质向光疏质传播时，折射光将偏离界面的法 线方向，当入射角达到某一临界角度时，折射角将达到 90°，折射光延界面传播，这时入射角就是 “临界角”。 如果入射角稍大于临界角，入射光就全部反射回原来的密 介质中。这种现象称之为全反射。
入射角正弦与折射角正弦之比，等于光在入射介质中的 速度与折射介质中的速度之比，是一个常数，即折光率
v1 sin N＝ v2 sin
钻石和水晶的折光率分别为：
光在空气中的传播速度 v1 300000km /s N 钻石＝ 2.42 光在钻石中的传播速度 v2 123967km /s
红宝石： 红色中带玫瑰色调
红色尖晶石： 红色中带冷灰色调
红色石榴石： 红色中带褐色调
红色碧玺： 红色中带粉色调
饱和度（纯粹度或彩度saturation） 是指颜色的鲜艳 程度。通常用色光与白光的比例来定量表示。 例如主波长650nm，饱合度60％的色光，主波长说明它 是深红色，饱合度说明它相当于60％波长为 650nm 的深红
全反射和临界角
常见的宝石临界角：
钻石24°25´， 红宝石、蓝宝石43°37´， 尖晶石35°36´， 黄玉37°50´, 水晶40°50´
正确切割的宝石
宝石太浅，光从亭 部漏掉
宝石太深，光从亭 部漏掉
四、光在均质体及非均质体中的传播
1．均质体
均质体也称各向同性体。均质体的宝石，在晶体的不同方向格子 构造的排列相同。光在其中传播有两个特点：光从任意方向进入均质 体时，各方向光速相等，折光率相等；光在其中传播，光的振动方式 不变。自然光进入均质体仍为自然光，偏振光进人仍为偏振光。属均 质体的宝石有等轴晶系和非晶质体宝石。
2 ．三原色 不同颜色的光源叠加在一起呈 现的颜色，我们称之为加色。 物体对可见光选择吸收后透射 （反射）出的颜色，我们称之为减 色，也就是宝石的颜色。 国际上统一使用的标准白色光 源的色温是6500°K ，是由三束能 量近似相等的三色光源——红光、 绿光、蓝光混合而成。红色、绿色、 蓝色就称之为三原色。三原色含量 不同，宝石的颜色也就不同。
光由光疏质向光密质传播图
光由密介质向疏介质传播
2．折光率和全反射 真空中的光速与介质中的光速之比，称为该介质的绝对 折光率。通常所说的折光率（refractive index），一般指的 就是绝对折光率。由于光在空气中与在真空中的光速非常接 近，因此实际上一般以空气中的光速与某介质中的光速之比 称为该介质的折光率。
晶体和非晶体物理性质的差异
晶体具有固定的熔点，而非晶体无明显的熔点； 晶体呈现各向异性，而非晶体是各向同性的； 晶体具有自范性，即它通常能以平面作为其与周围介 质的分界面，具有形成规则多面体外形的倾向，非晶 体无自范性； 晶体还具有高度的对称性，非晶体无对称性。
晶体与非晶体之间的宏观性质上的差异， 是由微观结构的不同所引起的
自然光射入非均质体后的现象
最大折光率值和最小折光率值间的差值，称为
双折射率（birefringence）。
双折射及双折射率是识别宝石的主要特征之一， 如石英最大区别的折光率分别为1.544和1.553，因 此，其双折射率等于1.553-1.544=0.009。
高的双折射率在宝石中的表现 由宝石台面向亭部的底刻面棱角处放大观察，转动 宝石就会见到棱线呈现的双影。
一轴晶晶体有两个折光率No和Ne，其中一个方向 保持不变为常光（No），这个方向为光轴方向，它与晶 体中的c轴平行一致；另一个折光率随晶体转动有所变 化，当振动方向平行于光轴时，其折射率达到最大值
