光的基本性質(zhì)及寶石的光學(xué)性質(zhì).ppt

第五章 寶石的光學(xué)性質(zhì),第一節(jié) 光的本質(zhì),1.光的電磁波理論 以麥克斯韋為代表的電磁波理論認(rèn)為光是一種電磁波，以波動的形式，將光源輻射能從近至遠(yuǎn)地向前傳播；在波動中質(zhì)點(diǎn)的振動方向和波的傳播方向相互垂直，為一種橫波(如圖所示)。,寶石學(xué)中常用波長單位為納米，即10-9。有些情況下用波數(shù)來表示波長范圍，波數(shù)即單位長度內(nèi)波的數(shù)目，其單位為cml。波數(shù)值與波長成反比。 光的波動理論很好地解釋了光的干涉、衍射及寶石中相應(yīng)的一些光學(xué)現(xiàn)象。,光的量子理論 普朗克在1900年提出了光的量子理論，認(rèn)為各種頻率的光只能不連續(xù)地被發(fā)射和吸收，即光具有粒子性，能量是不連續(xù)的，是量子化的。 愛因斯坦進(jìn)一步提出，光的輻射場也是量子化的，光在空間傳播也具有粒子性，即一束光是一束以光速運(yùn)動的粒子流，這些粒子稱為光量子，或光子，不同頻率的光子具有不同的能量。 光的粒子性很好地解釋了光的直線傳播、光的折射和反射，能解釋寶石的顏色成因，以及熒光、磷光等現(xiàn)象。,現(xiàn)代科學(xué)證實(shí)，光具有波粒二像性，只有將光的波動理論與光的量子理論結(jié)合起來，才能對光的本質(zhì)進(jìn)行完整的解釋。,第二節(jié) 自然光與偏振光,1.自然光 一切從光源直接發(fā)出的光波，統(tǒng)稱為自然光，如太陽光、燈光等。,2.偏振光 在垂直光波傳播方向的某一固定平面內(nèi)沿一固定方向振動的光波稱為平面偏振光，簡稱偏振光或偏光。如圖134所示，偏振光的振動方向與傳播方向構(gòu)成的平面稱振動面。,3.自然光和偏振光在寶石中的傳播特點(diǎn),第三節(jié) 光的折射與反射,光的全反射及全反射臨界角,根據(jù)折射定律，當(dāng)光波由光疏介質(zhì)(介質(zhì)1)射入光密介質(zhì)(介質(zhì)2)時，折射光的光速變小，相對折射率1，入射角大于折射角(i )，折射光靠近法線方向傳播；反之，當(dāng)光波由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時，折射光的光速將變大，相對折射率小于l，入射角小于折射角(i ) ，折射光線遠(yuǎn)離法線方向傳播，隨著入射角的不斷加大，折射光偏離法線的程度也將不斷加大(如圖 ）,由折射轉(zhuǎn)變成全內(nèi)反射,當(dāng)光線的入射角加大到一定程度(如圖中的OD光線)，相應(yīng)的折射線DD，已不再進(jìn)入光疏介質(zhì)，而是沿DD方向在S分界面內(nèi)傳播。 如果光線的入射角繼續(xù)增大(如圖中的OE光線)，入射光不再發(fā)生折射，而是全部反射回入射介質(zhì)中，且遵循反射定律，反射角入射角，這一現(xiàn)象稱為光的全反射，與90相應(yīng)的入射角稱為全反射臨界角。,在光的全反射過程中，相應(yīng)的光疏介質(zhì)的折射率為n，光密介質(zhì)的折射率為N，N n，全反射臨界角為，它們之間可有如下關(guān)系。即 sin/ sin90= n/ N nNsin,光的漫反射,當(dāng)一束平行光線照到理想拋光平面或鏡面時，入射光的絕大部分，依反射定律沿同一方向被反射，且入射角與反射角相等，這種反射稱為鏡面反射。 當(dāng)一束光線照到物體凹凸不平的表面時，光沿著不同的方向發(fā)生反射，稱為光的漫反射。,第四節(jié) 光的干涉與衍射,1. 光的干涉 波長相同、相差恒定、傳播方向相近的兩束或兩束以上的光在同一介質(zhì)中相遇時，在交疊區(qū)相互作用產(chǎn)生相長增強(qiáng)或相消刪除的現(xiàn)象稱為光的干涉作用。 