宝石及宝玉石材料的光学性质

一、光学性质的直观特征

由于宝玉石对光进行吸收、折射和反射而导致各种性质，直观的特征如颜色、光泽、透明度等。

（一）颜色

物体呈现颜色是对可见光选择性吸收的结果，可见光波波长在390～760nm之间。其间波长由长到短，依次显示红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色，它们的混合色就呈现白色。可见光中各种色光波长的大致范围及其对应能量值如图3-1-1所示。

图3-1-1　可见光中各种色光波长的大致范围及其对应能量值（1kcal＝4 186.8J，1eV＝1.602×10-19J）

凡能组成白色或灰色的任意两种或两个波段的光谱色，彼此互称补色。各种可见光的波长及其补色如表3-1-1。

表3-1-1　矿物吸收的颜色及观察到的颜色

颜色取决于矿物对白光的吸收、反射和透射。如果对白光中各种不同波长的光，普遍而均匀地全部吸收则呈现黑色，均匀地部分吸收则呈灰色，基本上都不吸收则为白色或无色。如果只选择吸收某波长的色光而反射出或透过另一些色光，则呈现表3-1-1中的互补的颜色，例如吸收了紫光，则呈现黄绿色等。

宝石和宝玉石材料的颜色，根据颜色成因的不同，可分为自色、他色和假色。

1.自色

自色是宝玉石、宝石材料自身的成分、结构、化学键等性质导致的颜色。所以自色比较固定，具有重要的鉴定意义。其颜色的起因主要有以下几点。

（1）离子内部的电子跃迁。这主要发生在一些过渡型离子上，因为过渡型离子具有未填满的d或f电子亚层。在晶体结构中过渡金属离子受周围配位体的静电场作用，原来同一能级的d或f亚层发生分裂，使离子外层轨道重新排列，形成新轨道的能量差正在可见光的范围之内。这就需要吸收一定波长的可见光，以维持新的轨道状态，因而呈现颜色。这种电子在一个离子内部的轨道间跃迁（即d-d跃迁或f-f跃迁），故称离子内部电子跃迁。如红宝石（Al2O3）因晶体结构中Al3＋被Cr3＋置换，发生d-d跃迁，其能量差相当于蓝绿色光的能量，所以当受到自然光照射时蓝绿色光被吸收，宝石则呈其补色而现红色。

所谓的过渡型离子，是指居于周期表中部的Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、及TR、U等，这些都是可以使宝石、宝玉石材料呈色的离子，因而称其为“色素离子”。可以说凡在宝石或宝玉石材料中，含有这类离子时没有不呈色的。主要色素离子及使其致色后矿物的颜色，列于表3-1-2中。

（2）离子间的电子转移。这是在一定能量光波的作用下，电子可以从一个离子轨道跃迁到另一个离子轨道上，伴随电子的转移或电荷转换引起对光的强吸收，因而呈现颜色。很多过渡型离子都有两种或两种以上的价态。当相邻两个离子以不同价态同时存在于一种晶格中时（如Fe2＋、Fe3＋；Ti3＋、Ti4＋），电子转移则易于发生，需要吸收的光能极大，其吸收可延展到可见光区，因而使宝石矿物呈色，如蓝闪石的蓝色则是由Fe2＋、Fe3＋间的电子转移（或电荷转换）所引起的。

（3）色心。在宝玉石矿物的晶体结构中会出现缺陷，如位空、位错、填隙等，如图3-1-2所示。这种缺陷的存在使电荷产生处于平衡状态，电子则易于迁移。当光能作用于晶体时，电子即受到激发而选择吸收其某种波长的光能而产生电子跃迁，颜色就因此而产生。这类晶格缺陷就称为色心。常见的由一个阴离子空位和一个受它约束的电子构成电子色心（或称F色心）。如萤石（CaF2）中F缺席，造成空位，被捕获的电子所占据，如图3-1-3所示，即形成电子色心，使萤石往往呈现紫色。如果由低价阳离子置换高价离子，电子则相对缺失形成位空，则称空穴色心（或称V色心）。如烟水晶中微量的Al3＋置换了Si4＋而形成电子空穴色心，使之呈现烟色。

表3-1-2　主要的色素离子及宝石矿物的颜色

图3-1-2　空位及填隙

又如在同一个晶体中，如果同时存在几种不同的色心，数量也不相同的情况下，则会导致呈现不同的颜色，因而同一种宝石矿物的某种晶体可以有不同的颜色，如萤石可呈现红、绿、紫等几种颜色。

其他如天河石的绿色、含硫方钠石的玫瑰色等很多宝石矿物是色心致色。当这类宝石矿物受到阳光照射或受到高温时，有可能使色心消失而褪色。若再以X射线辐射，还可以再形成色心而恢复其原来的颜色。

图3-1-3　萤石的F心

其他如电子云的重叠、离子的强烈极化都可引起颜色的产生。

2.他色

他色是指与宝石矿物本身成分、结构无关的外来机械混入物如气泡、有色物质微粒、碳质、有机质包体等引起的颜色。例如纯净的水晶无色透明，如含大量气泡则呈乳白色；玉髓因含了赤铁矿而呈红色。

他色的意义在于有的可以反映宝石生成时的环境，如黑色碧玺因富含铁，表示其生成时的温度较高；含锰的碧玺呈粉红色，表示其生成温度较低。

3.假色

假色是由于光的反射、干涉等物理原因引起的颜色，如晕色、锖色、变彩等。

（1）晕色。某些透明的矿物如透明的水晶、冰洲石等，由于内部裂隙或解理面，对光的层层反射，引起光的干涉，产生彩虹一般的颜色称为晕色。

（2）锖色。这往往是一些不透明的矿物。如一种观赏石叫斑铜矿，经风化所产生的氧化薄膜，引起反射光的干涉作用，使矿物表面产生蓝、靛、紫色等。

（3）变色。某些透明或半透明的宝石矿物，当转动或从不同角度观察时，可呈不同颜色的变化称为变色。引起变色的原因，往往是由于宝石矿物内部含有微细的叶片状包裹体，对光发生干涉和反射的结果。如拉长石呈现蓝色、绿色、金黄色等递变的色彩。

值得注意的是，由于宝玉石或宝石矿物的成分、结构、键型是复杂的，引起颜色的变化因素也是复杂的，一种颜色的产生可能由多种因素所引起，如蓝宝石（Al2O3）常因含少量的Fe和Ti，颜色的产生可能由d-d电子跃迁和离子间的电荷转移综合引起，即由Fe2＋、Fe3＋，Ti3＋、Ti4＋的d-d电子跃迁和Fe2＋＋Ti4＋／Fe3＋＋Ti3＋的电荷转移，产生了对红光的强烈吸收，从而形成深蓝或蓝绿色。

4.色调

色调常用于辅色，即微微呈现出来的颜色，如红柱石为带有红色色调的灰白色等。

5.色带

颜色在晶体上呈带状或块状不均匀分布的现象，这往往是晶体在生长过程中由于介质成分或生长环境的变化造成。如碧玺晶体颜色可由中心向外呈不同颜色的带状分布。

6.条痕色

条痕是指宝石矿物粉末的颜色。即在白色不带釉子的素瓷板上擦划可留下粉痕的颜色。条痕色可以除去假色，减弱他色，呈现出比宝石矿物更稳定的自色颜色，所以有一定的鉴定意义。

7.颜色的描述方法

（1）采用色谱标准色，如紫水晶、黑碧玺等；

（2）颜色前冠以形容词，如深红、浅蓝、淡绿；

（3）颜色前冠以实物作对比，如玫瑰红、海蓝、橘红等；

（4）二字法，即宝石矿物呈现两种色谱之间的过渡色，这就要用两种颜色的复合词来描述，习惯上是把后者表示主色，前者表示辅色，如橄榄石呈黄绿色，黄绿色即表示绿色为主，而微带黄色；

（5）标准颜色比较法，即为利用一些已制成的标准颜色谱（如孟塞尔颜色系统柱，Munsell color system）、标准颜色卡（又称宝石颜色评估系统，Gem dialogue color communication system）等，用对比的方法定出颜色，以进一步达到准确描述颜色的目的。但这些方法使用得较少，并不普及。只见于用于对彩钻颜色级别的测定上，目前还只限于国外的少数单位应用。

颜色对宝石、宝玉石材料来说都是特别重要的，它决定着宝石的价值。人们欣赏宝石，往往首先是由欣赏其亮丽的颜色开始；人工改造它，也往往是改造其颜色或颜色的对比度。

（二）透明度

透明度指宝石或宝玉石材料透过可见光的程度。一般根据透光程度的不同分为透明、半透明和不透明。

（1）透明。为宝石或宝玉石材料在0.03mm厚的晶体薄片或碎片能使光线通过，通过它可清晰地透见其他物品。其条痕色往往为白色或接近白色的浅色，如水晶、冰洲石等。

（2）半透明。为宝石或宝玉石材料在0.03mm厚的晶体、玉石薄片或碎片边缘，可见有光亮或透见其他物品，但模糊不清。其条痕往往为彩色，如锡石及一些玉石。

（3）不透明。为宝石或宝玉石材料在0.03mm厚的薄片上不能透光，如黑碧玺、黑曜石等。宝石及宝玉石的透明度一般与对光的吸收密切相关。它还受光的强度、物体的厚度、气泡、包裹体、杂质、裂隙及矿物集合方式的影响。应该知道，自然界无绝对透明，也无绝对不透明，故此只是一个相对的概念而已。

（三）光泽

一般宝玉石矿物的光泽是指宝玉石矿物的表面对光的反射能力。光泽的强弱用反射率（R）来表示，反射率是指光垂直入射矿物表面时的强度（Io）与反射光强度（Ir）之比，即R＝Ir／Io。矿物反射率的大小主要取决于折射率（N）和吸收系数（K）。不透明矿物的反射率为：

而对于透明矿物而言，因其吸收系数（K）很小，故可忽略不计，即得：

这说明矿物的折射率和吸收系数越大，反射率越高，光泽就越强，按照反射率的大小可将一般矿物的光泽分为4级，即金属光泽、半金属光泽、金刚光泽和玻璃光泽，后三者又统称为非金属光泽。在珠宝玉石中玻璃光泽最为常见。

（1）金属光泽的R＞25%，呈金属般的光亮，其条痕色往往为黑色或绿黑色、灰色等，不透明，如黄金、白银、铂金等。

（2）半金属光泽又称亚金属光泽，R＝19%～25%，呈弱金属般的光泽，不透明，条痕彩色，如乌刚石等。

（3）金刚光泽，R＝10%～19%，呈钻石般的光亮，是非金属光泽中最强的光泽，透明至半透明，条痕为无色或浅色。最典型的如金刚石。

（4）玻璃光泽，R＝4%～10%，如同玻璃般的光亮，往往透明至半透明，条痕一般呈现白色或无色。在珠宝玉石中绝大部分（几乎90%以上）为玻璃光泽，在自然界也最为普遍，诸如水晶、萤石、红宝石、蓝宝石等皆是。几个宝石矿物的光泽与折射率、反射率及透明度之间的关系列于表3-1-3中。

以上提及的几种光泽皆是在光滑的平面上反光的结果，如果不是光滑的平面，如表面不平、多孔状或集合体等，几经折射和散射，会影响反射光的光量，并产生如下列的一些特殊光泽（或称作变异光泽）。这些特殊的光泽往往是与一些实物的光泽相类比而得称。这在珠宝玉石上也是很常见的。

（1）丝绢光泽为纤维状集合体的透明矿物表面呈现丝绢状的光亮，如虎晴石等。

（2）油脂光泽、松脂光泽和沥青光泽都是在矿物不平的断口上产生。如在无色透明的宝石矿物断口上，则呈现油脂光泽，如水晶；在黄褐色矿物的断口上则呈现松脂光泽，如琥珀；在黑色矿物断口上则呈现沥青光泽，如黑曜石等。

表3-1-3　几种宝石矿物的光泽与折射率、反射率及透明度之间的关系

（3）蜡状光泽多为隐晶质矿物或胶态矿物呈现的一种光泽，如宝玉石中的蛇纹石等。

（4）一些具层状构造或具极完全解理的透明矿物，由于光的连续反射则呈现出如同珍珠或贝壳壁一般柔和的光泽称珍珠光泽，如珍珠。

光泽是具有异向性的，同一宝石矿物在相同单形晶面上光泽相同，在不同晶面上光泽可以不相同，例如宝石矿物中的鱼眼石在（001）晶面上呈珍珠光泽，在（110）晶面上则呈现玻璃光泽。所以光泽也是鉴定宝石的标志之一。

（四）发光性

发光性是物体受外加能量的激发能发光的性质。根据不同的外加能量的激发源可分为以下几种：由可见光、红外光、紫外光的激发而发光者称“光致发光”；由电子束激发而发光者称“阴极射线发光”；由X射线、γ射线等的激发而发光者称“辐射发光”；由热能激发者称“热致发光”。此外还有“电致发光”，摩擦、打击、化学能皆可引起发光。只能在外部能量作用的同时发光的称为荧光。也就是外部能量作用一旦停止，发光体则停止发光，如萤石的荧光性。外部能量移去后仍能继续发光的称磷光，如磷灰石的磷光性。

发光的机理大致为：当物体中的元素或离子的外层电子吸收了较高的外加能量后，则由较低能量的基态跃迁到较高能量的激发态，而后当电子分阶段返回基态时，则以能量与之相当的可见光发射出来，即显示了发光性。大多数纯净的矿物是不发光的。实验证明，一些宝石矿物的发光性总是直接与晶体缺陷及杂质元素有关。这种能引起发光的微量杂质元素称“激活剂”。它们在矿物晶格中的含量是小于1%的，甚至只有千分之几至万分之几。这种微量杂质激活剂主要都是过渡型元素，其中以稀土元素和锕系元素最为重要，因为它们在外层d或f轨道上皆有未填满的不成对的电子存在，所以易受外在能量的激发后发出可见光。例如在方解石（CaCO3）中含有微量的杂质元素Mn而引起白色方解石发鲜红色的荧光；含微量稀土杂质的萤石则发出黄色荧光；一些含微量铕（Eu）元素的、含微量钐（Sm）元素的，可使矿物分别发出淡黄色、深红色的荧光。此外方柱石、白榴石的发光则与含有铀（U）元素有关等。

如果某一种宝石矿物含有多种激活剂，各种激活剂又形成极不相同的组合，同种宝石矿物也可发出强度不同、颜色各异的光。

宝石矿物发光的颜色、强度与所含杂质的含量、种类有极大的关系，而且随所用能源的激发波长不同而有所不同。即便是同一种宝石矿物，产地不同，发光的颜色也可以有差别。如白钨矿，在紫外线照射下可发出天蓝色的荧光，这种白钨矿可含钼（Mo）0.5%左右；如果含Mo为0.96%～4.8%，发出的荧光可呈黄色；含Mo高达4.8%以上，所发出的荧光可为乳白色。

同种激活剂在不同宝石矿物中还可引起不同颜色的发光。作为杂质存在的过渡型元素也不一定在任何矿物中都是激活剂，甚至它有时可以使发光体不发光反而成了“猝灭剂”。还有的含激活剂过多时由于失去局部能级的作用，又会影响宝石矿物发光，甚至使其不发光。

研究宝石矿物的发光性有助于了解所含微量元素的情况，进一步探讨有关宝石矿物的矿床类型，提供应用及成因方面的信息。

（五）宝石矿物直观光学性质间的关系及能带理论

1.宝石矿物的光学性质

宝石矿物的光学性质，包括了颜色、透明度、光泽、发光性，这些性质对宝石的价值来说起到决定性的作用。人们之所以青睐、收藏、视为珍宝，不外乎都是从这几个方面出发的。

颜色、透明度、光泽和发光的性质之间存在着一定的联系，可以表3-1-4简单示意。而内在的成因机制最好用能带理论来解释。

表3-1-4　光学直观性质之间的简单关系

2.能带理论的应用

下面采用能带理论将宝玉石矿物的直观光学性质予以联系，统一、简单探讨其内在机制。

能带理论（Energy bands theory）是一种量子力学模型，是分子轨道理论的进一步发展。能带模型有两种：一种是价带在能带的下部、导带在能带的上部，导带和价带之间称禁带，如图3-1-4（a）所示，随各种不同宝石矿物的键性不同而有不同的禁带宽度。另一种是没有禁带，导带和价带部分地发生重叠，如图3-1-4（b）所示。

当自然光照射到宝石矿物上时，矿物则吸收能量使电子从价带向导带迁移，所需能量的大小为禁带的宽度（即价带顶部与导带底部的能量差）所决定，即禁带越宽，电子跃迁的所需能量就越大，这种能量间隔可以ΔEg表示。所以不同的宝石矿物禁带宽度不同，即呈现的颜色也不同。这可以有以下几种情况。

