第2章宝石的基本特性

波长越短，能量越大。
•
宝石颜色是宝石对不同波长的可见光选择 性吸收的结果。
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白 光
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
宝石的颜色
1）干涉作用致色
• 干涉：当两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 干涉产生晕彩。
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。
紫 靛
红
橙 黄
蓝
绿 黄绿
700nm
400nm
• 颜色表示方法：
– 波长（λ） 单位：纳米（nm） – 能量（E） 单位：电子伏（ev）
E(ev) × λ(nm) ≈ 1240
– 400nm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1.77~3.10ev 。
红色 纯净无色
蓝色 黄色
赤铜矿、辰砂
金刚石、刚玉、绿柱石 石英、黄玉、萤石 Ⅱb型金刚石（含硼） Ⅰa型金刚石（含氮）
（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 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
• 成分：SiO2 O2- O2- O2Si4+ Si4+ Si4+ Si4+
• Si4+←Al3+﹢H+(Na+)
O2辐照
O2-
O2H
O2- O1- O2Si4+ Al3+ Si4+ Si4+
• 受辐照后，Al3+邻近的Oˉ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。
光波的吸收少，透明度较高，如钻石具典型的原子晶格。
②与宝石中的杂质、包裹体、裂隙、厚度和自 身颜色，以及表面是否光滑等因素有关。 ③玉石的透明度与组成矿物的透明度和颗粒结 合方式有关。
组成矿物的粒度越不均匀、排列越杂乱、颗粒边
缘越不平直，则内部颗粒之间的界面对光线的折射、
散射越强，透明度越低。即使主要由透明矿物组成
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 400~700nm波长作为可见 光的范围（实际范围可达 380~780nm）。
• 单色光的波长由长到短，对应的颜色感觉由红到紫。
红色
770——620nm
300000km/s N钻 = 石 123967km/s
= 2.42
• 宝石折射率与光在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，则越小。 • 折射率是宝石的一种稳定光常数，各种宝石都有 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 黄玉 1.619~1.627 红宝石 1.762~1.770 水 晶 1.544~1.553
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 100~400nm）、或含直径大于可见光波长的包裹体、微晶微
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。
e
•
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——非金属离子
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
•
绿色
530——500nm
橙色
620——590nm
青色
500——470nm
黄色
590——560nm
蓝色
470——430nm
黄绿
560——530nm
紫色
430——380nm
• 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。
白色；
–如果所有的色光都有通过宝石，则宝
石呈无色透明。
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激发电子，即吸收，其余光波透 射或反射出宝石，混合呈色。
O2- O2- O2-
（4）能带间的电子跃迁致色
根据能带理论，晶体中的电子按能量高低分别位于各能带中。被电子占 满的能带称为满带，未占满的称为导带，导带的能量较高。各能带间有一 能量间隙，称为禁带。电子可以由满带向导带跃迁，但必须吸收超过中间 的禁带宽度所代表的能量才能发生。
导带——未充填满电子
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
Eg
能 量
原子轨道 原子能级 能带
禁带宽度-两能带间能量差ev
满带（价带）-充满面电子
禁带 满带——已充满电子
•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，可跃迁到导带。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
致色原因 禁带宽度Eg低于可见光 能量 禁带宽度Eg在可见光能 量范围内 禁带宽度Eg大于可见光 能量 由微量组分引起的颜色 颜色 紫-蓝色 黄色 红色 白色 矿物实例 铜蓝 金、黄铁矿 铜 银、铂
• （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：
•①宝石晶体的透明度与其化学成分和结构有关。 • 金属晶格内部存在较多自由电子，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赤铁矿；
• 原子晶格和离子晶格内不存在自由电子或较少，则对
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 不透明宝石 R=(N-1)2 / (N+1)2 R=[(N-1)2+K2] / [(N+1)2+K2]
• 此外，宝石的抛光质量、表面平整程度、集合体的 结合方式（如石英岩和虎睛石）等因素也会影响宝 石光泽强弱。
• 萤石成分：Ca F2 • 由于Ca2+含量过高和受放射性
F- F- FCa2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+
F- F- FF- e- FCa2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+
幅照影响，造成F – 缺位而为
电子占据——电子色心。
F- F- F-
• 该色心吸收黄绿光波，使萤石 呈紫色。
例：烟晶的致色原因
第二章 宝石的基本特性
• • • • 第一节 第二节 第三节 第四节 宝石的光学性质 宝石的力学性质 其它物理性质 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
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
（4）半亚透明：透光很少，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。