宝石的光学性质

2、宝石中的致色元素
大多数宝石含有能引起光的选择性吸收的元素， 它们既可以是微量元素，也可以是宝石中的主要化学 成分。宝石中最常见的致色元素有八种：钛、钒、铬、 锰、铁、钴、镍、铜。这些致色元素在每种宝石中所 占据位置不一样。
以宝石的主要成分出现使宝石致色的元素称为自 色宝石矿物，如菱锰矿（MnCO3）的粉红色是由成分 中的Mn元素致色; 橄榄石（(Mg Fe)2SiO4）绿色由成分 中Fe元素致色。 以微量元素的形式出现使宝石致色称为它色宝石 矿物，如刚玉Al2O3，当它纯净时无色，当含微量元素 Cr时形成红宝石；当含微量元素Fe、Ti时形成蓝宝石。
当两条光线（A、B）在相同方向上传播时，频率 相同、位相相同并沿同一条光路传播，两光波的电矢 量加强，波峰与波谷均重合时，它们相互增强，A、B 两光线相加，合成光波 C ，以至光强度增大。反之则 彼此间相互抵消，A、B两光线发生相消干涉，合成直 线C，合成波消失，光便完全消失。
三）、变彩效应
宝石中所见到的干涉色是发生在无数条白光 光线受到干涉的情况下，而白光又是由无数不同 波长的波（颜色）所组成。当某些波长的波（颜 色）被破坏，某些在强度上减弱或加强就会产生 一系列干涉，出现变彩效应。 变彩可分多色和单色变彩：
3、宝石加工中，多色性对于宝石工匠很重要。具 有多色性的宝石加工中必须正确取向。如红、蓝宝石加 工中必须顶刻面垂直C轴方向，方可显示最好的颜色
六．多色性
宝石名称 光性 基本体色 多色性颜色
红宝石
蓝宝石 祖母绿 红柱石 堇青石
U（－）
U（－） U（－） B（－） B
红色
蓝色 绿色 绿褐色 蓝色
红色和橙色
七．折射与反射
1、等轴晶系和非晶质结构的宝石，允许光线朝各个方 向以相同的速度通过，这类材料在任意方向上均表现 出相同的光性（各向同性），只有一个折射率值。 2、三方、四方、六方、斜方、单斜、三斜等六个晶系 的宝石均表现出定向的光性（各向异性）光线通过这 类非均质体宝石时，入射光线将分解为彼此完全独立 的、传播方向不同、振动方向相互垂直的平面偏振光， 不同的平面偏振光的传播速度不同，即有不同的折射 率值，两个折射率之间的差值称为双折射率值。
在过渡金属元素铁、铬、铜等和稀土金属中-存 在一种特殊的电子态。其原子仅仅有部分被填充的内 壳层，这些未填满的内壳层保持有不成对的电子，它 们的激发态往往落于可见光谱内，能产生范围很宽的 鲜明颜色，称之为晶体场颜色。 宝石矿物只要存在带有不成对电子的离子就会产 生晶体场颜色。如红宝石、鲜红色是由微量的杂质铬 离子（Cr）替换了铝离子(Al)而呈色。海蓝宝石的海 水蓝色是由微量过渡金属杂质铁离子（Fe）引起。绿 松石的瓷松色是由过渡金属铜（Cu）引起。
透明：能完全清晰地透视其它物体。如钻石、红宝石、蓝宝石 等能 允许绝大部分的可见光透过晶体。 半透明：一般厚度下，能模糊地透视其它物体的轮廓。如：玛 瑙、芙蓉石等能允许部分光透过晶体。
微透明：一般厚度下，能透过光，但看不清透过的物象。如： 软玉、独山玉、岫玉等。
不透明：宝石的晶体或块体基本上不透光。如：青金岩、绿松 石、珊瑚等。
蓝色和蓝绿色 绿色和黄绿色 红、绿和橙褐色 紫蓝、淡蓝和黄褐色
变石
B（＋）
绿色、红色 红色、绿色和黄色
七．折射与反射
折射与反射
光从一种介质进入另一种具有不同光密度的介质时， 在两种介质的分界面上将发生分解（其传播方向发生改 变），产生折射和反射现象。折射光按折射定律进入另一 介质，反射光按反射定律返回介质中。 1、当光线从光疏介质进入光密介质时，光线偏向法线 折射，折射角小于入射角 2、当光线从光密介质进入光疏介质时，光线偏离法线 折射，折射角大于入折角；当光线的入射角继续增大，折 射光线沿两介质中通过，折射角等于90°为全反射临界角
四、特殊光学效应
星光效应 猫眼效应 变彩效应 砂金效应 变色效应
一）、星光效应
星光效应是由几组定向排列的针管状包体对光 的反射所造成。 产生星光的条件： 1、宝石具有至少两个方向和定向排列的针管状包体； 2、琢磨的宝石使其底面平行于包体的平面
