宝石的结晶学和晶体光学基础.ppt

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1、第一章 宝石的结晶学和 晶体光学基础,教学内容：一、晶体结构和形状二、光率体,第一节 宝石的晶体结构和形状,教学内容：一、晶体的基本特征二、宝石矿物的晶体结构三、晶体的外表特征,一、晶体的基本特征,1.什么是晶体 晶体（Crystal）：凡具有格子构造的固体，称为晶体。晶体内部构造的最基本特征是质点（原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复。空间格子是表示晶体内部构造的一种模拟几何图像。晶体具晶体结构，有晶面。晶形的充分发育可导致其外部晶面规则的几何形态。,2.晶体的基本特征（1）晶体具有格子构造，它们在三度空间作格子状的规则排列（晶体的均一性）。（2）晶体在自由生长状态下能自发地形成规则的

2、多面体形态（晶体的自范性或自限性）。（3）晶体的性质具有随方向而变化的异向性（晶体的各向异性）。（4）晶体具有外形和性质的对称性（晶体的对称性）。（5）晶体具有最小内能和稳定性（晶体的稳定性）。,3.晶体的对称 对称要素：在研究对称时，为使物体作有规律重复而凭借的一些几何元素（点、线、面）称之为对称要素。（1）点：对称中心（2）线：对称轴（3）面：对称面 根据晶体对称的特点，将晶体划分为三个晶族、七个独立的晶系。它们是晶体研究的基础，并对晶体的光学性质和力学性质有着直接的影响。,晶体的对称分类,Q:参考教材上的资料总结每个晶系都有哪些宝石品种。,4.单形和聚形（1）单形：是由对称要素联系起来的

3、一组晶面的总和，同一单形的所有晶面都同形等大。（2）聚形：两个或两个以上的单形所组成的晶体称为聚形。这时的单形的形状变化较大，可以假想把单形的晶面扩展，使其晶面相交后确定单形名称。,常用单形的形状或晶面的形状和多少来命名，如三方双锥、菱形十二面体、八面体、四面体,关于单形名称,单形概念,知识的应用,钻石常见晶形(立方体、八面体),绿柱石常见晶形(六方柱),电气石常见晶形 复三方柱,石榴石常见晶形 四角三八面体,尖晶石常见晶形 八面体,黄玉常见晶形 斜方柱,二、宝石矿物的晶体结构,用作宝石的矿物（宝石矿物），是由自然界中的无机物组成的，它具有明显的化学结构特征，具有一定的晶体结构。所有的物质，都

4、是由一种或多种化学元素组成的。,一种矿物，在其适合的条件下形成，其元素的原子，在其形成物质的过程中，会有规律地排列好，形成一个严格的，有其特点的内部结构，这种确切的、严格的结构，在矿物学中称之为晶体结构(crystal structure)。物质结晶速度很快，限制了原子按其自己的方式排列，称之为非晶质体(noncrystalline)。,宝石的晶体结构，直接影响：（1）宝石的特性（2）宝石的耐用性（3）宝石晶体的形态 这些特性对宝石的切磨、宝石的鉴定都有很重要的作用。不同晶体形态的宝石在加工切磨时，它的切磨方法是不同的。也就是说，宝石切磨后，既要美观，又要保持最大重量。而宝石的切磨又与宝石的晶

5、体结构密切相关。,三、晶体的外表特征,1.双晶（Twin crystal）：双晶是两个以上的同种晶体按一定的对称规律形成的规则连生，相邻两个个体的相应的面、棱、角并非完全平行，但它们可借助对称操作：反映、旋转或反伸，使两个个体彼此重合或平行。双晶有以下三种类型（1）接触双晶：各单晶沿一个简单的平面（双晶面）相接触。（2）穿插双晶：两个单晶互生并相互穿插。（3）聚片双晶：一系列薄层晶体的页片状接触双晶。,2.晶簇（Crystal aggregates）：是由一组具有共同基底的单晶呈簇状集合而成。3.显晶质集合体（Crystalline aggregate）：按单体的结晶习性及集合方式的不同可分为

