光的基本性质及宝石的光学性质张课件

1、 第五章宝石的光学性质第一节 光的本质 1.光的电磁波理论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cml。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。 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

2、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。 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134所示，偏振光的振动方向与传播方向构成的平面称振动面。3.自然光

3、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 )，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 n，全反射临界角为，它们之间可有如下关系。即 sin/ sin90= n/ N nNsin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

4、方向发生反射，称为光的漫反射。 第四节 光的干涉与衍射 1. 光的干涉波长相同、相差恒定、传播方向相近的两束或两束以上的光在同一介质中相遇时，在交叠区相互作用产生相长增强或相消删除的现象称为光的干涉作用。并不是任意两束光相遇都可发生干涉作用。能发生干涉的两束光必须符合以下条件：即两束光的频率相同，振动方向相同，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

5、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。 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（dNmNp。 Ng-Nm大于Nm-Np时为正光性，Ng-Nm小于Nm-Np时为负光性。双折率等于Ng-Np的绝对值。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，

6、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。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。（NgNmNp）。单斜晶系晶体的最

7、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。低级晶轴三斜晶系的对称程度最低，只有一个对称中心或只有一个一次旋转轴，三个结晶轴互相不垂直，故三斜晶系的光率体的三个主轴与结晶轴斜交，其斜交角度因晶体而异。4.光性方位低级晶族各晶系与光学性质的关系表对称 光性 一轴晶 非晶质、等轴晶系只有一个折射率值n（光学上各向同性） 一轴晶三、四、六方晶系 有两个主折射率值：No和Ne，一轴晶正光性NoNe。

8、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NgNm NmNp；负光性NgNm no ，称为正吸收；反之ne nmnp时，称为正吸收; ng nm 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n3。 （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=2.603。 （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=2.92.60。 （4）玻璃光泽等 具玻璃光泽的宝石矿物，其R=1

9、0%-4%，表面玻璃般的光亮，透明半透明，如祖母绿、水晶、黄玉等宝石，通常折射率n=1.31.9。在宝石中常见的一些特殊光泽：（1）油脂光泽 有一些颜色较浅，具有玻璃光泽或金刚光泽的宝石的不平坦断面上或集合体颗粒表面所见到的一种光泽。如石英断口可为油脂光泽，石榴石和磷灰石的断口也多为油脂光泽。（2）树脂光泽一些颜色为黄黄褐色的宝石，断面上可见到一种类似于松香等树脂所呈现的光泽。如琥珀，其断面上常见树脂光泽。（3）蜡状光泽在一些透明半透明玉石矿物的隐晶质或非晶质致密块体上，由于反射面不平坦，产生的一种比油脂光泽暗些的光泽，如块状叶蜡石的光泽。（4）土状光泽一些细分散的多孔隙的宝石矿物因对光的漫反

10、射或散射而呈现一种暗淡的土状光泽，如风化程度较高的绿松石。（5）丝绢光泽一些透明的原具玻璃光泽或金刚光泽的宝石矿物，当它们呈纤维状集合体的形式出现时，或一些具完全解理的矿物表面所见到的一种像蚕丝和丝织品那样的光泽，如虎睛石。（6）珍珠光泽在珍珠的表面或一些解理发育的浅色透明宝石矿物表面，所见到的一种柔和多彩的光泽，如珍珠。钻 石： 金刚光泽锆 石：亚金刚光泽 石榴石：强玻璃光泽至亚金刚光泽 托帕石：玻璃光泽 由于反射光受到宝石矿物颜色、表面平坦程度、集合体结合方式等的影响，还可以产生一些特殊的光泽。如 油脂光泽 如：水晶断口面 树脂光泽 如：琥珀 蜡状光泽 如：叶蜡石 丝绢光泽 如：木变石 珍

11、珠光泽 如：（养殖）珍珠 土状光泽 如：劣质的绿松石绿松石：蜡状光泽 珍 珠： 珍珠光泽 琥 珀：树脂光泽 木变石：丝绢光泽 光泽在宝石鉴定中的应用1.光泽是宝石的重要性质之一。在宝石的肉眼鉴定中，光泽可以提供一些重要的信息。尖晶石、石榴石、锆石；海蓝宝石、托帕石。2.光泽在宝石鉴定中的另一个应用是对拼合石的鉴定（如石榴石、玻璃拼合石），包括对贴皮翡翠毛料的识别。 3.光泽可以反映宝玉石的质地细腻均匀度，也是宝玉石（尤其是翡翠等玉石）质量判定的依据。4.光泽能够反映宝玉石的加工精细度。抛光精良的宝玉石光泽好。第九节 宝石的透明度透明度的物理定义 物体的透明度是指物体允许可见光透过的程度，假设入

12、射光的强度为I。，当光穿过一定厚度的介质后，强度减弱到I，则II。，为介质的透射因数，的值介于01之间，越接近l，介质的透明度越高。 在宝石的肉眼鉴定中，通常将宝石的透明度划分为五个级别。 1.透明 如：水晶。 2.亚透明 如：烟晶 3.半透明 如：一些质量较好的电气石。 4.亚半透明 如：黑曜岩。 5不透明 如：孔雀石。目前珠宝界对透明度级别的划分逐渐趋向于采用三分法，把宝石透明度划分成： 透明 半透明 不透明透明宝石 水晶 绿柱石 托帕石 烟晶人体雕件 亚透明宝石半透明宝石月光石玛瑙亚半透明（微透明）宝石 软玉岫玉翡翠绿松石 青金石 不透明宝石影响宝石透明度的因素 1.晶体结构（化学成分） 2.颜色 3.颗粒结合方式 4.厚度 5.内含物（杂质、裂隙等）第十节 宝石的发光性宝石的发光性是指宝石在外来能量的激发下，发出可见光的性质。能激发发光的因素很多，如摩擦、加热、阴极射线、紫外线、X射线等。荧光：宝石在受外界能量激发时发光，激发源撤除后