《1.3 第一篇 宝石学基础 第三章 光的基本知识及宝石的光学性质》.docVIP

第三章 光的基本知识及宝石的光学性质 光是一种自然现象，因为有了光人们才看到宝石美丽的颜色和宝石奇妙的光学现象，因此了解光的本质和不同化学成分、不同结构的宝石与光的相互作用，对鉴定宝石、正确评价宝石及不断改进完善宝石切磨工艺都有重要意义。 第一节 光的本质 光是一种以极大的速度通过空间传播能量的电磁波，它具有波动性。电磁波是在空间运 动传播着的电磁振动(变化的电磁场)，电磁振动方向垂直其传播方向，即电磁波属一种横波，因而光波也是一种横波(图1-3-1)。光波以其频率(v)或波长(入)为特征，光的速度与频率、波长具如下关系： c=v入 式中，c为光速(2．9979x 10~~cm／s)；v为光的频率(单位Hz，赫兹)；入为光的波长(单 位nm，1nm=10-9gm)。波长有时也用波数万来表示，波数是单位长度内(cm)波的数目，与 波长久的关系为入=1厄。 整个电磁波为一广阔的区段，它包括波长较长的无线电波，直至波长较短的Y射线。将各种波长的电磁波按其波长顺序排列，即构成电磁波谱。 光的波动理论(见图1-3-1)较好地解释了诸如干涉、衍射等宝石中常见的一些光学现象。 普朗克(1900)认为各种频率的光只能不连续地被发射和吸收，能量是不连续的，是量 子化的；基于光量子具有一定的能量、质量和运动速度，因而光具有粒子性。爱因斯坦指出， 不同频率的光子具有不同的能量，每个光量子具有AV的能量，并提出光的波粒二象性的重要关系式： E=hv=hc／入 式中：c为光速；v为光的频率；入为光的波长；h为普朗克常数(等于6．63 x 10．34／J·s)。 鉴于宝石矿物中的电子属一种微观粒子，因而光的粒子性较好地解释了光的直线传播反 射、折射宝石颜色的成因及荧光、磷光等光电效应 第二节 自然光与偏振光 一、自然光 从一切实际光源直接发出的光波，一般都属自然光，如太阳光、白炽灯光等。自然光的特点是在垂直光波传播方向的平面内，沿各个方向都有等振幅的光振动(见图1-3-2)。 二、偏振光 仅在垂直光波传播方向的某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1-3-3所示，偏振光的振动方向与传播方向构成的平面称为振动面。 自然光可以通过反射、折射、双折射及选择性吸收等作用转变成偏振光(见图1-3-4(a))。使自然光转变成偏振光的作用称为偏振化作用。在光学实验中将自然光转变为偏振光的装置 称为偏光片(或起偏器)。偏光片通常根据光的选择性吸收作用或双折射作用(尼科尔棱镜) 产生偏光的原理制作而成。目前广泛使用的偏光片是用赛璐珞或其他透明材料的薄片制成的，表面涂了某种细微的晶体物质(例如硫酸奎宁)，这种微晶按一定方向排列，能吸收某些方向的光振动，而只让与这个方向垂直的光振动通过(见图1-3-4(b))。为了便于说明，偏振片上标出允许通过光的振动方向，这个方向叫做偏振化方向。 三、偏振片的起偏和检偏作用 自然光通过偏振片可以转变成偏振光。如图1-3-5所 示，自然光通过偏光片A转变为偏光。此时如果在偏光 的传播方向上再设置偏光片B(检偏器)时，将发生如下变 化：当B的偏振方向与A的偏振化方向平行时，该偏振 光可继续透过B射出；当把偏振片B转动90。角时，即B 的偏振化方向与A的偏振化方向垂直时，则该偏光就不 能透过偏振片B射出。因此当以光的传播方向为轴转动 偏振片B时，就会发现通过月的光由明变暗，再由暗变 明的过程。在B偏振片转动360。时，可以出现两次全明 两次全暗的现象，因此A偏振片起到起偏作用，及偏振片起到检偏作用和确定偏振光振动方向的作用。宝石用偏光镜就是按照此原理而制造的。当偏振片质量较差，对自然光不能达到完全偏振化作用时，通过A、B两偏光片的光无法达到完全偏振，通过B偏光片就无法看到全暗的现象，整个视域内将表现为一种近似于黑的灰色。 四、自然光和偏振光在宝石中的传播特点 1．光性均质体和光性非均质体 根据光学性质不同，可以把宝石矿物划分为均质体和非均质体两大类。一般而言，非晶 质宝石和等轴晶系的宝石矿物，在各个方向上的光学性质相同，称为光性均质体，简称均质 体。如火山玻璃、钻石、石榴石、尖晶石等宝石。中级晶族和低级晶族的宝石矿物，其光学 性质随方向而异，称为光性非均质体，简称非均质体。宝石中的大部分属光性非均质体，如 红宝石、蓝宝石、橄榄石、水晶、祖母绿等。 2．光波在均质体宝石中的传播特点 光波进入均质体宝石时，基本不改变入射光波的振动特点和振动方向。如图1-3-6所示，一束自然光射人均质体宝石后，仍然为自然光；一平面偏振光射人均质体