宝玉石的物理性质

第4章 宝石的物理性质

宝玉石的物理性质是由其化学成分和晶体结构所决定的，因此不同的宝玉石种，物理性质各不相同。宝玉石的物理性质不仅可以用来鉴定宝石，在宝石的琢磨、加工中，也必须考虑宝玉石的物理性质对加工工艺过程的影响，同时，宝玉石的美丽外观和耐久性，从本质上来说取决于宝玉石的物理性质。

4.1宝石的力学性质

4.1.1解理、裂开和断口

晶体在外力的作用下沿特定的结晶方向破裂成光滑平面的性质称为解理，破裂面称为解理面。解理总是在原子或离子连接薄弱的面网之间产生，因此解理面总是平行于晶体结构中面网密度较大的面网，阴阳离子电性中和的面网，同号离子相邻的面网以及最强化学键的方向。

解理是晶体的固有性质，可以根据解理鉴定宝石矿物。在宝石加工中，质量较次的部分可以利用解理除去。但是总的说来，解理对于宝石和宝石加工不利的方面可能多于有利的方面。

例如，平行解理面的方向抛光宝石实际上是不可能的，再加上易产生解理的宝石在研磨抛光时有可能裂成两片或更多碎片，使这种宝石的加工成为困难，黄玉具有完全的底面解理，宝石工匠在加工黄玉时，必须保证没有小面平行于解理面，而是使小面与解理面之间至少有5°的夹角。否则，细磨和抛光均可导致小面粗糙不平。

如果在晶体结构中的某些面网之间存在着由细小包裹体构成的夹层，或者存在着聚片双晶，当晶体受力之后，会沿着这些方向破裂成光滑平面，称为裂理面。裂理不是晶体的固有性质，而是与生长环境有关。因此，同一种宝石，有的产生裂理，有的则不产生。

断口则是矿物或岩石受力后产生的不规则破裂面，如蛋白石的贝壳状断口，软玉的锯齿状断口等。

4.1.2硬度

宝玉石硬度的大小体现了宝玉石抵抗外来机械作用力——刻划、压入、研磨的能力。宝玉石的硬度是其内部结构牢固性的一种表现，这种牢固性主要取决于化学键的类型和强度。

4.1.2.1莫氏硬度计

德国矿物学家莫斯选择了10种硬度不同的常见矿物，按照彼此抗刻划能力的大小顺序排列，构成莫氏硬度计。这是种矿物和对应的莫氏硬度为：

1滑石；2石膏；3方解石；4萤石；5磷灰石；6正长石；7石英；8黄玉；9刚玉；10金刚石。

莫氏硬度计中的每一种矿物，都可以被所有硬度高的矿物刻划，同时又可以刻划所有硬度低的矿物。

4.1.2.2硬度的意义

宝石的硬度是决定宝玉石耐久性的重要的因素。一些年代久远的宝石首饰表面会出现划痕，变“毛”并失去光泽，这是因为许多宝石的摩氏硬度小于7，而空气中的尘埃主要是由摩氏硬度为7的细粒物质组成，磨蚀无休止的作用于这些宝石，但是其作用的结果往往许多年之后才变的显著。此时，宝石应重新抛光。同时，珠宝商应对买主说明摩氏硬度小于7的宝石耐久性的不足。

玉是多矿物或单矿物集合体，在不同的矿物微晶之间，或者同种矿物微晶的不同取向上都存在着硬度差异。在抛光的过程中，如果使用的磨料的硬度较低，甚至低于玉中较硬的矿物的硬度，则较软的部分磨蚀速度大于较硬的部分，于是在玉的表面留下轻微不规则而且非常细小的凹坑，称为橘皮效应。

4.1.2.3硬度测试中应该注意的问题

硬度测试带有破坏性，所以在宝石测试中不做或只是最低限度使用。

一套由摩氏硬度计中的矿物组成的硬度笔，适用于测定未抛光的材料、雕刻品或雕像形式的装饰宝石。这种测试只能在宝石不易被发现的部位进行，此时，测试者需用放大镜观察测试结果，以确保只有极小的刻痕。

使用硬度笔时，总是从软笔到硬笔依次进行，以便获得唯一的一道刻痕。这条刻痕，应该是所有能刻划待测材料的硬度笔中，硬度最低的那支笔留下的刻痕。如果反顺序使用硬度笔，那么，在你找到能够刻划材料的最低硬度的笔之前，可能已经有不止一道的刻痕了。

