05.1 光的基本性质及宝石的光学性质

现代科学证实，光具有波粒二像性，只有将 光的波动理论与光的量子理论结合起来，才能对
光的本质进行完整的解释。
第二节
自然光与偏振光
1.自然光 一切从光源直接发出的光波，统称为自然光，如 太阳光、灯光等。

2.偏振光 在垂直光波传播方向的某一固定平面内沿一固 定方向振动的光波称为平面偏振光，简称偏振光 或偏光。如图1—3—4所示，偏振光的振动方向 与传播方向构成的平面称振动面。
一轴晶宝石，在平行光轴或平行光轴面 的面内，多色性表现最明显（二色性），垂 直光轴的平面则不显多色性；其它方向的平 面的多色性的明显程度介于上述二者之间。


二轴晶彩色宝石可以有三个主要颜色（三 色性），它们分别与光率体三个主轴ng 、 nm 、 np相对应。 在平行光轴面的切面中多色性最明显，它 的两个颜色分别与ng和np相当，在垂直光 轴的切面上只显示一种颜色，此颜色与nm 相对应。

光的量子理论 普朗克在1900年提出了光的量子理论，认为 各种频率的光只能不连续地被发射和吸收，即光具 有粒子性，能量是不连续的，是量子化的。 爱因斯坦进一步提出，光的辐射场也是量子化 的，光在空间传播也具有粒子性，即一束光是一束 以光速运动的粒子流，这些粒子称为光量子，或光 子，不同频率的光子具有不同的能量。 光的粒子性很好地解释了光的直线传播、光的 折射和反射，能解释宝石的颜色成因，以及荧光、 磷光等现象。
3.光的散射 散射是指由传播介质的不均匀性引起的光线 向四面八方射去的现象。

若散射中心非常小，即引起散射的粒子小于光的波 长（d<λ）时，这种散射称为瑞利散射。 在瑞利散射中，散射强度与光的波长成反比。 所散射的高能光波为蓝紫色光，橙红色光大多不被 散射，因此所见侧光多呈浅蓝色。

若散射中心与光的波长相近或更大时（d≥λ）时， 所发生的散射称为米氏散射。散射作用与波长的 关系不大，散射光以白色为主。 d=λ~2λ时，有 可能显示出各种颜色，主要是红色和绿色。
由折射转变成全内反射
当光线的入射角加大到一定程度(如图中的 OD光线)，相应的折射线DD′，已不再进入光疏 介质，而是沿DD‘方向在S分界面内传播。 如果光线的入射角继续增大(如图中的OE光 线)，入射光不再发生折射，而是全部反射回入 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，与γ＝90°相应的入 射角称为全反射临界角。


宝石晶体的多色性明显程度与宝石的性质 有关，也与所观察的宝石的方向性有关。 在平行光轴或平行光轴面的切面内，多色 性表现最明显，垂直光轴的切面则不显多 色性；其他方向的切面上的多色性的明显 程度介于上述二者之间。
• 红柱石：二轴晶宝石
显示褐红色至灰绿色
• 堇青石：二轴晶宝 石 显示蓝紫色、浅 蓝色和浅黄色
二轴晶光率体 （三轴椭球体）
4.光性方位



光率体主轴与晶体结晶轴之间的关系称为 光性方位。 1 高级晶轴晶体的光性方位
等轴晶系是高级晶族中唯一的晶系，等轴晶系的宝石为均 质体，其光率体是一个圆球体，所以通过光率体中心的任 意三个互相垂直的直径都可以与三个结晶轴相当。球体半 径代表折射率的大小。

根据色散值的大小，可将色散划分成不同的等级： 极低(0.01以下) 萤石0.007 低(0.01～0.019) 水晶0.013 蓝宝石0.018 中高(0.02～0.029) 锰铝榴石0.027 人造钇铝榴石0.028 高(0.03～0.059) 锆石0.039 钻石0.044 人造钆镓榴石0.045 榍石0.051 翠榴石0.057 极高(0.06以上) 合成立方氧化锆0.060 合成碳硅石0.104 人造钛酸锶0.190 合成金红石0.330
中级晶轴

中级晶轴晶体只有一个高次轴（三次、 四次或六次轴），一轴晶光率体的旋 转轴（光轴）与晶体的唯一高次对称 轴（C轴）相一致，无论是正光性晶体， 如石英，还是负光性晶体，如方解石， 都是光率体的光轴与晶体的C轴一致。
4.光性方位
中级晶族
低级晶轴


斜方晶系晶体的最高对称要素为3L23PC，所以斜方晶系 的光性方位是：光率体的三个主轴与晶体的三个结晶轴相 重合，至于是那一个主轴与那一个结晶轴重合，因晶体不 同而不同。如宝石黄玉是：Nm=Y轴，Ng=Z轴，Np=X 轴。（Ng>Nm>Np）。 单斜晶系晶体的最高对称要素为L2PC。在晶体定向时， 如取b为唯一轴，此时b轴方向包含二次对称轴与对称面的 法线重合，它可与光率体三个主轴之一重合，其余二主轴 与结晶轴斜交。究竟那一个主轴与Y轴一致，其它二主轴 与Z轴或X轴的斜交角度有多大，视晶体种类不同而异。 如透闪石。
宝石矿物光泽的强弱也与其自身的折射率(n)、 反射比(ρ)和吸收比(α)有关。而且，反射比与折射率 和吸收比之间也有一定的函数关系。
折射率n 反射比ρ
1 0
1.5 4%
2 11.11%
2.5 18.37
3 25%
光泽分类 根据光泽的强弱可以将光泽分为： （1） 金属光泽 具金属光泽的宝石矿物，其R>25%，表面呈金属般的光 亮，一般不透明，宝石矿物极少具金属光泽，如黄铁矿。 通常折射率n>3。 （2）半金属光泽 具半金属光泽的宝石矿物，其R=25%-19%，表面呈弱 金属般的光亮，一般不透明，如黒钨矿和铬铁矿。通常折 射率n=2.60—3。 （3）金刚光泽 具金刚光泽的宝石矿物，其R=19%-10%，表面金刚石 般的光亮，透明—半透明，以钻石为代表，通常折射率 n=2.9—2.60。
2.光的衍射

