寶石學(xué)晶體光學(xué)基礎(chǔ)

1、第四章：晶體光學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)本章的意義：光是一種自然現(xiàn)象。有了光人們才看到寶石美麗的顏色和寶石奇妙的光學(xué)現(xiàn)象。了解光的本質(zhì)和不同化學(xué)成分、不同結(jié)構(gòu)的寶石與光的相互作用，對(duì)鑒定寶石、正確評(píng)價(jià)寶石及不斷改進(jìn)完善寶石切磨工藝都有重要意義。本章主要學(xué)習(xí)內(nèi)容第一節(jié)：光的本質(zhì)第二節(jié)：光的折射及全反射第三節(jié)：光波在均質(zhì)體和非均質(zhì)體中的傳播特點(diǎn)第四節(jié)：光率體第一節(jié)：光的本質(zhì)第二節(jié)：光的折射及全反射特點(diǎn)一、自然光從一切實(shí)際光源直接發(fā)出的光波，一般都屬自然光，如太陽(yáng)光、白熾燈光等。自然光的特點(diǎn)是在垂直光波傳播方向的平面內(nèi)，沿各個(gè)方向都有等振幅的光振動(dòng)(見(jiàn)圖1-3-2)。二、偏振光僅在垂直光波傳播方向的某一固定方向振動(dòng)

2、的光波稱為平面偏振光，簡(jiǎn)稱偏振光或偏光。如圖1-3-3.偏振光的振動(dòng)方向與傳播方向構(gòu)成的平面稱為振動(dòng)面。作用轉(zhuǎn)變成偏振光(見(jiàn)圖1-3-4(a)。使自然光轉(zhuǎn)變成偏振光的作用稱為偏振化作用。1光性均質(zhì)體和光性非均質(zhì)體根據(jù)光學(xué)性質(zhì)不同，可以把寶石礦物劃分為均質(zhì)體和非均質(zhì)體兩大類。一般而言，非晶質(zhì)寶石和等軸晶系的寶石礦物，在各個(gè)方向上的光學(xué)性質(zhì)相同，稱為光性均質(zhì)體，簡(jiǎn)稱均質(zhì)體。如火山玻璃、歐泊、琥珀、象牙、煤精、鉆石、石榴石、尖晶石、螢石、方鈉石、合成立方氧化鋯、人造鈦酸鍶等寶石。中級(jí)晶族和低級(jí)晶族的寶石礦物，其光學(xué)性質(zhì)隨方向而異，稱為光性非均質(zhì)體，簡(jiǎn)稱非均質(zhì)體。寶石中的大部分屬光性非均質(zhì)體，如紅寶石

3、、藍(lán)寶石、橄欖石、水晶、祖母綠等。2光波在均質(zhì)體寶石中的傳播特點(diǎn)光波進(jìn)入均質(zhì)體寶石時(shí)，基本不改變?nèi)肷涔獠ǖ恼駝?dòng)特點(diǎn)和振動(dòng)方向。如圖1-3-6所示，一束自然光射人均質(zhì)體寶石后，仍然為自然光；一平面偏振光射人均質(zhì)體寶石后，仍為偏振光，并基本保持其原來(lái)的振動(dòng)方向，即其傳播速度及相應(yīng)的折射率值不因光波在晶體中的振動(dòng)方向不同而發(fā)生改變。3光波在非均質(zhì)體寶石中的傳播特點(diǎn)當(dāng)光波進(jìn)入非均質(zhì)體寶石時(shí)，除特殊方向之外都要發(fā)生分解，分解成振動(dòng)方向互相垂直、傳播速度不同的兩束偏光，這一現(xiàn)象稱為光的雙折射。當(dāng)自然光進(jìn)入非均質(zhì)體寶石時(shí)，一般將改變?nèi)肷涔獠ǖ恼駝?dòng)特點(diǎn)，被分解為互相垂直的兩束偏光。如圖1-3-7所示，由點(diǎn)P入

4、射的一束自然光進(jìn)入方解石晶體后被偏振化，在出射界面分解成由Po、Pe出射的兩束偏振光。當(dāng)一平面偏振光入射到非均質(zhì)體寶石時(shí)，該寶石將對(duì)此偏光再次分解成兩束偏振光，原振動(dòng)方向發(fā)生改變。4、光軸及相應(yīng)的折射率值隨光波在晶體中的振動(dòng)方向不同而發(fā)生改變。非均質(zhì)體可以有兩個(gè)或兩個(gè)以上的折射率值。生雙折射，基本不改變?nèi)肷涔獠ǖ恼駝?dòng)特點(diǎn)和振動(dòng)方向，這一不發(fā)生雙折射的特殊方向稱為光軸。中級(jí)晶族寶石晶體(如紅寶石、祖母綠、鋯石等)只有一個(gè)光軸方向，稱為一軸晶；低級(jí)晶族寶石晶體(如透輝石、長(zhǎng)石、橄欖石、黃玉等)具有兩個(gè)光軸方向，稱為二軸晶。第四節(jié)：光率體光率體動(dòng)方向與相應(yīng)折射率值之間關(guān)系的光學(xué)立體圖形(光性指示體)