并不是任意兩束光相遇都可發(fā)生干涉作用。能發(fā)生干涉的兩束光必須符合以下條件：即兩束光的頻率相同，振動方向相同，位相相同或位相差恒定。,2.光的衍射,光波在遇到障礙物時，偏離直線方向傳播的現(xiàn)象稱為光的繞射，也稱為光的衍射。,衍射的條件：只有當(dāng)障礙物的大小與光波波長十分相近，衍射才能發(fā)生。 單色光發(fā)生衍射時，衍射結(jié)果產(chǎn)生明暗相間的條紋；當(dāng)復(fù)色光發(fā)生衍射時，產(chǎn)生的將是五顏六色的彩色條紋，衍射效應(yīng)產(chǎn)生的是純正的光譜色。,光的衍射在寶石學(xué)中主要的應(yīng)用 有兩個方面： 其一，利用光的衍射原理而設(shè)計的衍射光柵，是寶石用分光鏡的主要構(gòu)件之一。 其二，利用光的衍射原理，可解釋寶石中的一些特殊光學(xué)效應(yīng)，如變彩效應(yīng)。,3.光的散射 散射是指由傳播介質(zhì)的不均勻性引起的光線向四面八方射去的現(xiàn)象。,若散射中心非常小，即引起散射的粒子小于光的波長（d）時，這種散射稱為瑞利散射。 在瑞利散射中，散射強(qiáng)度與光的波長成反比。所散射的高能光波為藍(lán)紫色光，橙紅色光大多不被散射，因此所見側(cè)光多呈淺藍(lán)色。,若散射中心與光的波長相近或更大時（d）時，所發(fā)生的散射稱為米氏散射。散射作用與波長的關(guān)系不大，散射光以白色為主。 d=2時，有可能顯示出各種顏色，主要是紅色和綠色。,第五節(jié) 光的色散,光(復(fù)色光)在同一介質(zhì)中的傳播速度隨波長而異的現(xiàn)象稱為色散。復(fù)色光通過具有棱鏡性質(zhì)的材料時，棱鏡將復(fù)色光分解成不同波長光譜的現(xiàn)象。,白光穿過棱鏡和明亮琢型寶石時的色散,寶石的色散值是可以測定的，通常使用可見光譜中兩個最明顯的波長，即分別測定寶石對紅光6867nm及紫光4308nm兩束單色分光的折射率值，這兩束光的折射率值之差，便是該寶石的色散值。這兩種波長的光分別稱為太陽光光譜中的B線和G線。,根據(jù)色散值的大小，可將色散劃分成不同的等級： 極低(0.01以下) 螢石0.007 低(0.010.019) 水晶0.013 藍(lán)寶石0.018 中高(0.020.029) 錳鋁榴石0.027 人造釔鋁榴石0.028 高(0.030.059) 鋯石0.039 鉆石0.044 人造釓鎵榴石0.045 榍石0.051 翠榴石0.057 極高(0.06以上) 合成立方氧化鋯0.060 合成碳硅石0.104 人造鈦酸鍶0.190 合成金紅石0.330,鉆石、合成金紅石的火彩特征,色散在寶石中的意義: 其一，可以作寶石肉眼鑒定的特征之一 其二，高色散值使刻面寶石更加美觀。 白光照射寶石分解出的光譜色，俗稱“火彩”。 影響寶石火彩的因素除色散值外，還有體色、 凈度和刻面角等。,第六節(jié) 光率體與寶石的光性方位,光率體 ：光率體是光在晶體中傳播時，光波的振動方向與折射率值關(guān)系的立體圖形。 具體作法是：以晶體的中心為起點(diǎn)，測定晶體不同振動方向的折射率值，按一定坐標(biāo)空間和比例作各振動方向折射率值的立體投影各投影點(diǎn)的軌跡構(gòu)成該晶體的光率體。,1均質(zhì)體的光率體,光波在均質(zhì)體中傳播時，向任何方向振動，其傳播速度不變，折射率值相等。因此，均質(zhì)體的光率體是一個圓球體。均質(zhì)體的光率體在任何方向的切面都是圓切面，圓切面的半徑代表均質(zhì)體的折射率值。,1均質(zhì)體的光率體（圓球體）,一軸晶光率體,一軸晶光率體是一個以直立軸為旋轉(zhuǎn)軸的橢球體。直立軸代表光軸方向，該方向的折射率值為非常光的折射率，用Ne表示。垂直光軸的圓切面各方向的折射率值相等，為常光的折射率，用No表示。