图3-1-4　能带模型示意

斜线（Ev）部分为价带；横线（Ec）部分为导带；空白部分为禁带（能量间隔ΔEg），E为能量

（1）矿物的禁带宽度小（ΔEg＜1.77eV），价带与导带甚至重叠。E＝0说明能量间隔小于可见光的能量。可见光中的各色光都使电子跃迁，各种波长的光皆被大量吸收，宝石矿物则呈现不透明。跃迁到导带上的电子易回落到价带。回落时电子的大部分能量仍以光的形式辐射出来，所以具有很强的反射能力，致使呈现金属光泽和颜色，如自然金和黄铁矿等一些硫化物；如果矿物对各色光大致呈均匀吸收后再辐射，这就要看反射率的大小不同，而分别呈现出银白、钢灰、铁黑等金属色。

（2）如果矿物禁带的宽度中等（ΔEg＝1.77～3.10eV），能量间隔在可见光区范围之内，矿物就可以选择吸收能量比本身ΔEg大的各种有色光，使电子跃迁而呈现颜色，呈透过色光的混合色。很多宝石矿物都属于这种类型。

（3）矿物禁带宽度较大（ΔEg＞3.10eV），能量间隔比可见光的能量大，可见光的能量不能使电子跃迁，光则不被吸收而大部分透过，致使矿物呈无色透明。一些非金属矿物，特别是透明宝石矿物大都属于这一类型，如无色透明的钻石ΔEg＝5.5eV。

（4）如果有些杂质元素加入到宝石矿物之中，在禁带中可形成局部能级，则矿物的颜色发生变化。如钻石中有氮（N）的加入则呈黄色，有硼（B）的加入则呈现蓝色。

（5）通常把能引起矿物发光的杂质元素称为“激活剂”。有些组分纯净的矿物晶体中存在了激活剂，尤其是与宝石矿物本身成分不等价的激活剂进入晶格时，它将使宝石矿物晶体价带与导带之间产生新的局部能级。这好像是在禁带中架起一个能级“阶梯”，缩短了电子跃迁的距离，使跃迁电子得以逐级回跳。但在其回跳过程中，将受激发时的所得能量以可见光的形式释放，致使晶体发光。如果矿物晶体的价带和导带之间的间隔过大，大到大于可见光的能量，电子在受激发跃迁时的所需能量一定也很大，跃迁电子在回到价带时所释放的能量也就很大，即大于可见光的能量，所以这种宝石矿物晶体就不发射可见光。因此大多数组分纯净的矿物是不发光的，只有含有微量元素的宝石矿物才有可能发光。

（6）含有激活剂的矿物晶体，又可分为两种情况。

第一种情况是使晶体在禁带中靠近价带顶部形成一个附加能级，如图3-1-5（a）所示。当晶体受到高能辐射时，在价带或局部能级的部分电子因受激发进入导带，如图中跃迁1和2，而留下很多空穴。价带中较高能态的电子去填补这些空穴，而它又留下新的空穴，产生了空穴转移，同时进入了导带的电子也自由移动，形成所谓的自由电子。如图3-1-5（a）中跃迁1使晶体离子化，产生自由电子与空穴心对。受激发电子在导带中也不稳定而跳回局部能级或价带，与空穴复合，如图3-1-5（a）中的跃迁4，释放出相当于可见光的能量，则产生短时间的发光——荧光现象。

第二种情况是如果有些激活剂使晶体在禁带中，靠近导带形成一个附加能级，如图3-1-5（b）受激发，价带电子跃入导带外（跃迁1），还有的跃入局部能级中（跃迁2），被晶体缺陷（陷坑）所滞留，这些电子要靠热和光的激发才能跳出陷坑，再跃入导带（跃迁3）。当辐射停止后，由于陷坑的类型和杂质的影响，位于导带的电子不断地回到价带，与其空穴复合（跃迁4），这种不断复合、不断地发出一定波长的可见光即为磷光现象。

图3-1-5　发光机理示意图

Ev为价带；Ec为导带；短横线为附加能级；空心圆表示空穴；实心圆表示电子；箭头表示电子跃迁或转移；波状线表示空穴或电子在晶格中自由移动

（7）有由于可见光、红外光、紫外光等光的激发而导致发光的，也有由于X射线、阴极射线或热能激发导致发光的，发光种类很多。常见的如紫外光激发宝石矿物的发光可以发出不同颜色的荧光。矿物不同、成分不同、结构不同或同种矿物成因不同，发光中心的种类、深度或能带间的能量差则不同。所以需要用不同波长的紫外光给予最大程度的激发，方能使各种不同的宝石矿物发光，这对金刚石、白钨矿的检测具有重要的意义。

此外，还有以阴极射线为激发源，使宝石矿物发光。也有热发光，即以热为激发源使宝石矿物发光等很多的发光种类。

（8）所有这些发光现象，都是由电子-空穴复合过程所致。电子与空穴复合处即为发光中心。而有些宝石矿物如金刚石发光只有一种颜色，也有一些宝石矿物可以发几种颜色或几种不同强度的光，其原因为这些宝石矿物具多种激活剂或几种激活剂的不同组合。即便同种激活剂在不同宝石矿物中也可以引起不同颜色的发光。也不是所有过渡元素都是激活剂，也有些过渡元素因含量多了，却又失去作为能级的作用，反而不使宝石矿物发光，甚至还可以使发光体不发光，这种过渡元素就不是激活剂，反而被称为猝灭剂。由此可见，发光、不发光情况是复杂的，必须以实践、数据为证，并正确地加以运用。

利用能带理论不仅可以应用到宝石矿物学方面，以阐明宝石矿物的颜色、透明度、光泽及发光性等光学性质和它们之间的关系，还可进一步阐明宝石矿物的电学、热学性质。热发光可以在医学、环保、陨石、考古和核试验等领域得以应用，在地学上成功地解释地核、地幔高压条件下矿物的性质。它也是半导体物理学的基础，是研究结晶固体中电子运动的一个主要的也是极其重要的基础理论。

（六）宝石及宝玉石材料的一些特殊光学效应

某些宝石或宝玉石材料具有包裹体、双晶、管状排列结构或微细的球状结构等，在光线的作用下则发生光的干涉、散射或衍射等现象，使宝石或宝玉石材料呈现出一些特殊的光学效应，增加了这些宝石的奇特感，提高了这些宝玉石的价值，也成为重要的鉴定特征。常见的特殊光学效应有猫眼效应、星光效应、晕彩效应、变彩效应、变色效应、砂金效应及火彩、游彩现象等，现分述如下。

1.猫眼效应

猫眼效应为弧面宝石在光线照射下，出现可以移动的纤维状光带，犹如猫的眼睛的虹膜现象。这是由于宝石晶体中有纤维状气态、液态或固态包体呈平行密集排列，若垂直纤维状包体的延长方向切割、琢磨成弧面宝石，当光线照射到该纤维包体上，一条纤维就是一个反射光点，无数平行纤维的光点连起就形成了光带，当转动宝石时光带也随之平行移动，如图3-1-6所示。自然界中有很多具猫眼效应的宝石。这种猫眼光带越灵活、越清晰、越亮丽越好。

图3-1-6　宝石的猫眼效应成因示意
（据李兆聪，1991）

如碧玺、水晶、海蓝宝石等有些就有猫眼效应。一般在具有猫眼效应的宝石之前，经常冠以宝石矿物的名称，如碧玺猫眼、石英猫眼、海蓝宝石猫眼等。

2.星光效应

星光效应是指弧面宝石在光线照射下，宝石表面呈现互相交会的交叉光线亮带，犹如夜空中的星光。这是因为宝石晶体中有平行晶面密集排列的管状或针状矿物包体或管状孔隙，当平行纤维包体的展布面（垂直晶体的C轴）截取宝石原料，琢磨成光洁的弧面后，入射光与交织的包体发生定向反射，交会在一起的反射光就呈现星光效应。如透辉石戒面可出现四射星光，如图3-1-7（a）所示；又如红宝石、蓝宝石常可出现六射星光，如图3-1-7（b）所示。在这当中①可见包体与晶面平行；②包体与3个水平晶轴平行；③每条星光光带与引起它的包体垂直。如果在同一平面上出现另外的包体群分布在第一套三组包体群之间，当宝石切磨成弧面后就会出现十二射星光，如图3-1-7（c）所示。其成因如图3-1-7（d）、图3-1-7（e）和图3-1-7（f）所示，这可为双晶所致。

如星光红宝石、星光蓝宝石上就皆可能出现星光效应。星光效应受宝石结构的严格控制，一般四射星光发生在四方晶系、斜方晶系，六射星光、十二射星光发生在三方晶系、六方晶系。还有些宝石琢磨成圆珠，当光线通过后也会出现星光，为光在通过时因透射照亮包体而引起，这种星光有人称之为透星光（Di-asterism）。如蔷薇石英、铁铝榴石上可出现。也还有些宝石有定向排列的包裹体，但数量较少不足以形成星光，当把这些宝石切磨成小面型后，偶尔也可见到这些包体中反射出来的光，这种光称为丝光，例如有的刚玉就具有这种现象。

3.晕彩效应

当光线进入某种透明或半透明宝石时，由于微小颗粒或结构的不规则而发生内散射，使宝石呈现的乳光或波状式浮光谓之晕彩，如由薄片状出溶物引起的月光石的晕彩。也可因光波因薄膜反射或衍射而发生干涉作用形成晕彩。也有使某些光波减弱或消失，另外一些光波加强而产生连续光谱颜色的现象，如拉长石的晕彩。

4.变彩效应

光线从某些特殊的结构反射出来时，由于光的干涉或衍射作用而产生的一系列的颜色，当方向不同颜色随之变化的现象称之变彩，如欧泊的变彩效应等。

也可以将月光石的晕彩称做月光效应，将晕彩与变彩效应合并统称为变彩效应。变彩效应可分为主要由光的干涉作用引起的变彩（如拉长石变彩）和主要由光的衍射作用引起的变彩（如欧泊石变彩）等。

图3-1-7　星光效应产生示意图

（据英国宝石协会《宝石学教程》，1992）

5.变色效应

变色效应为宝石在不同光源照射下呈现不同颜色的现象。如金绿宝石在日光照射下呈绿色，在白炽灯光照射下呈紫红色，其原因为金绿宝石有两个透光区：一个绿色波段、一个红色波段。日光中蓝绿色光偏多，透过的光为蓝绿色光，故在日光照射下蓝绿色加浓，而使宝石呈现出蓝绿色；白炽灯光中红色光偏多，所以在白炽灯照射下，透过的光为红色加浓，而使宝石呈现红色。

6.砂金效应

如果透明宝石内部含有许多不透明的固态包体（如黄铁矿或细小云母片等），由于这些包体对光的反射作用，而呈现许多点点反光，犹如水中的砂金，故称砂金效应，如砂金石。

7.火彩（色散值）

当白光照射到透明物质的倾斜平面（如刻面宝石）时，因光的分解（色散）而使宝石呈现光谱色闪烁的现象称火彩。色散值是反映材料色散强度（即火彩强弱）的物理量。理论上用该材料相对于红光（B＝686.7nm）的折射率与紫光（G＝430.8nm）的折射率的差值来表示。差值越大，色散强度越大，即火彩越强。

8.游彩

凡宝石的反光带随光源的入射方向发生游动者，如上述的猫眼效应、星光效应、呈波状闪光的月光石效应等可统属于游彩之列，游彩是一种通俗的叫法，也是一些宝石上具有游动闪光现象的统称。

二、光的性质及光学测试技术

在以上章节中所述的都是肉眼直接可见的宝玉石光学方面的性质，在认识宝玉石和鉴别宝玉石时仅凭这些是不够的，必须在直观的观察基础上再测得光学方面的数据。这类数据又必须用专门的仪器测试，因此首先要具备光学方面的基础知识。

（一）光的基本性质

为了说明一些光学现象，有必要了解有关光的性质的两个理论，即量子（或粒子）理论和波动现象。量子理论是把光看成是量子或光子的不连续能量束；波动理论则认为光是沿垂直传播方向振动并传播能量的电磁波。波动犹如在水中看到的现象，它似漂浮的树叶只是随着通过的波作上升或下降运动，而波在向前运移，两个相邻波峰（或波谷）之间的距离为波长λ，上下的位移是波幅，图3-1-8即是简单的波动图示。以下即以波动理论为基础解释有关光学方面的问题。

图3-1-8　简单的光波动图示

（二）光的反射和折射

当一束白光从光疏介质（一般如空气）进入光密介质（如宝石）时，一部分光将进入宝石，另一部分光就在宝石表面反射，如图3-1-9所示。

这部分反射的光，将产生入射角以i表示和反射角以i′代表。如果设一条和反射面垂直的假想的线称法线，i和i′都是这条法线和反射面之间的夹角。进入宝石内的光线会从入射光方向向反射面的法线弯曲或折射。该法线和折射光线之间的夹角称折射角（r代表），它总是小于入射角i。两种介质的光密度差和入射角决定光折射的程度，光密度的差越大，入射光的入射角越大，则折射的程度也就越大，如图3-1-10（a）和图3-1-10（b）所示。

图3-1-9　反射光和折射光

（对反射光而言i＝i′，对折射光而言r＜i）

图3-1-10　光密度与折射程度

1.折射率

根据斯涅耳定律，不同的两种介质入射角的正弦与折射角的正弦之比为一常数，即sin i除以sin r是个常数，该常数即称做折射率，以R1表示或表示为n。

例如：设光线a入射到钻石表面，如图3-1-11（a）所示，i＝60°，r＝21°；光线b也入射到钻石表面上，如图3-1-11（b）所示，其i＝30°，r＝11.94°，则：

光线a R1＝sin60°／sin21°＝0.866 0／0.358 3＝2.417

光线b R1＝sin30°／sin11.94°＝0.500 0／0.206 9＝2.417

这说明虽以不同角度射到钻石表面的光线的折射程度不同，但钻石本身的折射率不变。

图3-1-11　以不同的角度入射到钻石表面的光线的折射程度不同，但每种情况下sin i／sin r＝2.417

在真空中，光的最大传播速度是300 000km／s，当光穿过任何光介质时，它的速率会依介质的光密度的大小按一定比例衰减，因而可以用光在真空中的速率V和光在介质中的速度v的比值来代表折射率，即R1＝V／v。如果以在真空中的光速V＝1作为基本单位，实际上在空气中的光速和在真空中的光速差不多一样大小，即V＝0.999 7（几乎等于1），故以此即可作为基本单位，这样就可以得出宝石在空气中的折射率R1＝1／v，或者说等于速率的倒数。

如此说来，介质中光传播的速度愈大，则该介质的折射率越小，相反若介质中光传播的速度越小，则该介质的折射率愈大，即介质的折射率与光在介质中的传播速度成反比，即Vi／Vr＝Nr／Ni。进一步说明，光在真空中的传播速度最大，在其他各种液态固态介质中（或者说在宝石中）光的传播速度总是小于真空中光的传播速度，故晶体（宝石）的折射率总是大于1。

从图3-1-10（a）和图3-1-10（b）还可以看出N值大小反映介质对光波折射的能力，N值愈大，折射线越折离原入射线的方向而更加靠近法线，即表明该介质使光线偏折的能力越强。

总的来说N值还是决定于介质的微观结构（即宝石晶体的内部构造），并可宏观地反映介质（尤其是宝石晶体）的微观结构，因此它对鉴定透明宝石矿物是个尤其重要的光学常数，它往往还能测定已镶嵌宝石的特点，所以极为重要。

2.光的全反射及全反射临界角

如前所述，一部分进入光密介质的光由光疏介质到光密介质，光将朝向法线折射，如图3-1-10（a）所示。而如今若把光从光密介质传播到光疏介质，如图3-1-10（b）所示，光则也变为背离法线折射，同时光的入射角i也将小于折射角r，如图3-1-12所示。

图3-1-12　光的全反射及全反射临界角

S.分界面；O.总光源；（OA、OB、OC、OD、OE）.光入射线；（BB′、CC′、DD′）.光折射线；EE′.光反射线；i.入射角；r.折射角；∠AOD.全反射临界角

如果n2值已知，即可计算出n1值，测定宝石的折射仪就是根据这一原理制成的。而当n1、n2值已知时，也可计算出全反射临界角的φ值。这一关系可用于宝石的加工中，根据所加工宝石的折射率值，计算出最佳的刻面角度，使刻面对光全反射而产生较光亮的效果。