不同硬度的宝石如果混装，较软的宝石表面会受损，特别是与钻石包在一起时，受损更明显。锆石尽管较硬（摩氏硬度6.5-7.5），但是性脆，即使稍微于其它软的物质接触，就立即产生磨损；甚至用宝石包装纸松散地包装，其小面边棱也会产生破损，这种现象称为纸蚀。

4.1.3密度和相对密度

密度指物质单位体积的质量，单位g/cm3。相对密度指在4o C及标准大气压条件下，材料的密度与等体积水的密度的比值。

相对密度（SG）=材料在空气中的质量/ 等体积水的质量

宝石的精确比重可以用静水称重法求出，精度取决于所用天平的灵敏度，操作过程，宝石的大小等因素。精确称出宝石在空气中的质量（W1）、宝石在水中的质量（W2）；等体积水的质量等于宝石在空气中的质量（W1）减去宝石在水中的质量（W2）。宝石的相对密度即可以用下式求出：

SG=W1 / W1 - W3

此外，还可以使用一套已知比重的重液，来测定宝石的近似比重。

比重或密度是宝玉石的重要参数，在有些宝玉石种的鉴定中需要精确测定比重值，宝石比重也是区别有机宝石以及塑料仿制品的重要依据之一。

4.2宝玉石的光学性质

4.2.1颜色

技术问题可以得到不同精确度的回答。如果孩子问母亲“草地为什么是绿色的？”可能得到的回答是：“就是这样的”。这个回答的含义显然是说绿色是草的固有性质。见识较高的回答可以是：草之所以呈现绿色是因为它反射绿光而吸收其它所有颜色的光。

颜色不是物体的固有性质，它只是光作用于人的眼睛而在大脑中产生的一种感觉，这种光是从物体表面反射或透过物体后到达我们的眼睛的。激发人的眼睛和大脑的色觉需要三个条件：①白光光源；②与白光作用（吸收、反射、衍射、干涉、色散等）的物体；③接受光信号的健康的眼睛和解释它的大脑。

4.2.1.1白光的组成

白光是由七种不同波长的单色光组成。波长范围大致在400~700nm，能量在1.7~3.1eV之间，这七种单色光大致的波长范围，根据牛顿的经典细分是：

红—700~630nm;

橙—630~590nm；

黄—590~550nm；

绿—550~490nm；

蓝—490~440nm；

靛（紫）440—400nm。

白光通过棱镜或光栅可以分解产生这些颜色的光谱，这种现象称为色散。

4.2.1.2宝玉石颜色的成因

颜色有不同的成因，要解释颜色的一切起因，至少需要援引五种理论或表达形式，而要想严格论述这些理论中的任何一种，都至少需要整整一卷书。宝玉石颜色的成因，主要有五类不同的情况：

⑴过渡元素离子致色（晶体场理论）

当一个过渡元素（V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu）的离子处于结晶场中时，它的d轨道就要发生分裂，从而形成不同的能级，这些能级之间的能量差，一般与可见光的某个波长相对应。如果宝石中含有某种过渡元素离子，当白光通过宝石时，由于受到光的激发，过渡元素离子d电子层中电子会发生跃迁，即从能量较低的d轨道（称为基态）跃迁到能量较高的d轨道（称为激发态），在此过程中，电子强烈吸收特定波长的色光，从而使宝石呈现剩余波长的颜色。

⑵电荷转移致色（分子轨道理论）

d电子的跃迁过程，不仅可以发生在过渡元素离子的内部，而且在晶体结构中相邻的离子之间也可以发生。电子从一个离子的轨道跃迁到相邻另一个离子的轨道上，叫做电荷转移，此过程中，电子吸收了特定波长的色光，从而使宝石呈色，电荷转移主要有两种情况：

①相邻过渡元素离子间的电荷转移

当一个过渡元素以两种或两种以上的氧化态（如Fe2+和Fe3+、Mn3+和Mn2+、Ti3+和Ti4+）在同一晶体结构中并存时，相邻离子间的电荷转移比较容易发生，这种转移使离子的价态发生短暂的改变（10-15s）。根据涉及的两个阳离子是否相同，又可以分为同核电荷转移（如Fe2+→Fe3+）和异核电荷转移（如Fe2+→Ti4+）。蓝宝石就是Fe2+→Ti4+之间的异核电荷转移致色。在蓝宝石的晶体结构中，Fe2+和Ti4+是代替Al3+占据八面体配位位置。当受到可见光的激发，电子会从Fe2+移向Ti4+，即从低能级向高能级跃迁，能级差为2.11eV，相当于黄橙光的能量，因此，Fe2+的电子在转移给Ti4+的过程中，要不断地吸收黄橙色的光波，使宝石呈现蓝色。