No小于Ne時為正光性，No大于Ne時為負(fù)光性。雙折率等于Ne-No的絕對值。,一軸晶光率體（旋轉(zhuǎn)橢球體）,一軸晶光率體（旋轉(zhuǎn)橢球體） 正光性,3二軸晶光率體,二軸晶光率體為一個三軸不等的橢球體，橢球體的三個主軸代表二軸晶寶石的三個主要光學(xué)方向，稱為光學(xué)主軸。三個主軸的相應(yīng)折射率值分別用Ng、Nm、Np表示，其中NgNmNp。 Ng-Nm大于Nm-Np時為正光性，Ng-Nm小于Nm-Np時為負(fù)光性。雙折率等于Ng-Np的絕對值。,二軸晶光率體 （三軸橢球體）,4.光性方位,光率體主軸與晶體結(jié)晶軸之間的關(guān)系稱為光性方位。 1 高級晶軸晶體的光性方位 等軸晶系是高級晶族中唯一的晶系，等軸晶系的寶石為均質(zhì)體，其光率體是一個圓球體，所以通過光率體中心的任意三個互相垂直的直徑都可以與三個結(jié)晶軸相當(dāng)。球體半徑代表折射率的大小。,中級晶軸,中級晶軸晶體只有一個高次軸（三次、四次或六次軸），一軸晶光率體的旋轉(zhuǎn)軸（光軸）與晶體的唯一高次對稱軸（C軸）相一致，無論是正光性晶體，如石英，還是負(fù)光性晶體，如方解石，都是光率體的光軸與晶體的C軸一致。,4.光性方位,中級晶族,低級晶軸,斜方晶系晶體的最高對稱要素為3L23PC，所以斜方晶系的光性方位是：光率體的三個主軸與晶體的三個結(jié)晶軸相重合，至于是那一個主軸與那一個結(jié)晶軸重合，因晶體不同而不同。如寶石黃玉是：Nm=Y軸，Ng=Z軸，Np=X軸。（NgNmNp）。 單斜晶系晶體的最高對稱要素為L2PC。在晶體定向時，如取b為唯一軸，此時b軸方向包含二次對稱軸與對稱面的法線重合，它可與光率體三個主軸之一重合，其余二主軸與結(jié)晶軸斜交。究竟那一個主軸與Y軸一致，其它二主軸與Z軸或X軸的斜交角度有多大，視晶體種類不同而異。如透閃石。,低級晶軸,三斜晶系的對稱程度最低，只有一個對稱中心或只有一個一次旋轉(zhuǎn)軸，三個結(jié)晶軸互相不垂直，故三斜晶系的光率體的三個主軸與結(jié)晶軸斜交，其斜交角度因晶體而異。,4.光性方位,低級晶族,各晶系與光學(xué)性質(zhì)的關(guān)系表,第七節(jié) 寶石的多色性、吸收性,寶石的多色性：寶石顏色隨光波在晶體中振動方向不同而改變的現(xiàn)象。 如：山東藍(lán)寶石 平行C軸觀察 藍(lán)色 垂直C軸觀察 藍(lán)綠色 寶石晶體的多色性明顯程度與寶石的性質(zhì)有關(guān)，也與所觀察的寶石切面的方向性有關(guān)。,一軸晶寶石，在平行光軸或平行光軸面的面內(nèi)，多色性表現(xiàn)最明顯（二色性），垂直光軸的平面則不顯多色性；其它方向的平面的多色性的明顯程度介于上述二者之間。,二軸晶彩色寶石可以有三個主要顏色（三色性），它們分別與光率體三個主軸ng 、 nm 、 np相對應(yīng)。 在平行光軸面的切面中多色性最明顯，它的兩個顏色分別與ng和np相當(dāng)，在垂直光軸的切面上只顯示一種顏色，此顏色與nm相對應(yīng)。,寶石晶體的多色性明顯程度與寶石的性質(zhì)有關(guān)，也與所觀察的寶石的方向性有關(guān)。 在平行光軸或平行光軸面的切面內(nèi)，多色性表現(xiàn)最明顯，垂直光軸的切面則不顯多色性；其他方向的切面上的多色性的明顯程度介于上述二者之間。,透輝石：二軸晶寶石顯示暗綠色至綠色,堇青石：二軸晶寶石 顯示藍(lán)紫色、淺藍(lán)色和淺黃色,紅柱石：二軸晶寶石 顯示褐紅色至灰綠色,寶石的吸收性 寶石晶體中，顏色深淺隨光波振動方向而改變的現(xiàn)象稱為吸收性。 在一軸晶寶石中，當(dāng)ne方向的顏色比no方向的顏色深時，光波沿ne方向振動時的吸收總強(qiáng)度大于no方向，故其吸收性為ne no ，稱為正吸收；反之ne nmnp時，稱為正吸收; ng nm np時稱為反吸收。