（例如在石英等晶体中）或最小值（例如在刚玉等晶体
中），称非常光（Ne）。 两者的差值Δ则为晶体的双折射率，当No＞Ne时，
红玉髓吊坠
多晶质:一些矿物也是由 细小的晶体组成，然而 其组成晶体可用放大镜、 甚至肉眼观察到，这些
矿物称多晶质，如翡翠、
独山玉等。
独山玉雕
2.非晶质
有些貌似固态的物质, 它们内部组成质点不作规 则排列，即只按短程有序 排列，不具格子构造，因 而没有规则的几何外形， 这类物质称非晶质或非晶 质体。从内部结构的角度 看，非晶质体中的质点分 布类似于液体。如火山玻 璃、玻璃、蛋白石、琥珀 和松香等。 蒙镶琥珀烟壶 蛋白石
单斜晶系
紫锂辉石
透辉石
7.三斜晶系
三轴不等，皆相互斜交，即a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°。 常的宝石仅有日光石。
三斜晶系
§3.2宝石的光学性质
宝石的光学性质在宝石鉴定、评价以及设计加工中的意义 1.宝石的颜色、光泽以及所具有的一些特殊的光学效应都是光与宝石 相互作用的结果； 2.对宝石的鉴定，一般要求无损伤鉴定，所依据的主要是宝石的光学 性质，如折射率、双折射率等； 3.为了最大限度地体现宝石的美，必须将宝石所能产生的最吸引人的 效果显示出来，为此，在宝石加工中必须充分了解宝石的光学性质。
为一轴负晶，当Ne>No时为一轴正晶。
No、Ne及Δ都是每种一轴晶的特征性光学常数。
3．二轴晶
在非均质晶体中，具有两个光轴的晶体，称为二轴晶。两光 轴所在的平面称为光轴面（optic axial plane）,两光轴间的夹角 成为光轴角（optic axial angle），记为2V。二轴晶包括斜方晶系、 单斜晶系、三斜晶系的宝石。这三个晶系的晶体，光在三个方向 传播速度均不相同，故属二轴晶的晶体有三个折光率：Ng、Np、 Nm。
自然光的振动与传播方向
2．偏振光
自然光经过反射、双折射，或通过特制的偏光片以 后，改变了光的振动方向，使其成为只在一个固定方 向振动的光波，这种光波为平面偏光，简称偏振光或 偏光。
通过偏光片的自然光 A．自然光 B．偏光片 C．偏振光
三、光的折射、全反射和折光率
1.光的折射 折射定律：光由光疏介质到光密介质时，光的传播 方向向法线方向折射，入射角大于折射角(γ>β)；光由密 介质向疏介质传播时，向远离法线方向折射，入射角小 于折射角(γ<β)，入射角的正弦与折射角的正弦之比为一 常数；入射线、折射线，法线在同一平面内。
自然光和偏振光在均质体中的传播
2 ．非均质体和双折射
非均质体也称各向异性体，除 等轴晶系以外的其他各晶系都属于 非均质体。 无论入射光是自然光还是偏光， 当进入非均质晶体时，会产生振动 方向相互垂直而又同时垂直于光波 的传播方向的两束折射光，且都是 偏光；同时，两者在晶体中的传播 速度除特殊情况外（光轴方向）也 不等，相应地便有两个大小不等的 折射率，此种现象称为双折射 (double refraction)。
六、颜色
1．颜色 宝石的颜色是宝石对可见光区域内（400－700nm)，不同波长 的光选择吸收后，透射或反射出光的混合色。可见光光波波段是：
紫色
蓝色 青色
400－450nm
450－480nm 480－510mn
绿色
黄色 橙色
510－550nm
550－590nm 590－630nm
红色
630－700nm