3、宝石是弧面型琢型
一）、星光效应
能显示出星光效应的宝石有红宝石、蓝宝石、 铁铝榴石、尖晶石、透辉石、芙蓉石等。以刚玉为 例解释星光的产生：
五、色散
色散：指白光照射到透明物体的倾斜平面时，分解成它的 组成色（波长）。色散是可以计算的，通常以相当于弗朗 霍菲光谱中 B线和G线的光所测得的折射率的差值来表示。
B线——红光中 686.7nm ；G线——紫光中 430.8nm
宝石中有时称色散为“火彩”。各种宝石的色散光的 数量是不同的，从萤石（ 0.009 ）微不足道的色散到合成 金红石（0.28）的强烈色散。
五）、变色效应
金绿宝石变石品种，也称亚历山大石，在日光 和灯光下观察，出现截然不同的两种颜色，日光下 呈现绿色，灯光下呈现红色。这种现象称为变色效 应。 变色成因的最佳解释是一种颜色的平衡，变石 成分中含有微量元素Cr，铬元素在红宝石中形成红 色，在祖母绿中形成绿色，而在变石中铬元素需要 的能量正好处于红色和绿色之中，因此宝石的颜色 取决于所观察的光源。变石在蓝光充足的日光下呈 现绿色，在红光充足的烛光中呈现红色。
通常以折射率的大小把光泽分成四级：
1、折射率>3 2、折射率2.6—3 金属光泽 半金属光泽 如：金、银、铜 如：乌刚石（针铁矿）
3、折射率1.9--2.6
4、折射率1.3--1.9
金刚光泽
玻璃光泽
如：金刚石、锆石
绝大多数宝石属于此类光泽
三、透明度
透明度：指物质透过光的强弱的一种表现量。吸收性强， 透明度弱；吸收性弱，透明度强。透明度分为四个级别：
七．折射与反射
异常双折射 等轴晶系和非晶质体宝石中，常常在正 交偏光下出现波状消光，旋转宝石360°出现 明暗相间条纹或斑点、黑十字、黑色弯曲带， 这种现象是由宝石内部应变产生，显示异常 双折射的有色宝石不具有多色性。
八．发光性
发光性：一些宝石矿物能在 X-射线或紫外线照射下发 射出并呈现一定颜色的可见光的现象。 宝石的发光性是由于宝石矿物的原子或离子受激发因 素的激发时，外层电子发生跃迁过程引起的物理效应， 矿物学上称荧光。 荧光：在激发因素消失时，某些宝石发光现象也随之 消失； 磷光：在激发因素消失时，某些宝石能保持较长一段 时间内继续发光。
自 色 宝 石
致色元素
它 色 宝 石
颜 色 致色元素 宝 石 颜 色
宝 石
Cr
Mn Mn Mn Fe Fe Cu Cu
钙铬榴石
锰铝榴石 菱锰矿 蔷薇辉石 橄榄石 铁铝榴石 绿松石 孔雀石 硅孔雀石
绿色
橙色 粉红 粉红 黄绿 暗红 天蓝 绿色 蓝绿
Ti
Ti 、Fe V Cr Cr Cr Cr Mn Fe Fe Fe Ni
七．折射与反射
3、双折射率：各向异性宝石的双折射率，用最大折射 率值和最小折射率的差值来表示： RI（大）－RI（小）=DR（双折射率）
如水晶1.553－பைடு நூலகம்.544=0.009
4、光轴：所有具有双折射的宝石晶体都有一个或两个 不发生双折射的方向，这些方向称为光轴。一轴晶宝石 （三方、四方、六方）有一个方向不发生双折射，有一 个光轴方向，称为一轴晶；二轴晶宝石（斜方、单斜、 三斜）有两个方向不发生双折射，有两个光轴方向，称 为二轴晶。
以红宝石为例，常光线方向为红色，非常光线方向为橙 色。因为这两条光线振动方向不同，平行于这两个方向晶体 的原子结构有所不同，并以不同方式影响这两条光线，影响 着折射的路径，也就决定了两条光线中每一条的残余色。
六．多色性
三色性：为双折射的二轴晶宝石，通常具有三个方 向性的颜色 ，常称为三色性。 多色性的作用： 1、某些宝石种显示不同的多色性，对鉴定有帮助； 2、显示多色性的宝石，必定具有双折射
八．发光性
宝石的发光性可用来鉴定宝石 ：
1、帮助区分某些天然宝石的人造宝石：天然蓝宝石无荧光， 合成蓝宝石发红色荧光；
2、帮助区分群镶钻石及钻石仿制品：群镶钻石LW下发出的荧 光强度和荧光的颜色有差异，群镶钻石仿制品发出均匀性荧光
