宝石矿物的特殊光学现象
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发布时间：2022-04-23 13:20
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时间：2023-07-08 04:52
宝石矿物具有双重性。作为矿物应属于矿物学的范畴，但作为宝石还须满足三个基本条件，即美观、耐久和稀有。其中前两个条件都与宝石矿物的物理性质有关，并决定着宝石的品质和价值。同时，也是鉴别它们的极为重要的依据。宝石矿物首先必须满足人们的审美要求，而宝石矿物的美丽除了与透明度、颜色等因素密切相关外，有些还来自于特殊的外观特征，如闪光、变彩、变色、火彩等等。它们的存在增添了宝石的灿烂、高贵和神迷之感，使宝石矿物身价倍增，成为人们爱不释手之物。而这些特殊的光学现象与反光效应、变色效应等光学作用有着直接的成因联系。
（一）猫眼光、星光和砂金光
猫眼光、星光和砂金光都是由于矿物内部含有丰富的定向排列的包裹体，而形成的一种特殊的反光效应。
（1）猫眼光（chatoyance）：宝石矿物中由于反光形成一条亮带，且随入射光方向的改变而会发生侧向游动，状如正午时的猫眼，故称为猫眼光（图3-16）。因蜜*的金绿宝石猫眼表现得最为灵活，故将有此效应的金绿宝石亚种称为猫眼或猫眼石。具此种效应的其他矿物宝石的命名，则是在猫眼名词前冠以矿物的名称，如磷灰石猫眼、石英猫眼等。
猫眼光是由于在宝石内部含有密集而平行排列的细针状包裹体，它们对光的反射所造成的。光带的方向垂直于针状包裹体的延长方向。因此，加工成弧面型宝石时，应使其底面平行于包裹体。
（2）星光（asterism）：指宝石矿物中同时出现若干组猫眼光带而呈星状辐射的现象。根据光带的数目有六射星光、四射星光和十二射星光等。其中以六射星光为常见。如六射星光石英（图3-17），它的形成是因其内部包含了三组互呈120°交角定向排列的金红石针状包裹体，从而产生星光。
图3-16 红宝石猫眼
图3-17 六射星光
星光的成因与猫眼光相同，只是它不止有一个方向的针状包裹体，而是有交叉分布的若干组，具体取决于主晶本身的对称性质。切磨成弧面型宝石时，其底面应同时包含各组包裹体否则星光的交点便不在宝石的中心。
（3）砂金光（aventurescence）：指宝石矿物内部呈现星星点点的闪烁反光现象。砂金光是由于在矿物内部含有如赤铁矿、铬云母或自然铜等光泽较强的鳞片状包裹体，它们对光产生反射呈现耀眼闪光。例如石英中含有赤铁矿，白光入射后产生闪光，称其为耀石英或砂金石英。斜长石中含有赤铁矿等铁质包裹体，对入射的白光产生反射，并叠加干涉、衍射效应而呈现耀眼的红色彩光，这种砂金光的斜长石特称为日长石或日光石。
（二）变石
变石是因矿物的变色效应而得名。变色效应（colour change effect）指在不同类型的白光照明下，物体的呈色有所变化的现象。由于此现象首先见于一种含铬的金绿宝石，这种金绿宝石称为变石，故亦称变石效应（alexanderite effect）。变石在日光或日光灯下呈蓝绿色，而在蜡烛光或钨丝白炽灯下则呈褐红至深紫红色。不同产地的变石其色调不一致。人造蓝宝石和人造尖晶石也可具有变色效应，但不能称为变石。
形成变色现象的原因是不同类型的白光的组成存在某种差异，而物体正好对此又很敏感。如烛光和白炽光中含有较多长波长色光的成分，而日光和日光灯中则长波长色光的含量有所欠缺。变石本身对红光和绿光的吸收正好处于均衡状态，因而光源中红色成分增多它就呈红色，反之则呈绿色。
（三）乳光、变彩和火彩
物理光学效应包括光的干涉、衍射、漫射和色散等光学作用，它能引起矿物呈色。其呈色的机理与物体内部的特定构造有关而与化学成分无直接的成因联系。
（1）乳光（opalescence）：亦称蛋白光，指矿物中一种类似于蛋清般带柔和淡蓝色调的乳白色。它是由于矿物内部含有许多远比可见光波长小的其他矿物或胶体微粒，对入射的白光发生漫反射所造成的。当反射体的尺寸远小于入射光的波长λ时，反射光即发生弥散而形成漫射，且其光强与1/λ4成正比，因此在漫射光中紫光要比红光强约10倍，从而使反射体呈蓝色。月长石的浅蓝色乳光即是由于钾长石晶体内嵌生有许多尺寸比紫光波长还小的超显微钠长石小片对白光的漫射造成的。乳蛋白石的乳光则是由组成蛋白石的SiO2微粒明显小于可见光波长，以致产生散射光，出现乳光。
（2）变彩（play of colours）：指矿物中不均匀分布的蓝、绿、黄、红等色彩随观察角度的改变会按光谱色顺序产生色调变化或明暗度变化。变彩是由于在矿物内部存在着与可见光波长属于同一数量级的某种周期性结构，导致不同色光的衍射而形成的。贵蛋白石和某些拉长石是具有变彩的典型矿物。贵蛋白石中胶粒大小与可见光波长相当并呈有规律分布（图3-18），对白光产生衍射后出现变彩。将贵蛋白石的变彩称为欧泊变彩。某些拉长石中，其内部由两种不同成分的斜长石的叶片规则平行交生而成。这种周期性结构与可见光波长为同一数量级，在白光作用下将产生衍射，呈现变彩。将具有变彩的拉长石称为变彩拉长石，对有艳丽变彩的拉长石特称为光谱石。
（3）火彩（fire）：指由色散效应所产生的颜色。它在无色透明的宝石中表现较为明显，如钻石。在有色宝石中很易被掩盖。火彩的显著与否除取决于宝石矿物本身色散度的大小外，在很大程度上还与宝石的琢型、琢型与切工的比例、抛光好坏等直接有关。若从宝石内部射出的光其入射角越近于临界角，色散就越明显，即所谓的“出火”好。因此，火彩主要出现在刻面宝石矿物中。如钻石，如果切工和抛光都为上等，其琢型为圆钻型，当白光进入后，钻石表面显示明显的光谱色，即火彩。
图3-18 具白垩状外貌之蛋白石的扫描电镜照片，显示SiO2球体（直径约300nm）成六方最紧密堆积
（据Darragh,Gaskin和Sanders,1976）