3．颜色的三要素 色调（色相color hue） 所有宝石的颜色可分为彩色 与非彩色两大类。非彩色的表示宝石是黑、白及各种灰色。 彩色的有红、黄、蓝等颜色。色调是指彩色的类别，如红、 橙、黄、绿、青、蓝、紫等，通常以主波长表示。 例如某宝石色调的主波长是 589nm ，表明宝石颜色相 当于波长 589nm的橙黄色；另一个宝石色调的主波长为 550nm ，它也是黄色，但与前一种不同，它较偏绿。
在二轴晶中，光沿任一光轴传播时均不发生双折射，并具有 同一折射率Nm；光沿其他方向传播时均发生双折射，且两个偏 光的振动方向和对应的折射率均随光传播方向的改变而改变，其 一大于Nm而另一个小于Nm；当光的传播方向与光轴面垂直时， 2个折射率分别达到最大值Ng和最小值Np。其双折射率Δ＝Ng－ Np。 Ng、Np、Nm、Δ及2V都是每种二轴晶的特征性光学常数。
六方晶系
理想的晶形是六方柱和六方双锥,代表的宝石有 绿柱石、磷灰石和蓝锥矿等
绿柱石
蓝锥矿
4.三方晶系（菱方晶系）
与六方晶系相似，但其对称程度较低。a＝b＝c， α＝β＝γ≠特殊角。理想的晶形是三方柱、菱面体。代 表性宝石有刚玉、石英、电气石、硅铍石、方解石和 菱锰矿等。
三方晶系
方解石
硅铍石
刚玉（红宝石）
方解石的双折射现象
锆石也因为双折射率较高，放大检查时，可明显 地看到刻面棱线呈双影。
合成金红石
五、一轴晶、二轴晶
1.光轴
自然光在非均质晶体中传播，一般情况下均发生双折射 现象，但也有一个或两个不发生双折射的方向，不发生双折 射的方向就是该晶体的光轴方向，也称为光轴。
2．一轴晶 在非均质晶体中，只有一个方向不发生双折射的晶体，称 一轴晶。属一轴晶的宝石有四方晶系、三方晶系和六方晶系。
常见他色宝玉石致色元素宝石名称钛ti蓝宝石蓝色绿柱石坦桑石绿色淡紫蓝色铬cr红宝石祖母绿金绿宝石变石红尖晶石玉髓红色绿色红色绿色锰mn红色绿柱石玫瑰色铁fe海蓝宝石蓝色尖晶石蓝色钴co天然蓝色尖晶石合成蓝色尖晶石蓝色蓝色镍ni绿玉髓绿色wwwdocincom比如成分纯净的刚玉为无色但若含有微量的cr时显现蓝色称之为蓝宝石
5.斜方晶系(正交晶系)
晶体具有3个不等长的晶轴，彼此相互垂直，即 a≠b≠c，α=β=γ=90°。其中最长的主轴（c轴）直立， 其他两个晶轴水平。 理想的晶形是柱状和柱状双锥。
斜方晶系
代表性宝石有红柱石、金绿宝石、堇青石、橄榄石、托帕石 （黄玉）、黝帘石、顽火辉石等
顽火辉石
黝帘石
黄玉
6.单斜晶系 三个轴不等长，两轴相互垂直，一轴斜交。即a≠b≠c， α=γ=90°，β≠90°。属这个晶系的宝石有翡翠、软玉、紫 锂辉石、月光石、透辉石、孔雀石、蛇纹石等。
§3宝玉石的物理化学性质
§3.1晶体和晶系
一、晶体和非晶体
1．晶体 水晶和金刚石
水晶
金刚石
格子构造:不论晶体外部形态如何，其内部质点（原 子、离子、或分子）都是有规律排列的。这种规律表现为 同种质点作周期性的重复，构成了所谓的格子构造。 抽象地选取晶体中任一个质点作为相当点，相当点的 分布规律可以体现晶体构造中所有质点的重复规律。三度 空间中相当点的格子状排列就称为空间格子。
二、晶系
为描述晶体的形态，假设有某些固定线作为描述格点
相对位臵的坐标系统，这个坐标系统可认为是无限长的
假想线，沿着晶体某些限定方向穿过理想晶体。它们相 交在晶体内部被称为原点的一个点上。这些假想的线称
为晶轴，根据晶轴的长短，相互之间的交角和晶体的对
称性，晶体共分七大晶系。 任何晶体所属的晶系均可由晶轴的数目、相对长度及 夹角来确定。