图中O为总光源，从O光源发出的OA、OB、OC、OD、OE等一系列的光线向S面入射，OA垂直界面，即i＝0，r＝0，不发生折射，AA′光线沿OA原方向射入光疏介质中。如光线穿过玻璃（R1＝1.52）。入射光线倾斜越大则折射角越大，折射光面越来越偏离法线，当光线的入射角大到一定程度，折射角等于90°时（光线D）折射的光线则平行于界面传播。这时的入射角称作“临界角”（∠AOD）。如果入射角更大，大于临界角，如图中E光线，r＞90°，则入射的光线不再发生折射而全部反射回入射的介质中，即不再进入光疏介质（空气），而全被反射回玻璃中，成为全反射。遵守反射定律，入射角和反射角是相等的。（i＝r）这一现象则称为光的全反射，与r＝90°相应的入射角称全反射临界角。以图3-1-13为例，设图中光疏介质的折射率为n1；光密介质的折射率为n2，n2＞n1，全反射临界角为φ，其关系可用下列公式表示：

（三）折射率的测定

测定折射率的方法很多，现择其要者简述如下。

1.折射仪测定折射率法

使用折射仪测定折射率是最常用的方法。

（1）折射仪的工作原理。不论哪种型号的折射仪都是利用了光的全反射、临界角的原理测定宝石矿物的折射率。如图3-1-13所示。

图3-1-13　折射仪工作原理

利用光从折射仪的后面射入，穿过玻璃半球。入射角大于玻璃半球和欲测定宝石矿物之间的临界角的光就会发生全反射，通过标尺进入视域。有些入射角小于临界角的光则在界面处进入宝石矿物，所以在仪器的标尺上相当于临界角的位置可见到半明半暗的分界线，这个界线是由临界角值而定。已知n（宝石）＝n（玻璃）sinα（α＝临界角），折射仪的玻璃半球的折射率为固定值，故可依其临界角值计算出所测宝石的折射率。折射率值表示在该折射仪标尺上，可以直接读出，如图3-1-14（a）、图3-1-14（b）和图3-1-14（c）所示。

图3-1-14　在折射仪标尺上读取折射率值

折射仪的种类、型号很多，常见的有美国生产的GIA复式Ⅱ型宝石折射仪及中国地质大学生产的宝石折射仪等，如图3-1-15（a）和图3-1-15（b）所示。

（2）折射率油。在所测的宝石与仪器表面之间要滴以折射率油，折射率油又称接触液。由于宝石样品放在折射仪上时，不免有空气薄膜夹于样品与棱镜之间，影响了样品与棱镜紧密的光学接触。滴折射率油可使宝石样品的面与仪器上的玻璃表面有良好的光学接触，以获得准确的读数。折射率油的折射率与工作台玻璃的折射率相近，而稍大于常测宝石的折射率。折射率油一般为二碘甲烷（折射率为1.742），二碘甲烷＋硫溶液（折射率为1.78），二碘甲烷＋硫＋四碘乙烯（折射率为1.81）。如果折射率油的折射率为1.81，则可用于一般宝石矿物折射率的测定。如果折射率油的折射率大于1.81，则有毒性和腐蚀性，需控制使用。常用的折射率油除二碘甲烷之外，其他常用的折射率油如表3-1-5。

图3-1-15　折射仪

表3--常用折射率油及其折射率

（3）使用折射仪测定折射率的操作方法及步骤。

测定折射率的操作步骤如下。

A.先将欲测的宝石及折射仪的工作台清洗干净。

B.选好欲测样品较大、较平的刻面，然后打开光源，使标尺上的光线明亮。

C.往折射仪工作台玻璃上滴一滴折射率油。

D.将宝石的大而平的刻面朝下，放于折射率油上，用手（或棉签棒）轻轻推入折射仪工作台玻璃中心。

E.盖上折射仪的上盖。

F.如果被测样品（宝石）是较大一些的，眼睛则需靠近目镜，要看清内标尺上的刻度；如为小刻面宝石，观察内标尺上的刻度则要远离目镜（30～45cm），并上下移动头部，观察镜内标尺的阴影，阴影半明半暗的分界线处的读数即为其折射率值。

G.光源如果采用单色光（黄光），则刻度尺上明暗阴影分界处的读数即为所测宝石的折射率。光源如为白色光，则在黄色阴影窄带处的读数为所测宝石的折射率。

H.测试结束，用手（或棉签棒）轻轻将宝石移至金属台，然后慢慢取下。

I.将折射仪工作台及其上的玻璃和所测宝石清洗干净。

J.如果欲测样品是弧面宝石则须采用点测法（又称斑点法），其操作程序为：先清洗干净折射仪的工作台，选较好的抛光面（弧面），打开光源，滴一滴（适量的）折光率油于工作台的玻璃中心，使宝石的弧面顶朝下置于折光率油滴上（最好先使宝石长轴方向与折光仪工作台长轴方向一致）；然后在距目镜30～45cm处上下移动头部观察，在标尺的滴斑具半明半暗的分界线处的读数则为其折射率值。如弧面不好或抛光很差，可能出现由暗到明的不同滴斑，这时可以取最全亮到最全暗之间的中间值，作为其折射率。当然，这种取值可能是近似值，如图3-1-14所示。

K.关于玉石折射率的测定。玉石是矿物的集合体，测定其折射率较为复杂，如若玉石中的各矿物颗粒粗大而分布不均者，则需先认准所测对象，究竟是个别矿物的还是玉石整体的折射率；如果玉石的组成矿物微小，而且在玉石中分布比较均匀，则可测其近似的折射率值。其方法仍如前所述：即先找一较好的抛光面，滴以折射率油，置于折射仪工作台软玻璃中央，观察者可距目镜30～35cm处观察，目光要垂直其视野平面，可看一条灰色分界边，此分界边的读数即是该样品的折射率。

L.如果视域刻度尺全暗，则说明所测宝石的折射率大于折射仪上测定折射率的范围（＞1.8）。

M.如果读数不清晰，可移动一下样品（宝石）的位置或光源的位置反复再测。

（4）测折射率时应该注意的事项。

A.不要用铁镊子取放样品，以免损伤工作台上的软玻璃。

B.折射率油滴量要适当，过多则易于使样品漂起，尤其对碎粒小宝石样品，易于漂起离开软玻璃；过少则不能形成样品与折射仪间的光学接触。

C.利用折射仪还可测出均质体与非均质体、双折率、轴性与光性符号、一轴晶、二轴晶等。

2.油浸法测定折射率

用油浸法测定折射率，首先要了解什么是宝石矿物的突起。突起是在镜下被观察的宝石好像高低不同，实际同在一平面上。这种感觉是由于宝石矿物的折射率与树胶折射率不同而引起，二者相差越大则宝石矿物突起越高，如图3-1-16所示。

图3-1-16　油浸法测定折射率

其测定方法为：

①先将矿物砸碎，用显微镜观察。将矿物碎粒浸没在浸油中，浸油的折射率是已知的，一般为1.41～1.78（校正间隔为0.01）。

②如果矿物碎粒轮廓清晰，即表明宝石矿物的折射率与浸油的折射率有差别，相差越大则宝石矿物突起越高（突起是围绕矿物颗粒的黑边，黑边愈大突起越高）。

③提升镜筒矿物稍脱离焦点，在矿物边缘将出现一条亮线，称“贝克线”，此线总是向折射率高的介质移动。如果提升镜筒贝壳线移向矿物，则说明矿物颗粒的折射率高于浸油；如果提升镜筒贝克线移向浸油介质，则说明浸油的折射率高于矿物的折射率。

④根据折射率的谁大、谁小来连续调整不同折射率的浸油，直到不出现贝克线，同时矿物颗粒的边缘基本上看不到或看不清楚为止，此时浸油的IR即为矿物的IR。

图3-1-17　折射率油测试宝石折射率

①合成金红石；②白色锆石；③白色蓝宝石；
④金绿宝石；⑤粉红色尖晶石；⑥褐色硼铝镁石；⑦绿色锂辉石；⑧硅铍石；⑨硼铍石；⑩碧玺；11黄晶

这种砸碎样品的破坏性实验在珠宝鉴定中是不可取的，只有对那些经济价位低的宝石材料或玉石材料方可考虑采用。

另一种改进了的测试方法：使用一些易于得到的折射率油（如上所述），测试时先将宝石放入特制的盘子中的油浸槽里的浸液中，盘子被固定在一张白纸之上，可使黑色的卡片从其下方经过，如果卡片的边透过宝石和液体以直线形式单独出现，则宝石和该浸油液体折射率相等；如果宝石的折射率低于浸油的折射率，则通过宝石看到的卡片边排在透过相邻液体看到的卡片边的上面；如果宝石折射率高于浸油折射率，则暗边首先进入液体然后才进入宝石，即排在卡片边的下面。如图3-1-17所示。

3.相对突起法测定折射率

为了测定一些折射率超出折射仪范围的宝石或合成宝石，可用相对突起法，即将宝石的台面朝下置于二碘甲烷中，然后用单色强光从上往下照射，将宝石投影在浸油液槽下的一张白纸上，观察其宝石的阴影不同，而定出系某种宝石，如图3-1-18所示。

图3-1-18　大小和琢型相似的圆钻及其仿制品浸在二碘甲烷中时的阴影图像

如将宝玉石放入盛有一溴萘（一溴萘的折射率为1.66）的溶液中，用透射光照射，从上面观察，若宝玉石边界不见，则此宝玉石的折射率与1.66相等；若宝玉石的边界有一黑圈，则此宝玉石的折射率大于1.66，黑圈越清晰、越亮，宝玉石的折射率越高；若宝玉石的边界有一亮圈，则此宝玉石的折射率小于1.66，亮带越清晰、越宽，此宝玉石的折射率越低，如图3-1-17所示。这种方法更有利于检测翡翠等与1.66折射率相近的宝玉石。

4.显微镜直接测试法

此法适用于高折射率的透明宝石。可在宝石显微镜下利用微尺测量，测其视厚度和真厚度之比而得出折射率。测试步骤为：先将宝石用胶泥固定在显微镜载物台上，也可放在锁光圈上或用宝石夹夹住，用压平机使宝石台面与载物台平行，使用最大倍数镜头，先对准台面准焦，记录微尺读数A，再准焦于宝石的亭部的尖部得读数B，读数A-B即为视厚度；然后将宝石移开载物台，再准焦于载物台表面得读数C，A-C即为宝石的真厚度数（宝石真厚度也可用精密的卡尺量出），该宝石的折射率可按下式计算出，即：

此法也可用于与折射仪物台玻璃不能直接成光学接触的宝石样品，当然用此法所测定的折射率是个比较粗略的数值。A、B、C三次数据的准焦面示意图如图3-1-19所示。

5.反射仪测定法

这种仪器的制作原理为将一束光（一般是红外光）直接射入到水平抛光面上，测量反射回来的光的百分比。由于将读数通过按不同宝石材料的反射率和折射率制定的数据表来体现，因而这种仪器称做“反射折射仪”。所测宝石的折射率范围为1.450～2.999，精度可到0.008，尤其当所测宝石的折射率大于1.81时，采用此仪器测试最为有效。仪器可用宝石反射仪，如图3-1-20所示。

图3-1-19　显微镜测定宝石折射率时的三次准焦面

图3-1-20　宝石反射仪（Reflectivity meter）

该反射仪主要用于测试折射率超过标准折射仪极限的高折射率宝石（如合成蓝宝石、合成尖晶石、锆石、合成立方氧化锆、人造钛酸锶、钻石或是合成碳硅石）的近似折射率，仪器顶部有反射图表，可根据测试出来的结果进行对照。

（四）反射率的测定

如上所述，使用折射仪检测宝玉石的折射率，测试范围可因所用折射仪棱镜和接触液的不同而异。在通常情况下折射仪只能测折射率在1.35～1.81之间的样品。如果是超过这一范围极限的高折射率，则要用反射仪测量其反射率，即利用反射原理测量从宝玉石表面返回的光亮，因为宝玉石矿物的反射率与折射率之间存在着一定的近似线性关系。前面在光学性质的直观特征光泽一节中已有提及，即：已知宝玉石矿物的折射率，可依反射率（R）＝反射光线的强度／入射光线的强度＝（n1-n2）2／（n1＋n2）2来计算。式中：n1为宝石的折射率，n2为宝玉石周围介质的折射率（空气的折射率为1）。计算宝玉石矿物的反射率，也可由宝玉石矿物的反射率换算出宝玉石矿物的折射率。一些常见宝石的折射率和反射率如表3-1-6所示。

表3-1-6　常见宝石的折射率和反射率

使用反射仪应注意所测样品中的包裹体的影响；表面要清洁，无污染的杂质；样品至少要大于测试孔；最好能从几个方向反复测量取平均值。另外当前很多反射仪都已经把反射率换算成了折射率，但其测量精度较差，误差往往在5%左右。

宝玉石矿物的折射率、反射率是很重要的鉴定依据，测定的方法也非常之多，除上述各项之外，还有利用阿贝折光仪、利用吉莱折光仪等测定。

（五）光的干涉、衍射及散射

如果有两束光的振动方向、频率及位向相同（或位相差恒定），即可发生干涉。图3-1-21为振幅和频率相同，振动方向又一致的两束光相干涉。

图3-1-21　光的干涉

图3-1-21中的光波1、光波2相遇于同一介质中，光波1与光波2的波峰、波谷同方向重叠时，则产生的干涉波具有双倍的振幅，此为相长增强，干涉结果为光亮度增强，如图3-1-21（a）所示；如果这两束光波振动方位完全相反，即光波1的波峰与光波2波谷反向重叠，电磁场互相抵消，则产生相消删除，即光波1及光波2的干涉结果使光亮度减为0，如图3-1-21（b）所示。这种相差恒定、波长相同、传播方向相同的两束或两束以上的光在同一介质中相遇时，在交叠区产生相长增强或相消删除的现象称为光的干涉作用。由光的干涉作用产生的颜色称为干涉色。两束光的光程差的大小，决定干涉色具体的颜色。干涉色的色级级序越高，颜色越浅，干涉色条带之间的界限也越不清晰。

一般常见的白色宝石表面薄膜上的彩色纹理和因膜而产生的彩色纹理，是由光对薄膜干涉所引起，其干涉作用是由薄膜底层反射的光与薄膜顶部反射的光的叠加而产生。干涉形成的颜色，也要看两束光的光程差的相对大小。当光程差为光波半波长的偶数倍时，两束光相长增强；当光程差是半波长的奇数倍时，两束光相消删除。如果这两束光为单色光，则因干涉作用出现明暗相间的条带；如两束为复色光时，则出现彩色。这种干涉色的具体颜色与薄膜厚度、折射率和入射光的性质有关，但薄膜不均匀时平行光线可以相同的入射角入射，形成不同的波程差，而造成不同波长的光的干涉。如宝石矿物中由于宝石矿物的解理或裂隙的存在而产生干涉现象，形成晕彩。又如一些无色透明的宝石矿物的破裂面上，当光通过其裂隙中空气薄膜层时发生干涉，从薄膜底部反射的光与薄膜层顶部反射的光相叠加，而产生彩色干涉色所形成的晕彩。

当光线在传播中遇到障碍物时，则改变直线传播方向，称为光的绕射或光的衍射。通常当光通过狭缝后在屏幕上可见亮度均匀的光斑。狭缝缩小，光斑也会变小，但当缩小到一定程度时，光斑又开始变大。如果原来光源为单色光，光斑变为明暗相间的条纹；如果原来的光源为白色光，光斑会变为彩色条纹。条纹的界线也变为不清，因为这是以平面波的形式传播的光，改变传播方向后，产生的子波也发生干涉，产生干涉条纹及颜色效应。

通常根据衍射原理设计的衍射光栅（光学性能的衍射屏），将白光（复色光）分解成浅色有色衍射光谱，这可用于鉴定宝石用的分光光度计。也可利用光的衍射原理，说明宝石的变彩效应，如欧泊的变彩效应等。

当光的传播介质不均匀时，就会使光线向四面八方散开射去，这种现象称为光的散射。当介质的均匀性被破坏，不均匀尺度达到波长数量级时，这些不均匀介质小块之间在光学性质上（如折射率等）就有较大差别，受到光波的作用，它们就成为不同强度的次波源，这时除了按光学规律直线传播的光线之外，在其他方向就会出现散射光，这样看来散射光又如同是衍射作用形成的。如果介质中团块的大小大于波长的数量级，散射则如同在这些团块上的反射及折射。散射的强度和颜色多与不均匀微粒的大小及光波波长有关。如与可见光（400～700nm）相比，比可见光波长小的微粒会引起散射；当微粒大小在1～300nm时，对可见光的散射强度与波长成反比；波长短的蓝光比波长长的红光的散射要强，可产生蓝到紫的散射，如某些月光石的蓝色；如果大于或接近可见光波长的微粒引起的散射则多呈现白色，如不透明的白色石英；如果散色微粒在1λ～2λ之间时，散射光才可能呈现红、绿等各种颜色（这种在宝石中较为少见）；散射微粒大于700nm时，这种散射可使宝石产生乳光，如月光石、芙蓉石、蛋白石等。