②中心阳离子与周围阴离子之间的电荷转移

这种电荷转移多发生在金属阳离子与氧离子之间，如O2-→ Fe3+之间、O2-→Cr3+等。O2-→Fe3+的电荷转移吸收可以从紫外一直到蓝光波段，蓝紫光的吸收使宝石呈现黄色。黄色蓝宝石、黄色绿柱石的黄色，均是由O2-→ Fe3+之间的电荷转移所致。

⑶能带致色

根据原子结构模型，自由原子中的每一个电子，都位于一定的能级上，各能级相互分立而不连续。但是在晶体结构中，由于原子之间的距离很小，每一个原子的外层电子，都与相邻近的原子中的电子发生强烈的相互作用，结果使原子轨道重叠，并发生能级分裂，这些能级间的能量

差很小，每个能级都分布在具有一定宽度的能量范围内，构成能带。完全被电子占据的能量较低的能带称为满带；部分被电子占据的能量较高的带称为导带。满带和导带之间的能量间隔称为禁带或带隙。

如果带隙的宽度，即它的能量间距比可见光的能量（3.1eV、紫端）大，可见光不足以激发电子向较高的能带跃迁，可见光可以全部通过，宝石为无色透明。

当带隙宽度小于可见光的能量（1.77eV），所有的可见光都用来激发电子从满带向导带跃迁，所有的可见光均被吸收，宝石为黑色或灰色。

若带隙宽度恰在可见光的能量（1.77~3.1eV）范围之内，则与带隙宽度相当的那部分可见光被吸收，剩余的色光构成宝石的颜色。

许多透明晶体的带隙宽度都大于可见光的能量，在正常情况下，可见光不足以激发电子，这时宝石为无色。但是，当宝石结构中含有杂质元素时，这种电子的跃迁过程就可以发生，从而引起宝石对可见光的选择吸收，使宝石呈色。

金刚石的带隙宽度为5.5eV，纯净时无色。当结构中含有少量的氮时，由于氮原子最外层有五个电子，比碳原子多一个，这个多余的电子在带隙中形成一个杂质能级，称施主能级，使带隙之间的能量差降低，可吸收紫光，使金刚石呈黄色。当含有少量的B 时，由于B最外层有三个电子，每一个B代替C都缺少一个电子，构成空穴，这种空穴可以接受来自满带的电子，形成一个受主能级，使金刚石呈蓝色。

⑷色心致色

色心是能够吸收可见光的晶格缺陷。在这种机制中，尽管不含有色素离子，颜色的产生还是与电子的运动状态有关。

①电子色心：在晶体结构中存在阴离子的空位，这个空位有从周围捕获电子的能力。当一个阴离子的空穴捕获到一个电子之后，这个电子具有占据不同能级和吸收光的能力，即在可见光的激发下，这个电子会从低能级向高能级跃迁，同时吸收可见光而使宝石呈色。

自然界产出的萤石（CaF2），有些呈紫色，没有分析出任何杂质元素与这种紫色有关；任何无色的萤石，即使是人工合成的极为高纯的晶体，如果用高能辐射源照射，都可以产生这种紫色。

在萤石的结构中，一个Ca2+周围与八个F-相连，在受到辐射时，F-容易离开它的正常位置，这样就在原来位置上形成F-的空位，这个空位会从周围捕获电子，在可见光的激发下，这个电子从低能级向高能级跃迁中，吸收了红、黄、绿、蓝大部分色光，仅使紫光透出，使应萤石呈紫色。

②空穴色心：在晶体结构中存在阳离子空穴，空穴周围的阴离子有成对电子，这些成对电子中的一个可以由高能辐射释放出来，形成不成对电子，同时吸收部分可见光而使宝石呈色。

在实验室合成水晶时，如果加入少量铝，则在形成的无色水晶中，每10000个Si4+中有一个被Ａl３＋取代，这种材料如果受到辐射，则会转变为褐色或黑色的烟晶，将烟晶加热到４０００，又恢复了无色。

在水晶中，每一个Si4+提供４个正电荷与两个Ｏ２－提供的４个负电荷平衡。但是Al３＋只能提供三个正电荷。当Al3+代Si４＋时，就会多出一个负电荷，出现阳离子空穴；这时，铝离子周围的某个氧离子的一个电子所受到的吸引力就会减弱。为了维持结构的电中性，就必须存在另一个带一个正电荷，并能占据邻近间隙位置的阳离子，即在铝离子的附近存在一个质子（Ｈ＋）。当受到辐射时，从Al３＋周围的氧中能够释放出一个电子，这个电子会被Ｈ＋俘获形成氢原子。