光波在遇到障碍物时，偏离直线方向传播的现象 称为光的绕射，也称为光的衍射。


衍射的条件：只有当障碍物的大小与光波波长 十分相近，衍射才能发生。 单色光发生衍射时，衍射结果产生明暗相间的 条纹；当复色光发生衍射时，产生的将是五颜 六色的彩色条纹，衍射效应产生的是纯正的光 谱色。
光的衍射在宝石学中主要的应用 有两个方面： 其一，利用光的衍射原理而设计的衍射光栅，是 宝石用分光镜的主要构件之一。 其二，利用光的衍射原理，可解释宝石中的一些 特殊光学效应，如变彩效应。
第五章 宝石的光学性质来自一节1.光的电磁波理论
光的本质
以麦克斯韦为代表的电磁波理论认为光是一种电 磁波，以波动的形式，将光源辐射能从近至远地 向前传播；在波动中质点的振动方向和波的传播 方向相互垂直，为一种横波(如图所示)。


宝石学中常用波长单位为纳米，即10-9。有些情 况下用波数来表示波长范围，波数即单位长度内 波的数目，其单位为cm—l。波数值与波长成反比。 光的波动理论很好地解释了光的干涉、衍射及宝 石中相应的一些光学现象。
第八节 宝石的光泽
宝石的光泽是指宝石表面反射光的能力。 通常，光泽的强弱用反射率R来表示，反射率是指 光垂直入射宝石表面时的强度（Io）与反射光强 度(Ir)的比值。 宝石反射率的大小主要取决于折射率（n）和吸收 系数（K）。

光泽的强弱由多种因素决定： 1.宝石矿物的晶体结构与化学成分； 2.宝石矿物集合体结合方式和宝石表面性 质； 3.宝石矿物光泽的强弱也与其自身的折射 率、反射比和吸收比有关。一般而言，宝 石矿物的折射率、反射比越大，光泽越强。
3.自然光和偏振光在宝石中的传播特点
第三节
光的折射与反射
光的全反射及全反射临界角
根据折射定律，当光波由光疏介质(介质1)射入光密介质(介质2) 时，折射光的光速变小，相对折射率>1，入射角大于折射角(i >γ)， 折射光靠近法线方向传播；反之，当光波由光密介质进入光疏介质时， 折射光的光速将变大，相对折射率小于l，入射角小于折射角(i <γ) ， 折射光线远离法线方向传播，随着入射角的不断加大，折射光偏离法线 的程度也将不断加大(如图 ）
第五节

光的色散
光(复色光)在同一介质中的传播速度随波长而异 的现象称为色散。复色光通过具有棱镜性质的材 料时，棱镜将复色光分解成不同波长光谱的现象。
白光穿过棱镜和明亮琢型宝石时的色散

宝石的色散值是可以测定的，通常使用可见光谱 中两个最明显的波长，即分别测定宝石对红光 686．7nm及紫光430．8nm两束单色分光的 折射率值，这两束光的折射率值之差，便是该宝 石的色散值。这两种波长的光分别称为太阳光光 谱中的B线和G线。
钻石、合成金红石的火彩特征
色散在宝石中的意义: 其一，可以作宝石肉眼鉴定的特征之一 其二，高色散值使刻面宝石更加美观。 白光照射宝石分解出的光谱色，俗称“火彩”。 影响宝石火彩的因素除色散值外，还有体色、 净度和刻面角等。
第六节 光率体与宝石的光性方位


光率体 ：光率体是光在晶体中传播时，光波的振 动方向与折射率值关系的立体图形。 具体作法是：以晶体的中心为起点，测定晶体不 同振动方向的折射率值，按一定坐标空间和比例 作各振动方向折射率值的立体投影．各投影点的 轨迹构成该晶体的光率体。
有两个主折射率值：No和Ne，一轴 晶正光性No<Ne，负光性No>Ne。
二轴晶
斜方、单斜、三斜晶系
有三个折射率：Np、Nm、Ng，二 轴晶正光性Ng—Nm> Nm—Np； 负光性Ng—Nm< Nm—Np。
第七节 宝石的多色性、吸收性

宝石的多色性：宝石颜色随光波在晶体中 振动方向不同而改变的现象。 如：山东蓝宝石 平行C轴观察 蓝色 垂直C轴观察 蓝绿色 宝石晶体的多色性明显程度与宝石的 性质有关，也与所观察的宝石切面的方向 性有关。
在光的全反射过程中，相应的光疏介质的折 射率为n，光密介质的折射率为N，N> n，全反 射临界角为，它们之间可有如下关系。即 sin/ sin90°= n/ N n＝N· sin
光的漫反射


当一束平行光线照到理想抛光平面或镜面时，入 射光的绝大部分，依反射定律沿同一方向被反射， 且入射角与反射角相等，这种反射称为镜面反射。 当一束光线照到物体凹凸不平的表面时，光沿着 不同的方向发生反射，称为光的漫反射。