（六）色散

当太阳光照射玻璃棱镜时，常常可观察到五光十色的现象，这就是色散造成的。其原理为当光从空气中入射到光密介质时，它的运动速度随着波长的不同而有所不同。波长最长的是红光，它具有最大的速率，被折射的程度最小；波长最短的是紫光，它具有最小的速率，被折射的程度最大，如图3-1-22所示。所以宝石的折射率是红光比紫光的小。这种光谱色的分离被称为光的色散。

有的宝石色散度高，有的宝石色散度低。所以它是检测宝石的又一重要数据。

色散度通常用430.8nm的蓝光和686.7nm的红光分别测同一个宝石的折射率，折射率之间的差值即为该宝石的色散值。

图3-1-22　光的色散

常见宝石的色散度为：钻石0.044、水晶0.013、绿柱石0.014、蓝宝石0.018、合成立方氧化锆0.060、钛酸锶0.190。色散度不但可用于检测宝石，而且增加了宝石的美感。转动钻石时可发出五光十色的闪光，就是由色散形成的。常见宝石的色散度如表3-1-7所示。

表3-1-7　常见宝石的色散度

各种磨好的宝石均有色散，如图3-1-23所示，而色散的程度各不相同，这决定于它本身的色散度及颜色，颜色深的宝石往往影响其色散。

（七）自然光与偏振光及光在均质体和非均质体中的传播特点以及偏光仪的应用

1.自然光与偏振光

按照波动理论，光是在垂直于光波传播方向的平面内，作任何方向的振动，而且是对称的。或者说光的传播方向与光的振动方向是互相垂直的，自然光就是在垂直光波传播方向的平面内可以任意方向振动、直接从光源发出的光，如太阳光、灯光等都是自然光，如图3-1-24（a）所示。这种自然光如果经过反射、双折射或偏光片以后，改变了光的振动方向，使它成为只限制在一个固定的方向振动的光波，这种光波为平面偏光，如图3-1-24（b）所示。也称其为偏振光或偏光，如图3-1-25（c）所示。

图3-1-23　宝石的色散

图3-1-24　自然光和偏振光振动特点的示意图

2.均质体和非均质体

当光线通过气体、液体、非晶质体（如玻璃、欧泊）及等轴晶系的所有宝石晶体时，光在各个方向上进行速度是相等的，所以只有一个折射率，这类物体称均质体。如天然玻璃折射率为1.490、金刚石的折射率为2.417。自然光射入均质体后基本不改变光波的振动特点和振动方向。当光线通过除等轴晶系以外的其他各晶系的晶体时，光进行的速度则随不同结晶方向而变化。因此，折射率在不同方向上一定范围内有所改变。这类宝石矿物晶体则称非均质体。

3.光在均质体和非均质体中的传播特点

自然光射入非均质体改变入射光波的振动特点，偏光入射非均质体时则改变入射光的振动方向，而在中级晶族中只有一个沿Z轴的方向不改变振动方向和振动特点，这一方向在非晶质体中称光轴。在中级晶族中有1个光轴，称一轴晶；在低级晶族中有2个光轴，称二轴晶。在非均质宝石中一轴晶有两个折射率Ne和No，二轴晶族中有3个折射率，分别为最大的Ng、中等的Nm、最小的Np。

当光进入非均质体，除光轴方向之外，其他方向振动的光都变成两个互相垂直的平面偏振光，这两条光各有其速度和传播途径，振动方向互相垂直。一种是振动方向与光轴方向垂直，各方向折射率相等，称为常光，以“o”表示；另一种是在包含光轴的平面内振动，振动方向平行光轴和光波传播方向所构成的平面，其折射率值随振动方向不同而改变，称为非常光，以“e”表示，如图3-1-26所示。图中所示为自然光通过冰洲石时分解成的振动方向互相垂直的、传播速度不同的、折射率不相等的两种偏光（Pe、Po）。这一现象称双折射。宝石矿物的双折射以双折射率值表示。双折射率也叫重折率，等于其折射率的最大差值。即：重折率＝最大折射率-最小折射率。

图3-1-25　自然光与偏振光

图3-1-26

如红宝石为非均质体一轴晶，有2个折射率，Ne＝1.770，No＝1.762，其双折率则为1.770-1.762＝0.008；又如橄榄石为二轴晶，有3个折射率，Ng＝1.690，Nm＝1.672，Np＝1.654，其双折率则为Ng-Np＝0.036。

当光垂直C轴入射，e光平行C轴，o光和e光速率差最大，折射率是速率的倒数，所以其双折率也最大。常光方向的折射率以ω表示，非常光方向的折射率以ε表示，如果ω＞ε，则称负光性，光性符号为“-”；如果ε＞ω则称正光性，光性符号为“＋”。

4.偏光仪的应用

测定宝石矿物的这些光学数据，最常用的是偏光仪。偏光仪的类型很多，其结构原理大同小异。比较简单的是内置光源偏光仪，如图3-1-27和图3-1-28所示。

图3-1-27　直臂台式偏光仪

图3-1-28　曲臂台式偏光仪

一般常见的偏光仪，是由一个镜臂支持着上下两个偏光片及一个光源灯泡，下偏光片将透过的光沿前后方向振动，上偏光片将透过的光沿左右方向振动，合在一起称正交偏光。在下偏光片之上还装有一个可自由转动的玻璃片，以放置欲测样品。检测时先接通电源，转动上偏光片，使其振动方向与下偏光片振动方向垂直，视域全黑，如图3-1-29所示。

图3-1-29　偏光仪结构与正交偏光、消光现象对照

（1）均质性和非均质性的测定。其方法为先将欲测的样品（宝石），置于偏光片上方可转动的玻璃片上。①将其转动360°，如果宝石样品全黑（视域内无光线），则说明此宝石样品为均质体，属等轴晶系或非晶质体，如图3-1-30所示。②将宝石样品转动360°，有四次暗（消光）四次亮的现象，则所测样品为非均质体。

图3-1-30　偏光仪下均质体和非均质体的测定

（2）消光角的测定。消光是指下偏光片的振动方向和晶体的一个振动方向一致时，透过晶体的光线（o或e光线）上偏光片全吸收，这时视域全黑，晶体即处于消光位。若把晶体从消光位转动开，视域又逐渐变亮。转动45°时达到最亮，再转动45°又处于消光位，视域变暗，故旋转360°即出现四暗四亮。

A.有关消光方面有“消光角”一词，消光角一般是以结晶轴或晶面符号与光率体椭圆半径之间的夹角来表示，如角闪石在（010）切面上的消光角表示为Ng∧Z＝30°。也不是所有宝石矿物都要测定消光角。它虽有鉴定意义，但只限于单斜及三斜晶系的矿物切片，这只是一个重要的光学数据而已。

B.在测定过程中，如果视域始终明亮，不见消光现象，这可能是因为所测材料（宝玉石）是由很多微小晶体组成的集合体，当各晶体排列方向不同时，宝石转动中很多晶体处于非消光位，所以视域始终是明亮的。这些材料往往是玉髓、翡翠等玉石之类。

C.有些有聚片双晶的宝石，在测试过程中有的双晶个体处于消光位，有的不处于消光位，所以它也不会消光，如刚玉类、长石类宝石就有这种现象。

D.还有的宝石在正交偏光下转动时不是所有材料显示同一暗色，而是有受定向的压力（形成过程中变质作用）的影响而具有异常双折射，转动时产生从暗到亮的闪光或显示斑纹状、蛇曲状或格子状，故称为“异常消光”。这种情况可先将其转到最亮的非消光位，然后转动上偏光片90°，使上下偏光片振动方向平行，若宝石亮度增加，则为异常消光，属均质体宝石；若宝石亮度不变甚至变暗，则为非均质体宝石，如图3-1-29所示。再根据一轴晶中No、Ne之最大差值或二轴晶中Ng、Np之最大差值计算出该宝石样品的双折率。

这种带有内置光源的小型偏光镜体积小、结构简单、使用方便、携带方便。但是由于光源功率小，亮度不够，而且经常用于观测宝石成品，如宝石球体（珠子）、戒面或雕刻品之类，用起来往往不能达到检测的目的。将它用于一些较薄的、较透明、色浅的宝石样品的简单测试还是可以的。

从理论上讲，用这种小偏光仪还可测定晶体的光性正、负等其他光学性质，但实际情况中，也不过仅测均质、非均质及消光等易测项目。

所以，当需精确、综合地检测一些宝石、玉石材料时，在有条件的情况下，还是经常使用偏光显微镜。

（八）光率体的一般概念

比较透明或半透明的宝石矿物在偏光镜下的表现，主要是与折射率的大小和光波在晶体中的振动方向有关。为了区别不同宝石矿物在晶体中光的传播特点，即偏光振动特点和折射率之间的关系，还需要借助于光率体的概念，以深刻理解之。

光波在晶体中传播时，光波振动方向与相应折射率值之间的关系用一种光性指示体——“光率体”表示。设想当光线自晶体中心起，沿光波的各个振动方向按比例截取相应的折射率值，把各线段的端点联系起来，所构成的是一个球体。它虽然是抽象的，但是它在光性矿物学领域中起着极其重要的作用。各类宝石矿物晶体的性质不同，所构成的光率体形状也各有不同。以上所述的晶体有关光学性质，都可以表现在光率体上。它可以综合地解释光学性质，也可以在偏光显微镜上实际测试。

1.均质体的光率体

光波在均质体中传播，各方向速度相等，即折射率相等，因此均质体的光率体是一个正圆球体。其任何方向的切面均为一个圆切面，圆切面的半径即为均质体的折射率值。均质体光率体如图3-1-31所示。

图3-1-31　均质体的光率体

2.一轴晶光率体

一些中级晶族宝石矿物晶体，水平结晶轴单位是相等的，所以水平方向的光学性质也是相同的。这类矿物有一个最大折射率和一个最小折射率可分别以Ne、No表示，其他折射率则变化于Ne、No之间，可以符号Ne′表示。光波振动方向平行Z轴时，折射率值为Ne；振动方向垂直Z轴时，折射率值为No；斜交Z轴时，折射率值即为Ne′，Ne′值的大小变化于Ne、No之间。振动方向接近Z轴时，Ne′接近Ne；振动方向接近垂直Z轴时，Ne′接近No。

可见一轴晶光率体为一个以Z轴为旋转轴的椭圆球体。而且它有正负之分。如果该旋转轴为长轴，光波平行光轴的折射率比垂直光轴的折射率大，即Ne＞No，则称正光性光率体，这种宝石矿物则称正光性，如图3-1-32（a）所示。反之，如果光波平行光轴振动的折射率比垂直光轴振动的折射率小，即Ne＜No，则称负光性光率体，相应的这种宝石矿物称负光性，如图3-1-32（b）所示。

当光波沿Z轴入射时不发生双折射，以垂直Z轴振动的折射率为半径构成一个垂直Z轴入射光波的圆切面。光波垂直光轴入射则发生双折射，分解形成两种偏光：一为垂直Z轴即所称的常光No，另一为平行Z轴的称非常光Ne。

Ne与No分别代表一轴晶矿物的最大与最小折射率值，称“主折射率”。

Ne与No的差值为一轴晶的最大双折射率。

在偏光显微镜下我们所看到的各方向的光率体切面不外下例3种情况。

图3-1-32　一轴正负光率体

（1）垂直光轴（⊥Z轴）的切面［图3-1-33（a）］为圆切面，半径等于No，光波垂直入射时不发生双折射，折射率＝No，双折射率等于零。一轴晶光率体只有一个这样的切面。

（2）平行光轴的切面［图3-1-33（b）］为椭圆切面，其长短半径分别为No、Ne，长半径Ne、短半径No为正光性，长半径No、短半径Ne为负光性。光波垂直这种切面（即垂直光轴）入射，光线发生双折射，分解形成两种偏光，其振动方向分别平行椭圆切面的长短半径，折射率值分别为椭圆切面的长短半径Ne、No，双折率为二者之差，为一轴晶宝石矿物的最大双折率。

图3-1-33　一轴晶正光性光率体的切面类型

（3）斜交光轴的切面［图3-1-33（c）］仍为圆切面，其长短半径分别为No、Ne′。光线垂直从这种斜交光轴的切面入射，发生双折射，分解形成两种偏光，其振动方向分别平行于椭圆切面的长短半径，折射率为No、Ne′，双折率为二者之差，其大小则变化于零与最大双折率值之间。一轴晶在任何斜交光轴椭圆切面的长短半径中一定有一个是No。如果是正光性其短半径为No，如果是负光性其长半径为No。

图3-1-34　一轴晶正光性光率体3个切面图示

总的来看，光波沿光轴入射，垂直入射光波的光率体切面是一个圆切面。它不发生双折射，也不改变入射光波的振动方向，双折率为零。光波沿其他方向入射，垂直入射光波的切面为一个椭圆切面，椭圆的长短半径分别为入射光波发生双折射后而分解成两种偏光的振动方向，长短半径分别代表两种偏光相应的折射率值。长短半径之差即为双折率。

在一轴晶光率体垂直光轴切面的双折率为零，平行光轴切面的双折率最大。除此之外，其他方向的双折率在二者之间递变。现综合于图3-1-34之中。

3.二轴晶光率体

二轴晶光率体是一个三轴不等的椭球体。低级晶族的斜方、单斜及三斜晶系的宝石矿物属之。这类矿物都有3个主折率：Ng、Nm、Np。其他的折射率值变化于Ng、Nm、Np之间，可以用Ng′、Np′代表（图3-1-35）。

图3-1-35　二轴晶光率体的圆切面及光轴图示

当光波沿矿物Z轴方向入射，会发生双折射，形成两种偏光：一平行X轴振动，另一平行Y轴振动。依此可构成一个垂直Z轴入射的椭圆切面，当光波沿X轴方向入射也同样可构成一个垂直X轴的椭圆切面，同样当光波沿Y轴入射也可构成一个垂直Y轴的椭圆切面。将这3个椭圆切面依它们在空间的位置联系起来即构成一个三轴不相等的椭球体，如图3-1-35所示，成为三轴椭球体光率体。三轴椭球体中就有3个互相垂直的轴，称主轴，即Ng轴、Nm轴、Np轴，包括2个主轴的切面称主切面，二轴晶光率体有3个互相垂直的主切面即Ng、Np面，Ng、Nm面，Nm、Np面。

通过Nm轴在光率体的一边，即Ng轴与Np轴之间，可作一系列的切面。它的半径皆为Nm，另一个半径的长短则在Ng、Np之间变化，但它们之间总存在一个Nm圆切面，由图3-1-35亦可看出。

同样在光率体的另一边可找到另一个圆切面，光波垂直于这两个圆切面入射时不发生双折射，这两个方向就是二轴晶矿物的光轴，可用符号OA表示，如图3-1-36（a）和图3-1-36（b）所示。

在二轴晶光率体中通过光率体中心只能截出这两个圆切面，也就是只有两个光轴（故称二轴晶）。两个光轴之间的夹角称光轴角，锐角夹角用符号2V表示。二光轴之间的锐角等分线用Bxa表示，二光轴之间的钝角等分线用Bxo表示。(www.xing528.com)

二轴晶的3个主轴折射率Ng、Nm、Np的大小值决定了二轴晶矿物的光性符号。Nm值接近Np值时Ng-Nm＞Nm-Np，为正光性（＋），Nm较接近Np，以Nm为半径所作的两个圆切面较靠近Np，所以两个光轴之间的锐角等分线Bxa即为Ng轴［图3-1-36（a）］；Nm值如接近Ng值即Ng-Nm＜Nm-Np时为负光性（-），Bxa即为Np轴［图3-1-36（b）］。

图3-1-36　二轴晶正、负光率体

这样看来光性符号也可以依Bxa＝Ng，Bxo＝Np时为正光性（＋）；Bxa＝Np，Bxo＝Ng时为负光性（-）。

2V的大小可大致以下列公式计算：

二轴晶光率体的主要切面有垂直光轴的、平行光轴的、垂直Bxa的、垂直Bxo的和斜交的几种，分别简述如下。

（1）垂直光轴的切面为圆切面，其Nm为半径，如图3-1-37（a）所示。光波沿光轴入射，即垂直这种切面入射，不发生双折射，也不改变入射光的振动方向，其折射率为Nm，双折率为零。

（2）平行光轴的切面为椭圆切面，其长短半径分别为Ng、Np，如图3-1-37（b）所示。光波垂直于这种切面入射，即沿Nm入射时发生双折射，分解为平行Ng及Np的两种偏光，其折射率值分别为Ng、Np，Ng-Np为双折率，是二轴晶最大折射率。

图3-1-37　二轴晶光率体的主要切面

（3）垂直Bxa的切面为椭圆切面，正光性晶体相当于NmNp主轴面，如图3-1-37（c）所示；负光性晶体相当NgNm主轴面，如图3-1-37（d）所示。垂直于这种切面的入射光也就是沿Bxa方向入射时，发生双折射，分解成平行Nm、Ng轴或Nm、Np轴，两个振动方向的偏光，折射率值分别为Nm、Np或Nm、Ng。双折率等于Nm-Np或Ng-Nm，大小介于零到最大值之间。