Ｏ２－→Ｏ－+e或［AlO4］5-→[AlO４]4-+e，于是e+H+→H

这样在每一个［AlＯ４］４－原子团中就有一个不成对电子，这个电子受到可见光的激发会从低能级跃迁至高能级，同时吸收可见光的大部份或全部吸收，使水晶变为褐色或黑色的烟晶。

如果代替硅的是Fe3+,则会出现浅黄色，即黄晶；辐射黄晶，会得到紫色的水晶，即紫晶。紫晶加热后恢复黄色。

短波紫外线、Ｘ射线、γ射线、α粒子，质子、中子等都可以用做辐射源，辐射产生的颜色稳定性与辐射源能量的大小有关，高能辐射源能一般能产生稳定的色心，但是有些会在宝石中留下残余放射性；能量较低的辐射源，穿透深度小，颜色仅分布在表面，而且易于退色。

⑸几何、物理光学致色

①干涉：由两列具有相同波长、相同振动方向和恒定相位差的光波在空间迭加时，在交迭区形成的恒定的加强和减弱的现象，称为光的干涉。干涉是波的一个重要特性。波在交迭区域中，有的地方振动加强，有的地方振动减弱，形成干涉图样。单色光的干涉图样是明暗相间的条纹，白光的干涉图样是彩色的条纹。

与单纯的干涉作用有关的颜色有拉长石的变彩等。在拉长石的结构中，存在着由聚片双晶构成的薄层，可见光射入这些薄层时，会产生薄膜干涉，当从一定的角度观察时，能够看到鲜艳明亮的干涉色，以蓝色最为常见，绿色、橙色较少见。

②衍射：是指光在传播过程中通过障碍物边缘或孔隙、狭缝时偏离直线传播的行为。衍射产生的颜色是由于衍射光线的干涉作用。衍射光束之间干涉产生颜色，主要见于衍射光栅中，也可以在蛋白石，日冕、日晕、及一些动物中见到。

蛋白石是一种天然含水非晶质二氧化硅（SiO2.n H2O），结构中二氧化硅小球体在三维空间规则排列，球体之间存在水分子，如果球体的大小十分均匀，就形成了三维的衍射光栅，可能出现的颜色与球的大小和入射角有关，如果球太小，只有紫外部分被衍射，此中蛋白石不出现干涉色。直径大于338 nm,衍射被限于红外。当直径在在138~338nm之间，可以出现不同的干涉色。

③散射：光波在介质中传播时，部分光波偏离原来方向而分散传播的现象。引起光散射的原因有二：一是由于介质中存在其它物质的微粒；二是由于介质自身密度的不均匀。

瑞利散射；入射光在线度小于光波长的微粒上散射的现象。散射光的波长与入射光相同。散射光的强度与波长的四次方成反比，波长越短，散射强度越大。即短波光的散射强度要比长波光大的多。例如，日光中蓝色光被大气中微小的尘埃的散射要比红光强10倍以上，所以天空是蓝色的。由于红光不易被散射，所以太阳及附近的云就特别红。

米氏散射：当散射粒子大于光波长时，各种波长的的光波都可以被散射，此时只能看见白色散射，如雾和低云层的细水滴中就是这种散射。

④色散：

白光通过透明物体的倾斜平面时，分解成为它的组成波长称为色散，并由此形成可见光光谱。

宝石的色散是可以测量的。利用太阳光谱中波长为686.7nm的光（B线）和430.8nm的光（G 线）分别测出宝石的折射率，两个折射率的差值，就是每一种宝石的标准色散值，所以色散值又称为BG间隔。按照色散值的大小将色散分为三个等级：低色散（<0.019）；中色散（0.020~0.029）；高色散（>0.030）.高色散的无色透明宝石，如果切磨比例合适，则色散可以从宝石冠部看见，此时宝石具有璀璨夺目的外观，即具有火彩。有色或深色宝石，色散会被本身的颜色所掩盖，即使色散值较高，也不会有明显的火彩。