5、。具體作法是：以晶體中心為起點(diǎn)，平行于在晶體中傳播的光波的振動(dòng)方向作一條直線，直線的長(zhǎng)度按該振動(dòng)方向光波的折射率值為大小截取，每一振動(dòng)方向的光波都可作出一條與其折射率值大小相對(duì)應(yīng)的線段，把無(wú)數(shù)條這樣即代表光波振動(dòng)方向又代表相應(yīng)折射率值的線段的端點(diǎn)連接起來(lái)便構(gòu)成該晶體的光率體。1均質(zhì)體光率體非晶質(zhì)體和高級(jí)晶族的寶石均為光性均質(zhì)體。光波在均質(zhì)體寶石中傳播時(shí)，其速度不因振動(dòng)方向的改變而改變，即各個(gè)方向振動(dòng)的光波在晶體中的傳播速度是相同的，相應(yīng)的折射率值也相等。1)，形狀：一個(gè)圓球體(圖1-3-17)2）特點(diǎn)：a、通過(guò)球體中心任何方向的切面都是圓切面，其半徑代表均質(zhì)體寶石的折射率值(n)。b、對(duì)于均質(zhì)

6、體寶石來(lái)說(shuō)僅有一個(gè)折射率。2一軸晶光率體一個(gè)以Z晶軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)橢球體，稱為一軸晶光率體(圖1-3-18)。1）形狀：橢球體直立軸是旋轉(zhuǎn)橢球體的旋轉(zhuǎn)軸，它代表了一軸晶光率體的光軸方向。2）特點(diǎn)：a、當(dāng)光波沿光軸方向入射時(shí)，不發(fā)生雙折射，此時(shí)光波在垂直該軸的圓切面內(nèi)作水平振動(dòng)，在垂直Z軸各個(gè)振動(dòng)方向的折射率都相等，此為常光的折射率值，用符號(hào)n。表示，如圖1-3-19(a)。b、當(dāng)光波垂直光軸方向入射時(shí)分解成振動(dòng)方向互相垂直的兩種偏光，此時(shí)，在一軸晶光率體中，垂直入射光方向的切面為一包含了光軸的橢圓切面。入射光分解后的一個(gè)偏光的振動(dòng)方向平行于光軸，為非常光的折射率，用符號(hào)n。表示；另一偏光的振動(dòng)

7、方向與光軸垂直，折射率與常光折射率相等(n。)，如圖1-3-19(b)。c、當(dāng)光波斜交光軸方向入射的方向的折射率值用符號(hào)ne表示，其大小介于常光與非常光之間；該橢圓的另一個(gè)軸方向仍然代表了常光的振動(dòng)方向，折射率值等于常光折射率值n。，如圖1-3-19(c)。綜上所述可知，具一軸晶光率體的寶石礦物具有ne、n。兩個(gè)主折射率值，這兩個(gè)折射率差的絕對(duì)值稱為雙折射率，它是最大和最小兩個(gè)折射率的差值。ne值與n。值的相對(duì)大小，又可將一軸晶光率體分為正負(fù)兩種光性。當(dāng)nen。時(shí)，即直立軸是相對(duì)長(zhǎng)軸時(shí)，稱為一軸晶正光性(見(jiàn)圖1-3-18(a)；當(dāng)neNmNp。b、雙折射率值：具二軸晶光率體的寶石礦物應(yīng)有三個(gè)主

8、折射率值，其中最大主折射率值Ng與最小主折射率值Np的差值為其雙折射率。d、主軸面：包括兩個(gè)主軸的面稱為主軸面(主切面)，二軸晶光率體有三個(gè)互相垂直的主軸面，即Ng-Nm面，Ng-Np面和Nm-Np面。圖1-3-21表示二軸晶光率體及其主要切面。在二軸晶光率體中，直立軸兩側(cè)通過(guò)有兩個(gè)以nm動(dòng)特點(diǎn)及振動(dòng)方向，這兩個(gè)方向即為二軸晶的光軸。通過(guò)二軸晶光率體中心，只能畫(huà)出兩個(gè)圓切面，即只有兩個(gè)光軸方向(以符號(hào)OA表示)，故稱為二軸晶。包括兩個(gè)光軸的面稱為光軸面，光軸面與主軸面ng-np一致。兩光軸之間所夾的銳角稱光軸角，以符號(hào)“2V”表示(圖1-3-21)。根據(jù)Ng、Nm、Np光率體的光性符號(hào)，當(dāng)Ng-NmNm-Np時(shí)為正光性(圖1-3-21-a)，當(dāng)Ng-NmNm-Np時(shí)為負(fù)光性(圖1-3-21-b)。在二軸晶寶石中，當(dāng)光波沿垂直于以Nm