（4）垂直Bxo的切面为椭圆切面，正光性晶体相当于NgNm主轴面，如图3-1-37（e）所示；负光性晶体相当于NmNp主轴面，如图3-1-37（f）所示。光波垂直于此种切面入射，即沿Bxo方向入射时，发生双折射，分解形成平行Nm与Ng轴的或Nm与Np轴的两种振动方向的偏光，折射率分别等于Ng、Nm或Np、Nm，双折率等于Ng-Nm或Nm-Np其大小介于零到最大值之间。但是不论其光性是正还是负，垂直Bxo切面的双折率总是大于垂直Bxa切面的双折率。

（5）斜交切面是指既不垂直光轴也不垂直主轴的切面。这种切面在光率体中可有无数个，它们皆为椭圆切面。这种切面大致可分为两类。第一类，垂直主轴面的斜交切面，这种斜交切面的椭圆半径有一个主轴Nm、Np或Ng；另一个半径为Ng′或Np′。上述垂直光轴的圆切面实际上是这一类切面中的特殊类型。在任意切面中比较重要的为垂直光轴面的即Ng、Np面的斜交切面，如图3-1-37（g）所示。在其椭圆长短半径中总有一个是Nm，另一个则为Ng′、Np′半径。第二类，任意斜交切面的椭圆长短半径分别为Ng′、Np′，如图3-1-37（h）所示。光波垂直于这些斜交切面入射时发生双折射，分解形成两种偏光，其振动方向分别平行其椭圆的长短半径方向，折射率分别等于长短半径、双折率等于长短半径之差，大小变化于零与最大值之间。

4.光性方位

光性方位是指光率体主轴在晶体中与结晶轴之间的空间方位关系。它在不同晶系中有所不同。

（1）在中级晶族，四方、三方、六方晶系为一轴晶光率体。不论晶体光性的正负，其光轴与晶体的高次对称轴（Z轴）一致。如图3-1-38（a）和图3-1-38（b）所示。

图3-1-38　中级晶族宝石矿物的光性方位

（2）在低级晶族，斜方、单斜、三斜晶系为二轴晶光率体，具有3个互相垂直的对称轴、3个对称面、1个对称中心。如斜方晶系，其光性方位是光率体的3个主轴与晶体的3个结晶轴重合，至于哪个结晶轴与哪个主轴相重合随各个不同宝石矿物而异。如黄玉：X轴＝Np、Y轴＝Nm、Z轴＝Ng，如图3-1-39（a）所示。

单斜晶系晶体，对称要素为L2PC，Y轴为二次轴可与光率体的3个主轴之一重合，与其余2个主轴斜交，至于哪个主轴与Y轴一致，其余2个主轴与Z轴或X轴斜交角度多少，因矿物不同而异。如透闪石：Y＝Nm、Z∧Ng＝15°，如图3-1-39（b）所示。

三斜晶系，只有一个对称中心，与光率体的对称中心相当，故晶体的3个结晶轴与光率体的3个主轴斜交，交角因宝石矿物不同而异。如图3-1-39（c）为斜长石（An35）的光性方位示意。

图3-1-39　黄玉、透闪石和斜长石的光性方位

（九）关于光率体色散

由于白色光是由7种单色光组成，不同的色光在同一个介质中的传播速度不同，其折射率的大小不等，光率体大小形状和晶体中的位置均可发生变化，这些变化称光率体色散。各不同晶系晶体的光率体色散不同。在均质体中各单色光光率体均是圆球体，仅其半径大小不同而形状位置不变。各种宝石矿物的折射率色散强弱不同，通常以紫光与红光的折射率差值表示。如金刚石色散强，Nv＝2.451，Ny＝2.407，差值为0.044；萤石色散弱，Nv＝1.437，Ny＝1.431，差值为0.006；等等。

在一轴晶中各种单色光的主轴折射率No、Ne随光波波长而变，其改变的又不完全一致，所以光率体的大小和形状可发生变化。

在二轴晶中各色光波的主轴折射率大小发生改变，其Ng、Nm、Np大小的变化不一，因而各色光波光率体的大小、形状可发生改变，光率体在晶体中的位置是否改变，在各晶系中又有所不同，所以二轴晶光率体色散比较复杂。

在宝石矿物中大多数色散比较弱，光率体色散并不明显，除少数宝石矿物（如方解石）的色散较强（能引起某些光学性质发生变化）外，一般在镜下观察中对它可忽略不计。

（十）宝石矿物晶体光学性质的综合观察及偏光显微镜的应用

偏光显微镜是带有偏光装置，而且从理论上讲，能将物体放大到几千倍的仪器，它与一般显微镜所不同的主要是有两个偏光镜，（一个上偏光镜，一个下偏光镜），两者的振动方向可使其互相垂直（一般下偏光镜左右，上偏光镜前后，振动方向二者正交），其上有不同倍数的目镜（一般有6×、8×等），接近载物台有不同倍数的物镜（3.2×为低倍、10×为中倍、45×为高倍），物镜倍数与目镜倍数的乘积即为放大倍数。目镜与上偏光之间有勃氏镜，为更清晰地观察细小矿物的干涉图而设，它可以上下左右移动。载物台上有刻度，载物台下有下偏光镜，其下还有聚光镜及反光镜，另外还附有石膏板等各有关补色附件（详见后）。

不过用偏光显微镜不是直接观察样品，而是首先要将所测样品切磨成薄片，再进行观察。偏光显微镜一直是一个很权威的检测晶体光学性质的常规仪器。

不同国家不同厂家出产的偏光显微镜虽外观上有所不同，但是原理、功能上大同小异。现以莱兹产MK型偏光显微镜为例，简单说明其装置，如图3-1-40（a）所示，偏光显微镜的构造系统（按一般偏光显微镜观察锥光时的设置）如图3-1-40（b）所示。

它的优点是利用一台偏光显微镜几乎能测定该样品所有的光学性质、数据；缺点是需要切磨薄片，不能对宝石矿物直接进行观察（有的碎小的透明的宝石矿物也可直接观察到）。切薄片往往有局限性，不一定能代表整体宝玉石，需要多切几片，而且在一些显著变化的部位都要切。因此需再以统计学的方法纵览全局，有时还要切定向薄片，以弥补其不足。

图3-1-40　MK型偏光显微镜

1.目镜；2.针孔光阑控制杆；3.勃氏镜控制器；4.镜臂；5.粗动调焦螺旋；6.微动调焦螺旋；7.照明灯；8.镜座；9.上偏光镜；
10.试板孔；11.物镜夹；12.物镜中心校正螺丝；13.物镜；14.薄片夹；15.载物台；16.载物台固定螺丝；17.聚光镜；
18.聚光镜中心校正螺丝；19.锁光圈（光阑）；20.下偏光镜；21.下偏光镜固定螺丝；22.聚光镜控制器；23.滤色片

1.薄片的磨制

要先将试样（宝玉石料）用小型切割机切成小块薄片，用加拿大树胶粘到载玻璃片上，再把其面磨平磨薄到0.01～0.03mm，再用加拿大树胶粘盖，盖好盖玻璃片即完成制片，如图3-1-41所示。图3-1-42为琥珀薄片在偏光显微镜下的图像。

图3-1-41　岩石薄片制作示意图（厚度放大）

图3-1-42　偏光显微镜下照片：（举例）琥珀嵌布于石英、长石晶粒之间
（黑色者为琥珀，白色者为石英，灰色棱角状者为长石；正交偏光，视域直径1.8mm，40×）

2.偏光显微镜及偏光显微镜的使用方法

开始先要选好目镜与物镜镜头，再将制备薄片紧夹于载物台上，转动升降螺旋对准焦距，转动反光镜调节照明到视域最亮，然后校正显微镜的载物台旋转轴、物镜中轴和镜筒中轴使其在一条直线上。只有这一系统在一条直线上旋转载物台，视域中心十字交点的物像才不会动，其周围物像随绕中心作圆周旋转运动。可随时移动薄片找到要观察的物像，将要观察的宝石矿物移到视域中心处，再校正好上下偏光镜，使其振动方向东西南北正交，并且分别与目镜十字丝平行，即可进行观察。

3.单偏光镜下晶体的光学性质的观察

单偏光就是只用一个偏光（通常是用下偏光），推开其他部件，上部用低倍目镜和中低倍物镜，下部将反光镜对好光源，使视域达到最明亮。

单偏光镜下能够观察、测定的主要项目有以下几个。

（1）形态。一个颗粒由不同方向切，可切出不同形状，所以在镜下就要多观察甚至结合标本样品而定。一般常见的形态除有各种柱状、片状、粒状之外，还可有针状、板状、纤维状、网状、放射状、球粒状、不规则块状等。

（2）解理。观察解理的完整程度、组数，更要多观察一些切面，综合判断。要测解理的夹角，测定方法为：先选择合适切面，使一组解理平行目镜十字丝，载物台上读数（设为a），再旋转载物台使另一组解理平行竖丝，再读载物台上现在的读数（设为b），两次读数之差（即a与b之差）即为所测解理之夹角。

（3）颜色。均质体宝石矿物各方向的颜色及颜色深浅相同。当然厚度大者颜色深。

（4）多色性及吸收性。非均质体宝石矿物因光的振动方向不同表现在偏光镜下各方向的颜色及颜色深浅不同。颜色不同为“多色性”，深浅不同为“吸收性”。一轴晶有2个主要颜色，分别与Ne、No相当；二轴晶矿物有3个主要颜色，分别与光率体三主轴Ng、Nm、Np相当。一般一轴晶平行光轴或二轴晶平行光轴面切片的颜色最明显，现以电气石为例说明之，如图3-1-43所示。电气石平行Z轴的多色性，垂直光轴切片不具多色性，其他方向切片多色性明显程度介于两者之间。另外薄片越厚多色性越明显。

观察多色性仍需要多观察几个视域相对比较、统计确定。

图3-1-43　电气石平行Z轴切片的多色性与吸收性

光的振动方向平行Ne，平行Ne方向振动的偏光进入电气石后沿Ne方向振动，对光波选择吸收后，综合形成透出电气石的色光，电气石呈现浅紫色，如图3-1-43（a）所示。

下偏光的振动方向平行No方向振动的偏光进入电气石后沿No方向振动，对光波选择吸收后，混合形成透出电气石的色光，电气石呈现深蓝色，如图3-1-43（b）所示。

下偏光的振动方向斜交Ne，No方向振动的平行PP振动方向的偏光，分解形成两种偏光：一种振动方向平行Ne，另一种振动方向平行No。因而电气石的颜色也显示浅紫与深蓝两种颜色的过渡（呈浅蓝色），如图3-1-43（c）所示。

即Ne＝浅紫色，No＝深蓝色（为多色性公式）。

No的颜色比Ne的颜色深，表示光波沿No方向振动总吸收强度大。

即No＞Ne（为吸收性公式）。

（5）宝石矿物边缘与贝克线。折射率不同的宝石矿物，在接触处可以看到比较黑暗的边为矿物边缘，在这一边缘附近还可看到一条比较明亮的线，升降镜筒时这条线会移动，这条线就是贝克线。矿物边缘与贝克线都是因宝石矿物的反射、折射作用而产生。如果折射率大的宝石矿物盖在折射率小的上面，或折射率小的盖在折射率大的上面，在其接触处，光线要向折射率高的一方折射，两者的差值越大则接触的边界越粗、越黑暗。在接触界线的另一边形成贝克线，提升镜筒时，贝克线向折射率高的矿物移动；下降镜筒贝克线向折射率低的矿物移动。观察贝克线，可判断两相邻宝石矿物折射率的大小。缩小锁光圈使视域变暗，贝克线更清晰。

（6）宝石矿物糙面与突起。在单偏光镜下有的宝石矿物表面光滑，有的表面呈麻点状，为糙面。因矿物折射率与盖在上面的加拿大树胶折射率不同，经反射、折射所引起（也有的与表面磨光程度有关），二者差值愈大糙面愈清晰，其形成原因如图3-1-44所示。

图3-1-44　糙面形成原因

由于这一原因，看起来不同矿物有不同高度，有的高、有的低，此谓突起。同样矿物与加拿大树胶的折射率差值愈大，则突起愈高，矿物的折射率大于加拿大树胶的折射率为正突起；反之为负突起。浅蓝色细线在矿物一边，黄色细线在加拿大树胶一边为正突起；反之为负突起。提升镜筒贝克线向矿物一方移动为正突起；向加拿大树胶一方移动为负突起，如图3-1-45及表3-1-8所示。

图3-1-45　突起等级示意图

表3-1-8　突起等级及边缘特征简表

还有双折率很大的矿片，在转动载物台时，突起高低可发生变化，称为闪突起，这一现象较为少见，但常见矿物方解石就有这种情况。

在单偏光镜的观察中，有很多如颜色、形态等不用偏光镜肉眼也可以观察到。当然在偏光镜下、载物台上则更稳定，放大后可以看得更清楚。看宝石戒面、饰品或一些宝玉石材料，可以更清楚地看到包体，包体的颜色、轮廓、性质等尤为清晰。

4.正交偏光镜下晶体光学性质的观察

除用下偏光镜外，再推入上偏光镜，并使上、下偏光镜的振动方向互相垂直，即构成正交偏光。由于上、下偏光镜振动方向互相垂直，所以如果上、下偏光镜间不放矿片，则视域全黑；若在上、下偏光镜间的载物台上放置矿片，则由于矿片上矿物的性质和切片的方向不同，而出现消光或光的干涉现象。

（1）关于消光、干涉色及补色器。

A.消光。如前所述，在正交偏光间呈现黑暗是为消光，矿片为均质体或非均质体垂直光轴的因其光率体切面是圆切面，不发生双折射，矿片呈现消光，旋转载物台360°，消光现象不变，为全消光。而如果是非均质体其他方向的矿片，旋转载物台一周时，矿片上的光率体椭圆半径与上、下偏光镜的PP、AA振动方向有4次平行机会，故出现4次消光，消光现象可参看图3-1-29（b）。但上、下偏光镜的振动方向已知，故可推断出矿片上光率体的椭圆半径的位置，矿片上不发生消光的位置，即与上、下偏光镜振动方向斜交时矿片光亮，而且发生光的干涉作用。

B.干涉色。非均质体的光率体椭圆半径K1、K2与上、下偏光镜振动方向PP、AA斜交时，下偏光镜平行PP的偏光进入矿片后发生双折射，分解成平行K1、K2的两种偏光，如图3-1-46所示。K1、K2的折射率不相等，nK1＞nK2，在矿片中的传播速度不相等，K1为慢光，K2为快光，二者则产生光程差R，但K1、K2透过矿片在空气中传播时，传播速度又相同，故以相同光程差到达上偏光镜，两者又与上偏光镜的振动方向AA斜交，K1、K2进入上偏光镜时又分解成K1′、K2′和K1″、K2″，成为4种偏光，但其中的K1″和K2″的振动方向垂直上偏光镜的振动方向AA，因而不能透过上偏光镜，只有K1′、K2′可以通过，成为频率相同、光程差固定、在同一AA平面上振动的两束光。所以两者会发生干涉，干涉的结果则完全决定于两偏光之间的光程差。而光程差又为矿物的性质、切片的厚度和切片的方向所决定。这又都与宝石矿物的双折率有关。但不同矿物的最大双折率可以不同，同一矿物切片方向不同，双折率也不相同。如前所述，平行光轴面或光轴的切面双折射率最大，垂直光轴或光轴面的切面双折射率最小。其他方向切面的双折射率介于其最大和最小之间。

图3-1-46　矿片上光率体椭圆半径与上、下偏光镜振动方向斜交时，光波透过晶体切面情况

图3-1-47　用单色光波照射石英，在正交偏光镜间出现的明暗条带

在正交偏光间，将石英楔插入试板孔（是偏光显微的附件，该石英楔成楔形一头薄逐渐变厚，光程差逐步增大），如图3-1-47视域中即出现干涉色，这种干涉色是白光干涉的结果，是所有未被抵消的色光的混合。这种干涉色与以上所提到的单偏光镜下矿片的颜色不同，不可混淆。随着石英楔的慢慢插入，干涉色将由低到高出现变化，这种变化即构成干涉色的级序，可分为一级、二级、三级、四级等。又依干涉色级序、光程差、双折射率及薄片的厚度之间的关系制成色谱表如图3-1-48。今将其干涉色色谱表及各级序的颜色特点，标示于图3-1-49（有色图）之中。该表是根据光程差、薄片厚度、双折率三者的关系构成，若已知其中的两个数据，查表就自然可以得出第三者。