3、帮助鉴别某些人工处理宝石：翡翠在紫外光下发出浅色荧 光，B货翡翠在紫外光下注胶的地方发出不均匀性荧光 4、X-射线下天然珍珠不发荧光（除淡水或某些澳大利亚海珍 珠发出浅黄色光外），人工养殖珍珠X-射线下发出强的荧光和 磷光。
六．多色性
多色性是描述某些双折射彩色透明宝石中看到不同方向性颜 色的通用术语，它包括二色性和三色性。 二色性：为双折射的一轴晶宝石，当光线进入一轴晶宝 石中分解成振动方向相互垂直的两条平面偏振光，其中一条 光线为常光线垂直C轴振动；另一条光线为非常光线平行C轴 振动。如果双折射有颜色伴随，这两个方向出现不同的颜色。
蓝锥矿
蓝宝石 绿色绿柱石
红宝石、红尖晶
蓝色
蓝色 绿色 红色 绿色 红、绿 绿色 粉红 蓝和绿 绿和褐 蓝色 绿色
祖母绿 变石 玉髓、翡翠 红色绿柱石 海蓝宝石 电气石 蓝尖晶石 绿玉髓
Cu
注意： Cu在它色宝石中 极少作为致色元素出现。
Co
Co
蓝尖晶（极纯)
合成蓝色尖晶
蓝色
蓝色
二、光泽
光泽：是指矿物表面对光反射的能力。反射能力越大，光泽 越强。光泽实质上是一种表面光彩，它在很大程度上取决于 宝石的折射率大小，同时也取决于宝石的抛光程度。
产生猫眼的条件： 1、一组针管状包体密集而平行的排列； 2、琢磨的宝石使其底面平行于包体的方向； 能产生猫眼效应的宝石有金绿宝石、碧玺、绿 柱石、磷灰石、石英、方柱石、红柱石等，其中以 金绿宝石产生的猫眼效果最佳。
三）、变彩效应
变彩效应，也叫晕彩效应，实际上是一种干涉效 应，指光线从薄膜或从欧泊所特有的结构中反射出， 经过干涉或衍射作用而产生的颜色或一系列颜色。
多色变彩：欧泊
单色变彩：月光石
四）、砂金效应
半透明的单晶宝石中含有片状包裹体，当光 照射时因反射作用而闪闪发亮。这种现象称为砂 金效应。
日光石内含有大量的赤铁矿小薄片或水晶中 有无数绿色云母片，在光照射下，光亮闪闪。
仿宝石中金星石多属人工玻璃，SiO2成分中 混有纯铜碎片，烧结后琢磨成玉件工艺上也称 “砂金石”，颜色有黄褐色、暗蓝色。
1、颜色的形成机理
2）、分子轨道理论认为：
能够影响宝石矿物颜色的一种机理是电子电荷从 一种离子到另一种离子的转移，称电荷转移。如蓝色 蓝宝石，它是一种含铁和钛杂质的透明刚玉矿物，它 可以有两个能态： Fe2+和Ti4+；Fe3+和Ti3+ ，当吸收 光时，一个电子从铁跃迁到钛上时，铁失去一个电子 为正价，钛得到一个电子为负价。激发这种电荷转移 大约需要两个电子伏特的能量，这种跃迁形成一个宽 的从黄伸展到红区的吸收带，于是蓝宝石呈现为深蓝 色。
七．折射与反射
3、当光线的入射角继续增大，大于临界角时， 入射光不再发生折射，而是全部反射回到入射介质 中，且遵循反射定律：反射角=入射角。这一现象称 为光的全反射 4、当光线进入两种介质具有完全相同的光密度， 这时没有折射发生，因为这时的光速没有变化
七．折射与反射
折射率和双折射率 折射定律指出：对于给定的任何两种相接触的介质及 给定波长的光来说，入射角的正弦与折射角的正弦之比为 一个常数。 这个比值称为折射率，折射率是一个固定的比值，也 可表示为光在空气中的速度与某材料中的速度之比。即： 折射率（RI）= 光在空气中的速度 光在某材料中的速度
刚玉宝石的一些晶体中含有三组与横轴平行排 列，与纵轴垂交的包体，各组包体相互间呈现60° 交角。当宝石琢磨成弧面型且底面与这些包体的平 面相平行时，光便从宝石中反射出而产生 6道星光 效应。
二）、猫眼效应
猫眼效应是弧面型的某些宝石表面出现的从这 一头到另一头的明亮光带，这条亮带由来自平行定 向的反射光产生。
第二章 宝石的基本性质
宝石的光学性质 宝石的力学性质
一、颜色
颜色是决定宝石名贵和价值高低的基本和首要因素 颜色是光作用于人眼而在头脑中产生的一种感觉 激发人的眼睛与大脑的颜色感觉要具备三个条件：
1、（白）光源； 2、反射、散射及改变这种光的物体；
3、接受光的人眼和解释它的大脑
1、颜色的形成机理
1）、晶体场理论认为：