此外，利用色散现象制作色散元件—分光镜，可以观察宝石的可见光吸收光谱。分光镜也是

宝石鉴定中的重要仪器。

能显示明显色散的宝石有：

锰铝榴石：0.027；

钇铝榴石：0.028；

锆石：0.039；

钻石：0.044；

扎镓榴石：0.045；

榍石：0.051；

翠榴石：0.057；

立方氧化锆：0.065；

钛酸锶：0.19；

合成金红石：0.28。

⑤包裹体

宝石中含有色的包裹体时，宝石的颜色其实是包裹体的颜色，显微镜或放大镜下可以观察到这些有色包裹体。

4.2.2多色性

光性非均质体的光学性质随方向变化，对光波的选择吸收和吸收总强度也随着方向变化。这种由于光波在晶体中的振动方向不同，而使晶体的颜色发生改变的现象称为多色性。

有色的一轴晶晶体有两个主要的颜色，分别与N o和N e的振动方向相当，称为二色性；有色的二轴晶晶体有三个主要的颜色，分别于N g、N m、N p的振动方向相当，称为三色性。

多色性的明显程度与宝石性质有关，对同一种宝石，则与观察方向有关。当观察方向平行与光轴时，宝石不显多色性；当观察方向垂直光轴（一轴晶）或光轴面（二轴晶）时，宝石的多色性最明显。

4.2.3透明度

透明度：光穿过宝石时，被吸收的越少，宝石的透明度越高。透明度可分为四个等级：透明、半透明、微透明、不透明。透明度是决定宝石美丽的重要因素，一般单晶宝石要求有高透明度；而玉则以半透明为好。

4.2.4光泽

宝石表面的明亮程度，与宝石折射率和抛光程度有关，宝石折射率越大，抛光程度越好，则光泽越强。金刚光泽；玻璃光泽；蜡状光泽；丝绢光泽；树脂光泽珍珠光泽

4.2.5宝玉石的发光性

宝石在外来能量的激发下发出可见光的性质，称为发光性。激发源可以是紫外线、X射线、摩擦、加热等。宝石鉴定中常用的激发源为紫外线、X射线

发光的本质是电子从激发态迁回基态并以可见光的形式发射能量。因此，电子首先要从某种外部能源获得较高能量，跃迁到激发态；然后再从激发态迁回基态，同时发射较低形式的能量即可见光。

宝石在紫外线或X射线的照射下发出某些可见光，激发源撤除后发光立即停止，这种发光称为荧光；如果激发源撤除后、发光仍然可以持续一段很短的时间（几秒钟）这种发光称为磷光。

4.2.6宝石的特殊光学效应

4.2.6.1猫眼效应

在光的照射下某些弧面型的宝石表面会出现一条明亮的光带，像猫的眼睛，故名。

产生猫眼效应的条件：

①宝石中必须存在一组平行密集排列的针状、纤维状包裹体；

②将宝石加工成弧面型，并使宝石的底面与包裹体的排列方向平行，使光能够从弧形表面下的包体表面反射出来，形成一条明亮的光带。

具有猫眼效应的宝石称为猫眼宝石。已知最名贵的猫眼宝石为金绿宝石猫眼。按照国际习惯，只有金绿宝石猫眼可以直接称为猫眼，而其它猫眼宝石，都必须在猫眼前面加宝石的矿物名称，如石英猫眼、电气石猫眼等。

4.2.6.2星光效应

光照下某些弧面型宝石表面出现的通常呈四射或六射的星状闪光，称星光效应。

产生星光效应的条件：

①宝石至少含有在两个方向上定向分布的针状或纤维状的包裹体；

②切磨宝石呈弧面型，并使宝石底面与包裹体所在的平面平行。

4.2.6.3变彩效应

薄膜或欧泊特有的结构引起光的反射、干涉或衍射、干涉作用，由此产生的随观察角度或光源的移动而变化的颜色称为变彩。

4.2.6.4变色效应

宝石在不同波长的光照下呈现不同的颜色，这种现象称变色效应。

变石是典型的具有变色效应的宝石，它在日光下为绿色，在白炽灯下为红色。这是因为金绿宝石的可见光吸收光谱中有两个明显的色光透过带，一个在绿波波段，另一个在红波波段。由于日光中绿色成分偏多，因此透过的光波中以绿色为主，宝石呈绿色；白炽灯光中红色的成分偏多，透过宝石的光波以红色为主，宝石显红色。

作业：

一、解释下列术语：

1变彩效应；2 变色效应；3 发光效应；4 猫眼效应；5 星光效应；6色散与火彩；7 橘皮效应；8 纸蚀。

二、在测试宝石的相对硬度时应注意什么问题？

三、在玉石细磨和抛光中，会产生橘皮效应，试解释它产生的原因。

四、研究解理的方向和完善程度对于宝石鉴定及其加工有和意义？

五、什么称为色心？什么是电子色心？空穴色心？举例说明这两种类型的色心致色的原因。

六、宝石颜色的成因主要包括那五种类型？举例说明。

七、什么是多色性？那些有色宝石可以具有多色性？为什么？