图3-1-48　正交偏光间不同波长光波透出石英楔干涉所构成的明暗条带

值得注意的是有少数宝石矿物的双折率色散很强，呈现出色谱表上没有的干涉色，可称“异常干涉色”；也有的二轴晶矿物因光率体色散而影响干涉色，表现为在消光位却有暗红、暗蓝出现，如钛辉石即是。还有干涉色级序特高的矿物，异常干涉色较难以辨认，颜色较深的宝石矿物如角闪石、辉石等的干涉色可受干扰和掩盖而难以观察其级序等。

C.补色器。补色器是偏光显微镜的重要附件，用于在正交偏光间测定晶体光学性质。偏光显微镜里所附的补色器，是已知光率体椭圆半径名称及光程差的。当补色器推入镜内，如其光率体椭圆半径为同名半径相平行，总光程差等于两光程差之和，矿片之干涉色级序升高；异名半径相平行时，总光程差等于两光程差之差，干涉色级序降低（比原干涉色高的矿片低，比原来干涉色低的不一定低。如果R1＝R2，总光程差R＝0，则矿片理论上变黑）。

根据补色器（已知）来测定矿片光率体的椭圆半径名称及光程差，如图3-1-50所示。

图3-1-49　双折射率——干涉色色谱表

图3-1-50　补色法则示意图：插入试板

在偏光显微镜里所附的补色器有石膏试板、云母试板、石英楔及贝瑞克消色器等，如图3-1-51所示。这些补色器是已知光率体椭圆半径的名称及光程差的矿片，而且都已经注明在试板上。

图3-1-51　偏光显微镜里的补色器

（2）正交偏光下主要光学性质的观察与测定。正交偏光镜下矿片光学性质的观察与测定，包括光率体椭圆半径的方向和名称，干涉色级序，双折射率，消光类型与消光角，晶体的延性符号，双晶及包裹体的观察、测定等。

A.测定矿片上光率体椭圆半径的方向和名称。这主要是指对非均质体矿片的观察，具体测定方法为：先选中倍物镜及低倍目镜，对好反光镜使视域明亮，将上、下偏光镜振动方向垂直，置矿片于视域中心，转动载物台，使矿片消光，此时矿片光率体椭圆半径方向与上、下偏光镜振动方向平行，如图3-1-52（a）所示；转动载物台45°［图3-1-52（b）］，矿片干涉色最亮，然后入推试板，看干涉色。如图干涉色级序级低［图3-1-52（c）］，说明异名半径相平行（试板上有半径名称），故可定出矿片半径名称；如果干涉色级序升高，说明试板与矿片同名半径相平行［图3-1-52（d）］。

B.观察和测定晶体的干涉色级序。选择干涉色最高的颗粒进行观察，一般是观察颗粒最外圈，如果边缘是一级灰白，向颗粒中心级序逐步升高，可见有几条红色细小条带，如有一条红带则干涉色为二级；如果有n条红带则干涉色为n＋1级；如果边缘不是一级灰白则采用加石英楔的方法，可先将矿片置于视域中心，转动载物台使其消光后，再转动载物台45°，矿片上干涉色最亮时插入石英楔，如矿片上随石英楔插入而干涉色升高，说明石英楔与矿片上光率体圆切面与同名半径平行；再转动载物台90°，则为异名半径平行，干涉色必然降低，继续插入石英楔直至矿片灰暗，再慢慢抽出石英楔，观察在抽出过程中矿片干涉色共出现几次红色，如出现n次红色，即干涉色为n＋1级。

图3-1-52　非均质体矿片上光率体椭圆半径方向和名称的测定

C.测定晶体的双折率。测定宝石矿物晶体的双折率，要在平行光轴（一轴晶）或平行光轴面（二轴晶）的切面上进行，这两种切片的干涉色都是最高，按光程差公式R＝d（N1-N2），首先要测出薄片厚度及光程差即可定出双折率。利用石英楔或贝瑞克消色器，先定出干涉色级序，在干涉色色谱上即可求出相应的光程差，薄片厚度一般为0.03mm，或精确地利用石英、长石在锥光下，根据干涉色或贝瑞克消色器测其光程差及最大双折率可求出其厚度。因同一矿物切片方向不同，双折率的大小不同，所以要测出最大双折率才有意义。

D.消光类型与消光角的测定。分3种消光类型：平行消光，如图3-1-53（a）矿片消光时解理缝、双晶缝等与目镜十字丝平行；对称消光，如图3-1-53（c）矿片消光时目镜十字丝为解理缝的等平分线；斜消光，如图3-1-53（b）矿片消光时解理缝等与目镜十字丝斜交，在矿片消光时解理缝或双晶缝与光率体椭圆半径之间的夹角为消光角。

图3-1-53　消光类型图示

一般一轴晶及斜方晶系的宝石矿物是不必测消光角的。只有单斜、三斜晶系的宝石矿物，测其消光角方有鉴定意义。

消光角测定的方法：首先要选择单斜晶系干涉色最高的，平行（010）切面或三斜晶系某些特殊方向的切面置于视域中心［图3-1-54（a）］；使解理缝或双晶缝与目镜十字丝竖丝平行，记载物台读数（设为n1）；转动载物台［图3-1-54（b）］，使矿片到消光位，即矿片上光率体椭圆半径与目镜十字丝一致，记录载物台读数（设为n2），两次读数之差（n2-n1）即为该矿物之消光角；再转动载物台45°［图3-1-54（c）］，即目镜十字丝与光率体椭圆半径成45°角，插入试版，看干涉色级序升高或降低变化，即可测出光率体椭圆半径之名称［图3-1-54（c）和图3-1-54（d）］。如果用的是平行光轴面的切片，则长半径为Ng，短半径为Np；如果不是采用的光轴面的切片，则长半径为Ng′，短半径为Np′（有的根据解理，双晶缝的性质，还可判断所代表的结晶方向）。

图3-1-54　消光角的测定步骤

消光角的表示方法：如普通辉石∥（010）面上的消光角，可表示为Ng∧Z＝50°，因切面平行主轴面；而斜长石垂直（010）切面上的消光角，因切片不平行主轴面，就只能表示为Ng′∧（010）＝20°。

E.测定晶体的延性符号。主要是针对一些长柱状的矿物，如果其延长方向与光率体椭圆的切面长半径（Ng或Ng′）一致（或其夹角＜45°）者称正延性；如与短半径（或Np、Np′）一致或其夹角＜45°者称负延性。但如果消光角为45°，或延长方向与Nm一致，则正负不分。如图3-1-55所示。

图3-1-55　延性符号的测定步骤

F.在正交偏光镜间观察双晶。在正交偏光镜间，宝石矿物的双晶表现为两相邻单体呈一明一暗的现象，原因是两个单体一个围绕另一个旋转了180°，如图3-1-56所示。

图3-1-56　在正交偏光镜间观察双晶

宝石矿物双晶在正交偏光镜下的一些表现，一般与肉眼所见者同，而只是对一些小颗粒上的双晶观察可更为清晰而已。

G.在正交偏光镜间观察矿物包裹体。在正交偏光镜间观察包裹体，只不过是放大倍数更大、更清晰，可看出其轮廓；可利用偏光显微镜附件测微尺，测量包体的大小和小颗粒上的液态包体，更易于观察液态包体的流动现象；对固态包体可以进一步定出其矿物名称及其物理光学性质，对进一步研究包体的成因类型有重要意义。

5.锥光镜下的干涉图图示及晶体光学性质

锥光是把偏光显微镜上的聚光镜、高倍物镜（40×，45×）、勃氏镜（或去掉目镜）都利用上，使透过下偏光镜的平行偏光变为锥形偏光束。这种锥形偏光束，除中央一条光垂直入射光片外，其余的都是倾斜入射光片，愈外倾斜角愈大，所经过的距离愈长，其中的偏光振动面是和下偏光镜的振动平行，如图3-1-57所示。在锥光镜下观察到的是偏光锥中各个方向入射光，通过矿片后到上偏光镜所发生的消光与干涉的总结果，这样构成的图像称之为干涉图。

图3-1-57　通过聚光镜形成锥形偏光束

利用偏光显微镜的锥光镜形成的干涉图，主要可研究观察晶体的轴性、光性符号、光轴角的大小及对晶体准确的定向等。

由于均质体晶体各方向性质一致，对任何方向的光都不发生双折射，这自然在锥光下也不形成干涉图。对非均质体晶体就随轴性和切片方向而异。各不同晶族、不同轴性及不同切片方向锥光下的干涉图如图3-1-58所示（为清晰起见主要以黑白线条图示之）。

（1）锥光镜下出现的干涉图。这一黑十字干涉图形是锥光下一轴晶垂直光轴切片的干涉图，同心圆状色圈愈外倾色圈级序愈高、色圈愈密。宝石矿物的双折率越高，矿片厚度越大，干涉色圈越多；宝石矿物的双折率越低，厚度越小，则色圈越少，折射率较小的干涉色，色圈则仅见一级灰色光环，如图3-1-58（c）所示。

图3-1-58　锥光镜下一轴晶垂直光轴切片的干涉图

这种一轴晶垂直光轴切片干涉图中Ne′与No的方位如图3-1-59所示。

出现这种黑十字干涉图时，可将石英楔慢慢插入试板孔，如果插入试板后1、3象限干涉色级序升高，说明同名半径平行Ne＞No；干涉色圈向内移动，同时2、4象限内干涉色圈向外移动，说明异名半径平行，则同样证明Ne′＞No，即为正光性［图3-1-60（a）］；如果情况相反，1、3象限内色圈向外移动，2、4象限内干涉色圈向内移动则为负光性［图3-1-60（b）］。

测定光性符号一般在干涉图的色圈多时插入云母试板或石英楔，色圈少或只呈一级灰时则多用石膏试板。根据插入试板后的干涉图变化而定出光性符号。如图3-1-61（a）和图3-1-61（b）为插入云母试板后的变化，图3-1-62为插入石膏试板后的变化。

如果干涉图色圈又多又密，加入云母试板后情况不好分辨，可再换用石英楔或贝瑞克补色器。用贝瑞克补色器可看出随转动补色器色圈逐渐向内（或向外）连续变化的情况。

图3-1-59　一轴晶垂直光轴切片干涉图中Ne′与No的方位

图3-1-60　测定一轴晶光性符号

图3-1-61　干涉色圈多的干涉图插入云母试板后的变化

图3-1-62　原一级灰干涉图插入石膏试板后的变化

图3-1-63～图3-1-68为一轴晶斜交光轴切片的干涉图，黑十字交点不在视域中心，干涉色色圈也不完整。黑十字交点虽不在视域中心，但仍在视域之内，说明光轴与薄片法线交角不大，旋转载物台，黑十字中心仍在视域内随之旋转，黑臂也上下左右移动，如图3-1-63和图3-1-64所示；黑十字交点在视域内只能见到一条黑臂及不完整的干涉色色圈，旋转载物台，黑臂仍作平行移动，如图3-1-65，这可说明光轴与薄片法线交角较大。可以确定黑臂十字交点在视域外的位置，即顺时针旋转载物台黑臂向下移动［图3-1-65（a）］，说明黑十字中心在视域之外的右侧；黑臂向上移动，说明黑十字中心在视域外的左侧［图3-1-65（b）］；黑臂向左移动，说明黑十字中心在视域外的下方［图3-1-65（c）］；黑臂向右移动，说明黑十字中心在视域外的上方［图3-1-65（d）］。这样确定黑十字的4个象限之后，即可测定光性符号，方法同前，如图3-1-66（a）和图3-1-66（b）所示。

图3-1-63　一轴晶斜交光轴切片旋转物台，光轴与薄片法线交角较小，干涉图中黑十字在视域内移动

如果色圈少，仅见一级灰时，可加石膏试板，干涉图变化如图3-1-67（a）所示；色圈多则加云母试板，干涉图的变化如图3-1-67（b）所示。

图3-1-64　一轴晶斜交光轴切片，旋转物台，干涉图中黑臂移动

图3-1-65　一轴晶斜交光轴切片干涉图，旋转物台，黑十字中心在视域之外移动说明光轴与切片法线交角较大

图3-1-66　测定一轴晶斜交光轴切片干涉图上光性符号

图3-1-67　一轴晶斜交光轴切片干涉图，加入试板后的变化

如果干涉图黑臂较宽大，旋转载物台时可见弯曲的黑臂，在视域内移动如图3-1-68（a）～图3-1-68（f）所示，说明光轴与薄片法线交角很大，这种干涉图无法判断轴性。

图3-1-69（a）中干涉图是一个大而模糊的黑十字，光轴与上、下偏光镜振动方向之一平行所致。旋转载物台黑十字即退出视域，因变化快，而有“闪图”之称。如果转动45°，光轴与上、下偏光镜振动方向成45°角时视域最亮，即光率体椭圆半径与上、下偏光斜交。

图3-1-69（b）为宝石矿物双折率较大，相对的象限内呈双曲线形成的干涉色带，在光轴所在的2个象限内，因Ne越远越短，所以双折率变小，因而可见干涉色由中心向两边逐渐降低，光轴两边的象限，干涉色由中心向外逐渐升高，这是由于越往外光程差越大之故。而当宝石矿物的双折率较低时，干涉色则为一级灰。即当光轴在45°位置，视域最亮时插入试板，如干涉色降低说明为异名半径平行，Ne＝Ng，为正光性（＋），如图3-1-70（a）所示；如插入试板后干涉色升高，说明为同名半径平行，即Ne＝Np，为负光性（—），如图3-1-70（b）所示（实际上如果光轴方向已知，不用锥光而在正交偏光下，同样可测出光性正负符号，方法同前）。

图3-1-68　一轴晶大角度斜交光轴切片的干涉图

图3-1-69　平行光轴切片干涉图

图3-1-70　测定一轴晶平行光轴切片干涉图光性符号

锥光下二轴晶干涉图比一轴晶复杂，分五种类型的干涉图。先讲垂直锐角平分线（⊥Bxa）切面的干涉图。图3-1-71（a）、图3-1-71（b）和图3-1-71（c）中间为一黑十字，黑十字交点位于视域中心，周边呈8字形色圈。黑十字的两个臂分别平行上、下偏光镜，振动方向为AA、PP，这两个黑臂沿光轴方向较细，在光轴出露点上更细。垂直光轴方向的（即Nm）较宽，两黑臂交点为Bxa出露点，两个光轴出露点OA向外干涉色级序逐渐升高，颜色逐渐变浅，色圈越多，双折率越大，矿片越厚干涉色圈越多；反之则少。

黑十字的4个象限内出现一级灰，则干涉图中两个黑臂宽度近于相等，如图3-1-71（D）所示。转动载物台45°时，黑十字分裂成两个弯曲黑臂，如图3-1-71（B）和图3-1-71（E）所示。其顶点为光轴OA出露点，两个OA的距离最远，其大小与光轴角（2V）的大小成正比。弯曲黑臂顶点凸向Bxa出露点［图3-1-71（B）和图3-1-71（E）］，两弯曲黑臂顶点代表两个光轴出露点，垂直光轴面方向代表Nm方向如图3-1-71（B）和图3-1-71（E）所示，再转动载物台45°，此两黑臂又合成黑十字，但黑十字原来粗的变为细的，原来细的变为粗的［图3-1-71（C）和图3-1-71（F）］。再转动载物台至135°，又同45°，黑十字又分裂成两个黑臂，转至180°就恢复原来图3-1-71（A）和图3-1-71（D）的特征。这种锥光下的二轴晶干涉图，由图形即可判断轴性及切片方向，但要2V较小（2V＜80°时，也可以测定光性符号）。

要在光轴面与显微镜上振动方向AA、PP呈45°夹角时测定，原因为干涉图有对称的两个弯曲黑臂［图3-1-71（B）和图3-1-71（E）］，Bxa在视域中心出露，弯曲黑臂顶点为光轴出露点，连线为光轴面与图面相交的迹线，通过Bxa出露点垂直光轴面的方向为Nm方向，在光轴面的迹线上两个弯曲黑臂顶点（光轴出露点）内外的光率体椭圆半径方位，因光性正负不同而异，如图3-1-72（a）和图3-1-72（b）所示。

图3-1-71　二轴晶垂直锐角等分线（Bxa）切片的干涉图
（a、b、c为镜下彩图，A、B、C分别为与之相当的线条图及D、E、F）

二轴晶负光性垂直Bxa切片，偏光中央有一条光波沿Bxa入射，即沿Np方向入射，如图3-1-72（a）下为垂直此光波的光率体椭圆切面为NgNm主轴面，其长短半径分别为Ng、Nm；图3-1-72（a）上为偏光中其他方向的光波皆斜交Bxa方向入射，在光轴面迹线的Bxa与光轴之间，垂直入射光波的光率体椭圆切面长短半径分别为Ng′和Nm；图3-1-72（a）上平面图中，光轴面迹线上Bxa出露点与光轴出露点之间的椭圆切面。垂直沿光轴光率体切面为圆切面，其半径等于Nm，图3-1-72（a）上及图3-1-73，即弯曲黑臂顶点的圆切面，在光轴与Bxo之间垂直入射光的光率体，椭圆切面长短半径分别为Nm和Np′，如图3-1-72（a）上的弯曲黑臂凹方内的椭圆切面。