,第八節(jié) 寶石的光澤,寶石的光澤是指寶石表面反射光的能力。 通常，光澤的強(qiáng)弱用反射率R來表示，反射率是指光垂直入射寶石表面時的強(qiáng)度（Io）與反射光強(qiáng)度(Ir)的比值。 寶石反射率的大小主要取決于折射率（n）和吸收系數(shù)（K）。,光澤的強(qiáng)弱由多種因素決定： 1.寶石礦物的晶體結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分； 2.寶石礦物集合體結(jié)合方式和寶石表面性質(zhì)； 3.寶石礦物光澤的強(qiáng)弱也與其自身的折射率、反射比和吸收比有關(guān)。一般而言，寶石礦物的折射率、反射比越大，光澤越強(qiáng)。,寶石礦物光澤的強(qiáng)弱也與其自身的折射率(n)、反射比()和吸收比()有關(guān)。而且，反射比與折射率和吸收比之間也有一定的函數(shù)關(guān)系。,光澤分類 根據(jù)光澤的強(qiáng)弱可以將光澤分為： （1） 金屬光澤 具金屬光澤的寶石礦物，其R25%，表面呈金屬般的光亮，一般不透明，寶石礦物極少具金屬光澤，如黃鐵礦。通常折射率n3。 （2）半金屬光澤 具半金屬光澤的寶石礦物，其R=25%-19%，表面呈弱金屬般的光亮，一般不透明，如黒鎢礦和鉻鐵礦。通常折射率n=2.603。 （3）金剛光澤 具金剛光澤的寶石礦物，其R=19%-10%，表面金剛石般的光亮，透明半透明，以鉆石為代表，通常折射率n=2.92.60。,（4）玻璃光澤等 具玻璃光澤的寶石礦物，其R=10%-4%，表面玻璃般的光亮，透明半透明，如祖母綠、水晶、黃玉等寶石，通常折射率n=1.31.9。 在寶石中常見的一些特殊光澤： （1）油脂光澤 有一些顏色較淺，具有玻璃光澤或金剛光澤的寶石的不平坦斷面上或集合體顆粒表面所見到的一種光澤。如石英斷口可為油脂光澤，石榴石和磷灰石的斷口也多為油脂光澤。,（2）樹脂光澤 一些顏色為黃黃褐色的寶石，斷面上可見到一種類似于松香等樹脂所呈現(xiàn)的光澤。如琥珀，其斷面上常見樹脂光澤。 （3）蠟狀光澤 在一些透明半透明玉石礦物的隱晶質(zhì)或非晶質(zhì)致密塊體上，由于反射面不平坦，產(chǎn)生的一種比油脂光澤暗些的光澤，如塊狀葉蠟石的光澤。 （4）土狀光澤 一些細(xì)分散的多孔隙的寶石礦物因?qū)獾穆瓷浠蛏⑸涠尸F(xiàn)一種暗淡的土狀光澤，如風(fēng)化程度較高的綠松石。,（5）絲絹光澤 一些透明的原具玻璃光澤或金剛光澤的寶石礦物，當(dāng)它們呈纖維狀集合體的形式出現(xiàn)時，或一些具完全解理的礦物表面所見到的一種像蠶絲和絲織品那樣的光澤，如虎睛石。 （6）珍珠光澤 在珍珠的表面或一些解理發(fā)育的淺色透明寶石礦物表面，所見到的一種柔和多彩的光澤，如珍珠。,鉆 石： 金剛光澤,鋯 石： 亞金剛光澤,石榴石：強(qiáng)玻璃光澤至 亞金剛光澤,托帕石： 玻璃光澤,由于反射光受到寶石礦物顏色、表面平坦程度、集合體結(jié)合方式等的影響，還可以產(chǎn)生一些特殊的光澤。如 油脂光澤 如：水晶斷口面 樹脂光澤 如：琥珀 蠟狀光澤 如：葉蠟石 絲絹光澤 如：木變石 珍珠光澤 如：（養(yǎng)殖）珍珠 土狀光澤 如：劣質(zhì)的綠松石,綠松石： 蠟狀光澤,珍 珠： 珍珠光澤,琥 珀： 樹脂光澤,木變石： 絲絹光澤,光澤在寶石鑒定中的應(yīng)用,1.光澤是寶石的重要性質(zhì)之一。在寶石的肉眼鑒定中，光澤可以提供一些重要的信息。尖晶石、石榴石、鋯石；海藍(lán)寶石、托帕石。 2.光澤在寶石鑒定中的另一個應(yīng)用是對拼合石的鑒定（如石榴石、玻璃拼合石），包括對貼皮翡翠毛料的識別。 3.光澤可以反映寶玉石的質(zhì)地細(xì)膩均勻度，也是寶玉石（尤其是翡翠等玉石）質(zhì)量判定的依據(jù)。 4.光澤能夠反映寶玉石的加工精細(xì)度。拋光