二轴晶正光性如图3-1-72（b）所示，垂直沿Bxa入射光，光率体椭圆切面长短半径分别为Nm和Np。在Bxa与光轴之间垂直入射光波的光率体椭圆切面，长短半径分别为Nm、Np′，在光轴与Bxo之间的椭圆切面，长短半径分别为Ng′和Nm。

如此说来不论是正光性还是负光性，在干涉图上弯曲黑臂顶点内外，光率体椭圆切面的长短半径名称相反。两黑臂顶点之间与光轴面迹线一致的是Bxo投影方向，如图3-1-73所示。

图3-1-72　镜下二轴晶，垂直Bxa切片干涉图及剖面图

在黑臂顶点弯曲带之外，与光轴面迹线一致的是Bxa投影方向；垂直光轴面迹线的方向，黑臂内外都是Nm。知道了干涉图上的Bxa、Bxo、Nm之后，可插入试板，根据黑臂内外干涉色的升降变化，即可确定光性正负。即Bxa＝Ng时为正（＋）；Bxa＝Np时为负（-），也就是测定Bxa是Ng还是Np即可。

干涉图中弯曲带外都是一级灰干涉色，可加石膏试板；弯曲黑臂变为一级红，两弯曲黑臂顶点之间干涉色变为二级蓝，级序升高，是同名轴平行，为Bxo＝Np；黑臂凹方由灰变黄，为色级降低，表示异名轴平行，为Bxa＝Ng，是为正光性（＋），如图3-1-74（a）所示。如果干涉色升降与之相反，即Bxa＝Np、Bxo＝Ng，则为负光性，如图3-1-74（b）所示。

图3-1-73　二轴晶垂直Bxa切片干涉图中，Bxa与Bxo的投影方位

图3-1-74　二轴晶垂直Bxa切片干涉图，弯曲黑臂范围以外仅见一级灰干涉色时，加入石膏试板后，干涉图变化情况

二轴晶干涉图的色圏多者，则可加云母试板。弯曲黑臂变为一级灰白，两弯曲顶点之间干涉色色圏向内移动（表示干涉色升高，即与试板同名半径相遇），即Bxo＝Np；弯曲黑臂凹方出现2个小黑点，同时干涉色圏向外移动，说明干涉色级序降低与试板异名轴相遇，即Bxa＝Ng，为正光性；如干涉色升降变化与上述情况相反，证明Bxa＝Np、Bxo＝Ng，即为负光性，如图3-1-75（a）和图3-1-75（b）所示。

2V如果较大（＞80°），则易与垂直Bxo切片相混，故不宜用它测定光性符号。

宝石矿物的干涉图光轴出露点在视域中心，当光轴面与上、下偏光镜振动方向之一平行时，只见视域内有一个直的黑臂和双折率较大时出现的干涉色圈，如图3-1-76（a）所示。转动载物台黑臂开始弯曲，转到45°，黑臂弯曲度最大，如图3-1-76（b）所示，黑臂弯曲顶点为光轴出露点位于十字丝交点，黑臂凸向Bxa出露点。再转动载物台至90°，则黑臂弯曲方向改变，变直，如图3-1-76（c）所示。继续转动载物台至135°，黑臂又改变方向变为弯曲，如图3-1-76（d）所示，弯曲黑臂顶点位于视域中心在目镜十字丝的交点者方为垂直光轴的切片，不在中心则不是垂直光轴的切片。

图3-1-75　二轴晶垂直Bxa切片干涉图，色圈多，加入云母试板后干涉图变化情况

图3-1-76　二轴晶垂直一个光轴切片的干涉图

这种干涉图除可以确定轴性与切片方向之外，也可以测定光性符号，即当光轴面与上、下偏光镜振动方向成45°时，黑臂凸向Bxa出露点，找到Bxa出露点和另一黑臂在视域外的方位后，即可照垂直Bxa切片测定光性符号的方法，插入试板测定如图3-1-77（a）和图3-1-77（b）及图3-1-78（a）和图3-1-78（b）所示。

图3-1-79为二轴晶斜交光轴切片的干涉图。好像是垂直Bxa切片干涉图的一部分，黑臂、色圈都不完整。图3-1-79至图3-1-81乃二轴晶斜交光轴切片的干涉图，在镜下较为常见，它不与光轴垂直，也不与Bxa垂直，但又很接近于垂直，而是近于垂直它们的切片。

图3-1-77　二轴晶垂直光轴切片干涉图，黑带范围外仅见一级灰干涉色时，加入石膏试板后干涉图的变化

图3-1-78　二轴晶垂直光轴切片干涉图，色圈多时，加入云母试板后干涉图的变化

图3-1-79　二轴晶斜交光轴切片的干涉图

［（a）、（b）、（c）、（d）为二轴晶近于垂直Bxa切片的干涉图；（e）、（f）、（g）、（h）为近于垂直光轴切片的干涉图］

在图3-1-80（a）、图3-1-80（c）、图3-1-80（e）、图3-1-80（g）中黑臂通过视域中心是直的，是垂直光轴面斜交光轴的（因光轴面与上、下偏光镜振动方向之一平行），如果转动载物台45°，黑臂弯曲，出现图3-1-80（b）、图3-1-80（d）、图3-1-80（f）、图3-1-80（h）中的情形，黑臂弯曲顶点也不在视域中心，为光轴面与上、下偏光镜振动方向呈45°角所致。黑臂弯曲顶点如果还位于视域之内［图3-1-80（b）和图3-1-80（d）］，说明光轴倾角不大；如果黑臂顶点已不在视域之内［图3-1-80（f）和图3-1-80（h）］，则为光轴倾角较大所致。又如图3-1-81所示，黑臂不在视域中心，而是偏到视域一边则说明是光轴面与光轴都斜交的切片，说明光轴面与上、下偏光镜振动方向之一平行。黑臂是直的，如图3-1-81（a）、图3-1-81（c）、图3-1-81（e）、图3-1-81（g）所示，转动载物台45°黑臂开始弯曲，黑臂顶点也不在视域中心，为光轴面与上、下偏光镜振动方向又呈45°角，若出现图3-1-81（b）和图3-1-81（d），弯曲的黑臂顶点在视域中心，说明光轴倾角不大；如出现图3-1-81（f）和图3-1-81（h），弯曲黑臂又偏到一边，顶点也不在视域之内，则为光轴倾角较大所致。

图3-1-80　二轴晶垂直光轴面、斜交光轴切片的干涉图
［（a）、（b）、（c）、（d）为光轴斜交角度较小的干涉图，光轴出露点在视域内；
（e）、（f）、（g）、（h）为斜交角度较大的干涉图。图中虚线箭头指向Bxa出露点］

图3-1-81　二轴晶斜交光轴面及光轴切片的干涉图

［虚线箭头指向Bxa出露点，（a）、（b）、（c）、（d）斜交角度较小，（e）、（f）、（g）、（h）斜交角度较大］

这种斜交光轴切片的干涉图，除可用于确定轴性及切片方向之外，也可以测定光性符号。即把它看做是垂直Bxa切片干涉图的一部分，转动载物台看黑臂弯曲顶点凸出的方向，按黑臂顶点凸向Bxa的出露点，找Bxa出露点在视域外的方位，再按照垂直Bxa切片干涉图测定光性符号的方法，插入试板进行测定。

垂直钝角等分线（⊥Bxo）切面的干涉图。这一干涉图的特点是一粗大的、较模糊的黑十字，黑十字的4个象限都可出现一级灰，如图3-1-82（a）所示，是光轴面与上偏光镜振动方向之一平行所致。如果出现色圈说明双折率高，这实际上只看见了干涉图中央的一部分，是想象的扩大了的视域。转动载物台45°，黑十字即分裂变为两个双曲线形黑臂，如图3-1-82（b）所示。这时因为很多光率体椭圆半径与PP、AA斜交，黑臂分裂，两个黑臂顶点距离最远，而后退出视域之外，如图3-1-82（c）所示。

图3-1-82　二轴晶垂直钝角等分线（Bxo）切片的干涉图

这时要看2V（光轴交角）的大小，如果交角大，则光轴间锐角与钝角大小相近。⊥Bxo与⊥Bxa两种切片的干涉图相近似不易区别。如果两光轴交角较小则两光轴间钝角大，在⊥Bxo的干涉图上，两光轴出露点距离大，再转动载物台黑十字退出得更快，这就使⊥Bxo的干涉图无法与平行光轴的切片干涉图相区别。只有当黑臂退出视域时，继续转动载物台使两弯曲黑臂靠近，转动载物台90°时，又出现大而模糊的黑十字，这样再转动使其再分离。利用这种垂直钝角等分线的干涉图，仍然可以确定轴性、切片方向和光性符号。即当载物台转动至光轴面与上、下偏光镜振动方向成45°交角时，视域中心为Bxo的出露点。与垂直Bxa切片干涉图相反，在两弯曲黑臂之间与光轴面连线一致的是Bxa投影方向。垂直光轴面连线方向即是Nm，加入试板看其干涉色级序与垂直Bxa切片干涉图干涉级序的升降变化也就正好相反。所以光性符号即可测出。

如图3-1-83（a）中这样粗大的黑十字干涉图，转动载物台黑十字迅速分裂成闪图。转动至45°时视域最亮，为Bxo、Bxa与偏光镜振动方向AA、PP斜交，平行时出现黑十字，如出现干涉色即说明双折率较大，如图3-1-83（b）所示。Bxa方向2个象限中干涉色低；Bxo方向2个象限中干涉色与之相同或稍高。

图3-1-83　在锥光下二轴晶平行光轴面切片的干涉图

这种干涉图只可用作测切片方向，如在视域最亮时，视域中心为Bxo，在2个象限连线为Bxa时，它的干涉色较低，已知Bxo后即插入试板，测出此Bxo是Ng还是Np，即可得出光性符号。

（2）测定光轴角（2V）的方法一般有如下几种。

A.在锥光下垂直Bxa切片的干涉图上，测量当光轴面与PP、AA成45°夹角时，两弯曲黑臂上光轴出露点之间的距离2D，如图3-1-84（a）和图3-1-84（b）所示，还要测一个显微镜透镜系统的一个K值（常常是用已知矿物光测定出来）。再根据浸油折射率，按公式sinV＝D·N／K·Nm）计算，依此亦可根据2D、K、Nm值在专门图解中查出，这一方法误差可到5°～8°。

B.后来加以改进，除测量两光轴出露点之间的距离外，再测出干涉图视域的直径（2R），利用物镜的数值孔径（N·A），不需要再测定K值。最后按简化公式计算。

式中，2D、2R可用目镜分度尺在干涉图中直接测出，如图3-1-85所示。N·A在每个物镜上都已标出，Nm值可测出或在矿物突起上估计，根据此式可计算V值。

图3-1-84　利用垂直Bxa切片干涉图测定2V原理

图3-1-85　用目镜分度尺测定2 D和2R示意图

此法所测2V误差仍在5°左右，但又不适用于2V大的干涉图，因为2V大了弯曲黑臂移至视域之外无法测得2D值，故也很难应用。

图3-1-86　逸出角测定方法示意图

C.逸出角法测定2V。首先是要干涉图中的黑十字平行于目镜十字丝（即零位），记下载物台方位角读数为M0［图3-1-86（a）］，转动载物台黑十字分裂成两个黑臂，其中一个黑臂的中线与视域边缘相切，记下所示载物台方位角读MⅡ（因黑臂在Ⅱ象限逸出，与其边缘相切），MⅡ-M0得逸出角δⅡ，如图3-1-86（b）所示；继续向同方向转动载物台，得第四象限方位角读数MⅣ、逸出角δⅣ，MⅣ-M0得δⅣ；黑十字回到0位，再向反方向转动同样得δⅠ和δⅢ，最后将此4个δ平均得δ1；再向任意方向转动90°，再按上述方法得δ2，然后再平均即δ＝（δ1＋δ2）／2，所得δ值查专门的图表（凯姆δ-V鉴定表，Kamb，1958），即可得出V值。这一方法可用于2V较大的垂直Bxa或Bxo切片的干涉图。用此法测定2V值，误差也在2°～5°，因很难准确判断黑臂中线与视域边缘相切的点位。

D.光轴角（2V）的估计方法。在垂直一个光轴切片的干涉图中，当光轴与上、下偏光镜振动方向成45°相交时，干涉图中光轴角愈大，黑臂愈直。如果2V＝90°，黑臂成直线状；2V＝0°时，黑臂弯曲成90°。所以2V在0°～90°之间时，黑臂弯曲也在90°与直臂之间。用这一原理可目估光轴角，如图3-1-87（a）所示。

图3-1-87　垂直光轴切片干涉图

这一方法非常简单，也很常用，但误差也是很大的。

现在又有人加以改进，绘制了鉴定图表，如图3-1-87（b）所示。

图中标明了物镜数值孔径（N、A），不同N的值所对应的视域界限、视域半径度数是光孔角的一半，以及2V值及相应的弧度方位角。这些皆有助于估计判断2V的大小。

E.在前所讲述的二轴晶光率体中根据其光性的正负，可以概略地以下列简化式求2V：

正光性：tanV＝（Nm-Np）／（Ng-Nm）

负光性：tanV＝（Ng-Nm）／（Nm-Np）

依此，求得两个光轴的夹角（2V）。目前这还是比较可行的。

（3）锥光镜下的色散现象。一轴晶在锥光镜下色散不明显，在此仅介绍二轴晶由于色散所引起的光学现象。

二轴晶由于晶系不同也不一样。

A.斜方晶系的色散。又称光轴色散，可在垂直Bxa切片的干涉图或垂直光轴的切片的干涉图上见到。如果红光光轴角＞紫光光轴角（即r＞v），如图3-1-88所示，则红光光轴的出露点距离Bxa出露点远，紫光较近。由于下偏光镜透出的振动方向平行PP的白光波，因沿红光光轴方向入射矿片时，不发生双折射，所以在红光光轴出露点红光从白光中消失，其余各色主要发生双折射，在矿片中产生一定光程差，以其中紫色光的最大，到达上偏光镜后，在红色光轴出露点上显示浅蓝色。同样道理，平行PP振动的白光光波，沿紫色光轴入射矿片，紫光不发生双折射，紫光从白光中消失，其余光波不同程度的加强，又以红橙色最强，因而在紫色光轴出露点上显褐红色。当光轴面与上、下偏光镜振动方向以45°相交，在黑臂弯曲凸处显示褐红色边、凹处显示蓝色边，如图3-1-88（b）所示。如果光轴面与上、下偏光镜振动方向之一平行，则色散现象不明显，如图3-1-88（a）所示。如果红色光光轴角＜紫光光轴角（r＜v），则与上述现象相反，即在黑臂弯曲凸处呈浅蓝色边，凹处呈红褐色边。斜方晶系的光轴色散，黑臂两侧的色边宽窄相等，而且大都不明显。薄片厚者色散现象比较清楚。

图3-1-88　二轴色散（r＞v）

B.单斜晶系的色散现象。根据光率体与结晶轴的关系可有3种情况的色散。①平行色散。在垂直Bxo切片的干涉图中，为Bxo平行y轴，各色光的光轴面沿Bxo旋转所致，如图3-1-89所示。红光光轴与紫光光轴面平行，在黑臂的两侧色边平行分布。②倾斜色散。倾斜色散为黑臂两边出现宽窄不同的色边，如图3-1-90（a）和图3-1-90（b）所示。为光率体主轴Nm平行y轴，光轴面平行（010）时，不同色光的Bxa及光轴都在光轴面上移动，在⊥Bxa切片干涉图中，光轴面与上、下偏光镜振动方向成45°相交时所致。③交叉色散。交叉色散为在⊥Bxa切片的干涉图中，呈现在黑臂两侧色散边呈交叉分布，如图3-1-91（a）和图3-1-91（b）所示。因Bxa平行y轴光轴面绕Bxa旋转，红、紫两光轴面以Bxa为交线呈交叉分布而形成。

图3-1-89　平行色散（r＞v）

图3-1-90　倾斜色散（r＞v）

图3-1-91　交叉色散（r＞v）

C.三斜晶系的色散。在⊥Bxa或⊥光轴切片干涉图中，黑臂两侧色边分布不对称，主要是由于三斜晶系的3个结晶轴与光率体的3个主轴都是斜交的，所造成的色散现象也较为复杂，形成的是不对称色散。

6.矿物颗粒大小及含量的测定

在检测宝玉石时，尤其是在玉石检测中，常需要对其中的颗粒大小及含量比例作出测算。这对宝玉石的工艺性能及分类常有重要的意义。

（1）对宝玉石薄片中矿物颗粒大小的测定。矿物颗粒大小称为粒度。粒度常用矿物颗粒表面积、直径来表示。一些粒状矿物用粒度的平均直径来表示；一些板状、柱状或不规则状的矿物则需要测出其最大直径和最小直径。常用的测量方法，在偏光显微镜下观察有下列几种。

①直接观测。在偏光显微镜的目镜中，有的有目镜分度尺，这种分度尺是固定在目镜中；有的是单独在螺杆上移动。测量时，首先要选好合适倍数的物镜，利用显微镜的附件目镜分度尺，认清每一小格所代表的实际长度，用物台微尺进行测量。

物台微尺是镶在一小玻璃薄片中，成圆形的小微尺，一般2mm分为200格（每一格为0.01mm）。也有的为1mm分成100格（一格仍为0.01mm）。如图3-1-92所示。

图3-1-92　物台微尺

测量时首先放物台微尺于载物台上，对准焦距，使目镜分度尺与物镜维持平行，使二者0对0，看两个微尺的分割线再次成为重合的部位，如目镜微尺为24小格与物台微尺25小格相当，则目镜分度尺每小格所代表的实际长度为：

即×0.01mm＝0.009 6mm，再移动岩石薄片或移动目镜分度尺，使矿物颗粒对准分度尺，看矿物颗粒所占的格数。例如，为15格则0.009 6×15＝0.144mm即为该矿物颗粒的直径。

②其他还有用图像分析仪自动测量，或用数字显示粒度测定仪等诸多方法。

至于测量的误差，主要是看颗粒的形状及均匀程度，因而需要多测一些颗粒取其平均值。

（2）矿物含量的测定。宝玉石中，尤其是玉石中矿物所占的体积百分比称为含量。但是在偏光显微镜下，薄片上所见到的只能是面积的百分比。测定方法很多，主要有：人工面积测定法，需要利用目镜方格网与机械台，安装在显微镜上进行测试；也有的用六轴计机台；还有的利用电动点计数器；或用图像分析仪。当前仪器皆与电脑相连接，很多都是自动测定。这些方法大部分都要有仪器配合，在利用偏光显微镜的同时，为了方便随机用目测对比法，即用一套图案作标准，进行目估其矿物的百分含量，这是最简单便捷的方法。但要注意矿物的大小不同、形状不同、颜色不同，需注意分开。现将其一部分百分含量图案附于后，以供参考，如图3-1-93所示。

图3-1-93　玉石薄片中矿物百分含量图案

（十一）宝石的多色性及二色镜的应用

1.宝石的多色性

光通过非均质体宝石时，有的方向几乎是全被吸收，有的方向几乎是全不被吸收，而且不同波长的光在不同振动方位上，被吸收的程度也不尽相同。由此引起的颜色的变化为“多色性”。如一轴晶宝石，有O光线和E光线，因而它可显示两种颜色，可称宝石的二色性。随颜色变化，折射率也相应的变化，平行光轴的入射只有一种O光线的颜色；入射光偏离光轴越远，E光线的颜色就变得越清晰，当光线垂直光轴时，即纯粹是E光线的颜色。例如：红宝石是三方晶系一轴晶，O光引起紫红色、深红色，E光引起淡红、红色。吸收公式可写作O＞E或ω＞ε。二轴晶有3个主要的光线振动方向，所以有3种颜色不同的多色性，分别由3个振动方向的光所引起。又例如：坦桑石属斜方晶系二轴晶，有3个主要方位振动的光，分别产生蓝色、紫色和黄绿色。

观察宝石的多色性时，应注意透过宝石的光未被散射，即主要是单晶，不能是集合体。另外宝石必须是透明的有色宝石。晶体内杂质不能太多，杂质多了会影响透明度产生散射。多色性的产生仅可说明该宝石是非均质体，但不能判别轴性，三色性的出现可以说明该宝石是二轴晶。还有的多色性颜色的差别只是色调的不同，因而观察多色性要仔细、慎重。

2.关于二色镜的原理及应用

如前所述利用偏光镜可检查多色性，首先在正交偏光之间转动宝石，使之处于消光位，然后推开上偏光镜，观察宝石的颜色，再转动宝石90°，在转动过程中如果是具有多色性的宝石，就能看到宝石的不同颜色或同种颜色不同色调的变化。

若将一块偏光片切开，使其透光的方向互相垂直组合在一起［图3-1-94］，利用这种偏光片，就可同时观察到2种颜色。将这种组合的偏光片置于光源之上，将宝石置于其中心点上，即可观察2种颜色的出现，再调转测面（转90°），观察另一个测面的2种颜色，几种颜色中除去相同的，如剩下3种不同的颜色，即三色性。也就是每个宝石均应从3个不同的方向观测，如只有2种颜色就是二色性，有3种颜色就是三色性。具二色性的宝石是一轴晶或二轴晶，具三色性的宝石一定是二轴晶。可见二色镜是检测宝石多色性的轻便小型仪器。

图3-1-94　经切割、粘合并用于观察二色性的方形偏光片

二色镜的样式虽然很多，但原理都是一样，目前最常用的是方解石二色镜。该仪器的结构为一个金属管，管内装有一长方形的方解石（冰洲石）解理片，管的一端具有长方形或方形的窗口，另一端装了一个透镜，如图3-1-95所示。冰洲石二色镜、二色镜构造如图3-1-96所示。

图3-1-95　二色镜外形

图3-1-96　二色镜的切面示意图
［一个方解石菱面体解理块（R）被固定在一个木质座（C）上，外套以金属管。将玻璃棱镜（G）粘在方解石两端，以帮助光线透过。该示意图的右侧是窗口中的双影（W），即通过透镜（L）观察到的影像］

因为方解石具强的双折射，通过二色镜能看到方形小孔的双影现象。若将一具有多色性的宝石置于亮光源上进行观察，则出现两个影像有不同的颜色。由于光线通过宝石振动方向是互相垂直的，尽管两个影像是来自宝石的同一部分，当光垂直入射时二色性最强，所以应使光从几个方位透过宝石，而且在每个方位上都应该转动宝石，以寻找最清晰的观察效果。

应该注意的是如果使用偏振片类的二色镜时，首先要区别宝石的颜色与多色性的颜色。

检测多色性必须是有色、透明或半透明的单晶宝石。玉石则没有多色性的问题。

（十二）滤色镜及其应用

英国查尔斯科技学院等联合设计的滤色镜有查尔斯镜之称。由于在20世纪中叶，滤色镜是用来区分祖母绿和合成祖母绿，所以又有祖母绿镜的叫法。后来因为它可以区分绿色翡翠的颜色是天然还是人工染色，因而有些商家常戏称它为“照妖镜”，如图3-1-97所示。

滤色镜是由两片胶质滤光片组合而成。通过滤色镜对光的选择性吸收，它只允许红色光和黄绿色光通过，用这一性能在滤色镜下观察宝石的两种不同颜色，可检测某些绿色及蓝色宝石，区分它是原色还是人工染色。例如翠绿色的祖母绿在滤色镜下，由于是Cr离子致色，宝石的绿色光波被滤色镜吸收，因而呈现红色到粉红色。其他与祖母绿相似的天然绿色宝石在滤色镜下则不呈红色。

图3-1-97　查尔斯滤色镜

后来人们用滤色镜区别翡翠是天然翠绿色还是染色。天然绿色的翡翠在滤色镜下仍为绿色，而人工染色的翡翠则往往呈现红色。最近又由于染色剂的改变，有的人工染色翡翠也可以照样呈现绿色。用重铬酸钾、硫酸铜＋碘化钾染色的翡翠在滤色镜下呈现红色，而用其他一些无机染色剂则大不相同，因而这就大大地降低了滤色镜的使用范围。目前滤色镜只是一种可作为参考的测试技术。现将不同有色宝石在滤色镜下呈现的颜色列于表3-1-9。

表3-1-9　不同宝玉石在查尔斯滤色镜下呈色简表

续表3-1-9

注：因染色剂不同，在查尔斯滤色镜下的呈色可有变化。

滤色镜最好在反射光白色强光源下使用。将滤色镜靠近眼睛，距宝石样品30～40cm的距离进行观察为宜。

（十三）紫外荧光灯及其应用

检测宝玉石用的紫外荧光灯，其外观如图3-1-98所示。图为一台式箱形紫外光灯，箱上有紫外线光口、紫外线灯、滤光片、放宝玉石样品的窗口及观察用的窗口，箱内为黑色暗箱。使用时首先将宝玉石样品洗净置于箱内，并尽量将宝玉石靠近紫外光源，距离是固定的，观察宝玉石的荧光现象，要注意产生的颜色及强度。通过切换开关，先在长波下观察，再在短波下观察。宝玉石样品也要调换方向反复观察，如果都不发光则该宝玉石属于惰性；反之则具有荧光性；如果关掉紫外荧光灯该宝玉石还在继续发光者，为具有磷光性的宝玉石。

图3-1-98　台式紫外灯

应该注意的是：①切勿用眼睛直视荧光灯，否则会伤害眼睛；②切勿用手触动所测的宝玉石，因手上、皮肤上有油性，油会发荧光影响观察；③要注意所发荧光是出自宝玉石内部还是表面，是宝玉石本身发出的还是由有色包裹体或外部混入物造成的。

紫外荧光分析只能作为辅助手段参考数据，不是检测的依据，但一般还是很常用、很必要的方法。

（十四）吸收光谱仪（分光镜）及其应用

光谱类分析是用以检测样品中的元素及其含量的。物质光谱的产生方法很多，目前以使用发射光谱、吸收光谱、荧光光谱等较为普遍。

1.发射光谱

发射光谱是在电弧的高温下，原子中的电子由基态被激发到较高的电子能级上，原子发射出的特征波长的光被分解形成光谱。每种原子（化学元素）都有特征波长的光谱，因而对一般物质有着重要的鉴定意义。这种方法虽仅需要微量的试样，但还是属于破坏性的实验，所以在检测宝玉石上采用得较少。

2.吸收光谱

吸收光谱是研究光从物质透射或反射而形成的光谱。常是连续所有波长的光谱谱图，如图3-1-99是蓝宝石的吸收光谱，是观察其某种波长谱线的黑带或细线的分体排列，这种特征的吸收图谱，在鉴定宝石上有重要的意义。它除对钻石、锆石、红宝石和石榴石等有效之外，还可以区分天然宝石与合成宝石。但是随着宝石材料生产技术的不断提高，合成宝玉石与天然宝石的区分难度也不断增加，所以利用吸收光谱有时也不能完全解决问题。

图3-1-99　蓝宝石特征吸收光谱

3.分光镜

当前研究宝玉石的吸收光谱的简便小型仪器是分光镜。分光镜也叫分光光度计或吸收光谱仪、直视光谱仪等。

分光镜顾名思义是可将光线分离开来成为可见光光谱的仪器。分光镜的结构也很简单，是套在一起的两个套管：内为滑管，装有透镜、一组棱镜及目镜；外套管的一端有可控制进光量大小的调节狭缝和标尺（图3-1-100）。

图3-1-100　分光镜的构造示意图

当自然光进入管内，即被分解为连续的可见光谱——红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色。从宝石透射过来或反射过来的光波中，有的波长的光被宝石吸收了，在分光镜中见到相应的被吸收谱带和（或）吸收线，这样一些宝石含有其各自的致色元素被吸收后就出现了特有的吸收谱带和（或）吸收线，所以通过分镜就可查明其所含元素、致色元素或人工加色元素的种类，从而分光镜就有了重要的检测宝石的用途。

根据其大小和结构，可分为手持式分光镜和台式分光镜；按其结构构造性能可分为棱镜式分光镜和衍射光栅式分光镜。

（1）手持式分光镜。其往往是小的筒型，如图3-1-101（a）所示，可见到筒中的连续光谱。手持式分光镜多数通常为棱镜式分光镜，这种分光镜上没有光波刻度尺。光栅式分光镜不太好用，不为人们所取。通常叫它小光谱，使用它需要用强光源，使光透过宝石或从宝石表面反射过来进入分光镜。手要拿稳，分光镜在宝石样品之前几毫米到几厘米处即可进行观察。有人主张为了保持分光镜平稳不动，而将分光镜固定在一个支架上，光源也固定地置于其下；也有人主张将宝石样品放在偏光显微镜上，推出上偏光镜取下目镜，将手持式分光镜放在镜筒上进行观察，效果较好。使用手持式分光镜可调节分光镜下端的狭缝和滑管的焦距，观察蓝色波段吸收谱时向外拉；观察红色波段吸收谱时向内推，则会清晰地看见其黑色吸收谱带及（或）黑色吸收线，估计其间距及位置。

有的手持式分光镜体积大，而且标尺比较好用，如图3-1-101（a）～图3-1-101（d）所示，用法相同。

图3-1-101　几种常见的分光镜

（2）台式分光镜。台式分光镜如图3-1-102所示。使用时首先将样品放于锁光圈上，根据样品的大小调节锁光圈，对于比较透明的宝石要用透射的方法，让光线透过样品进入分光镜，调节好光源的位置和距离，使更多的光线进入宝石样品，通过变阻开关调节光线的强度，对浅色宝石光源要比对深色宝石光源稍弱；然后闭合分光镜下端的狭缝，再慢慢打开，直到能见到完整的光谱，对透明度好的宝石样品狭缝要近于闭合，透明度差的样品狭缝要开大，通常在狭缝刚刚闭合的瞬间，最易观察吸收光谱；最后调节分光镜的焦距，观察蓝端的吸收光谱可将滑管向外推则清晰，观察红端的吸收光谱可将滑管向里推则比较清晰。对于透明度较好的宝石样品可将滑管向外拉使光波刻度尺聚焦，从而读数清晰；对于透明度较差的宝石样品，只能用表面反射法观察，即将样品置于分光镜平台上，使光线斜照宝石表面反射到分光镜中，再按透射法调节分光镜狭缝和滑管的焦距而进行观察。

图3-1-102　台式分光镜外观

4.要注意的问题

不论使用哪种分光镜都要注意以下几点：①样品要尽量大些，谱线方能清晰；②样品要尽量选择透明度好的；③样品颜色越深，光谱越清晰；④浅色的可从长轴方向透射观察；⑤对深色半透明宝石则应从短轴方向透射观察；⑥测试时不可以手持样品，因人的血液会产生波长为592nm的吸收线干扰观察；⑦尘埃、脏物也会在色谱上产生暗色水平吸收线；⑧另外还要在测试之前，先用放大检查看看是否为二层石或三层石，应找准测试对象以免出现错误结果；⑨所用的照明器亮度要强而温度不能太高，温度高了也会使谱线模糊，所以要随时注意降温或使用冷光源。

5.特征吸收谱线

关于一些不同色素离子的特征吸收谱线，及几个主要宝石的吸收谱线举例于图3-1-103中。

图3-1-103　常见宝石特征吸收光谱

6.同种金属离子致色的宝石

同种金属离子致色的宝石吸收光谱的特征是相似的；而不同金属离子致色的宝石，它吸收光谱的特征则不相同。

（1）铬（Cr）。在透明或半透明的宝石中，铬致色者多呈红色或绿色。不论是红色宝石还是绿色宝石在可见光谱中的紫、蓝、橙（黄）色光波区，可见有宽的暗色吸收带，在红色光波段一般有2～4条吸收线。如祖母绿、变石、红宝石、红色尖晶石和翡翠等，都是由铬致色，其反光效果都比较好。但因Cr含量不同，在可见光吸收光谱中的吸收带和（或）吸收线是稍有差异的。

（2）铁（Fe）。铁元素对可见光的吸收性较强，因而由铁致色的宝石往往较暗。而铁的含量不同，价态不同，所以它又可使宝石呈现不同的颜色。如由铁和铬致色的红宝石，颜色显暗红；由铁和钛致色的蓝宝石，颜色呈暗黑蓝色；由铁致色的宝石，如金绿宝石、铁橄榄石、绿电气石、海蓝宝石、蓝色尖晶石等，其吸收光谱在红色区、黄色区、紫色区均有灰色吸收带，在蓝色至青色光区有数条黑色吸收线，在蓝色光区尤其较为集中。

（3）锰（Mn）。锰的吸收光谱在紫色区和蓝色区，有宽的吸收带。如蔷薇辉石、菱锰矿、粉红色电气石等一些粉红色宝石多为锰致色。

（4）钴（Co）。钴致色的宝石的吸收光谱是在黄色区和橙色区有3条宽的吸收线，在红色区和紫色区有灰色的吸收带。含钴的宝石往往呈现带红的靛蓝色，从不同方向观察可见有红色闪光出现。合成变石往往是用钴作致色元素的。

（5）其他元素。如含铀（U）的吸收光谱只是在蓝色—红色光区有密集的平行黑色吸收线；稀土金属钕（Nd）和镨（Pr）的吸收光谱与铀的有些相似，只不过是较铀的吸收谱线相对较为灰暗，赶不上铀的谱线清晰。以上两种吸收谱线分别用于检测锆石和磷灰石时较为常见。