6、粒状、片状、板状、针状、柱状、棒状、放射状、纤维状等集合体。4.隐晶质集合体（Cryptocrystalline aggregate）：晶体细小，只能在显微镜下才能看到其晶体颗粒，称为隐晶质集合体。例如：玛瑙、玉髓等。,第二节 光率体,教学内容：一、均质体和非均质体二、光率体,复习,当光波从一种介质传到另一种介质时，其传播速度和方向会发生改变,这种现象叫折射。光在入射介质中的传播速度与折射介质中的传播速度之比，等于入射角正弦与折射角正弦之比。即 1/2=sini/sinr=n=n2/n1 当两种介质一定时，n为一常数，称为折射介质相对入射介质的相对折射率。,n1(光蔬质),n2(光密质),i,

7、r,1.双折射和单折射,冰洲石下的绳子有两个像,玻璃下的绳子只有一个像,双折射,单折射,思考：双折射、单折射产生的原因,要了解双折射、单折射产生的原因，必须先知道“均质体”和“非均质体,观察现象,根据光学性质不同，将宝石矿物分为均质体和非均质体。,2.均质体和非均质体,均质体：等轴晶系和非晶质宝石的光学性质各方向相同称为均质体。如钻石、玻璃等。均质体只有一个折射率。光波在均质体中传播时，其振动特点和振动方向基本不改变。这一现象称单折射。,自然光A进入均质体后仍为自然光，偏振光B进入均质体后仍为偏振光，且其振动方向不改变。,2.均质体和非均质体,非均质体：中级晶族和低级晶族宝石的光学性质随方向而

8、异称为非均质体。非均质体的折射率值有多个。如红宝石、橄揽石等。光波进入非均质体宝石时，除特殊方向外，一般分解成振动方向互相垂直、传播速度不等的两束偏振光。这一现象称双折射。光波沿非均质体的特殊方入射时不发生双折射，这特殊方向为光轴方向。中级晶族宝石只有一个光轴方向，称为一轴晶；低级晶族宝石有两个光轴方向，称为二轴晶。,自然光在非均质体中的传播,2.均质体和非均质体,均质体、非均质体与晶系的关系及光在均质体和非均质体中的传播特点,均质体等轴晶系单折射(一个折射率),非光轴方向入射产生双折射分解成振动方向互相垂直的两束偏振光,非均质体,一轴晶(2个主折射率),二轴晶(3个主折射率),自然光进自然光

9、出偏振光进偏振光出,三斜晶系 单斜晶系 斜方晶系,三方晶系四方晶系 六方晶系,光轴方向入射：自然光进自然光出偏振光进偏振光出,3.光率体,光率体是表示光波在晶体中传播时，折射率值随光波振动方向变化的一种立体几何图形。其具体作法是：设晶体中心为坐标原点，将晶体不同方向的折射率值投影在一个三维坐标系，各投影点的轨迹构成该晶体的光率体。,均质体的光率体是一个圆球体，通过球体中心任何方向的切面都是圆切面，其半径代表均质体宝石的折射率值，均质体宝石只有一个折射率值。,一轴晶光率体是一个以直立轴为旋转轴的椭球体，直立轴代表光轴方向，该方向的折射率值为非常光的折射率，用Ne表示。垂直光轴的圆切面各方向的折射

10、率值相等，为常光的折射率，用No表示。No小于Ne时为正光性，No大于Ne时为负光性。双折率等于Ne-No的绝对值。,负光性(Ne No),正光性(Ne No),3.光率体,二轴晶光率体为一个三轴不等的椭球体。椭球体的三个主轴代表二轴晶宝石的三个主要光学方向，称为光学主轴。三个主轴的相应折射率值分别用Ng、Nm、Np表示，其中NgNmNp。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。,(1)常见均质体宝石有哪些？常见非均质体宝石有哪些？,均质体宝石 钻石、石榴石、尖晶石、欧泊、萤石,非均质体宝石,红宝石、蓝宝石、祖母绿、海蓝宝石 电气石

11、 水晶 锆石等,一轴晶,二轴晶,金绿宝石 橄榄石 黄玉 月光石 日光石 透辉石 堇青石等,2.哪些非均质体宝石的双折射率高(双折率0.03)，放大观察双折射率高的宝石可见什么现象？对于双折射率高的宝石，切磨时一般怎样定向？为什么？,橄榄石、电气石、锆石、合成碳化硅的双折率高，将这些宝石磨成刻面型，从一定方向观察，可见底部刻面棱的重影，这“一定方向”为垂直光轴方向(No或Nm方向)，因为垂直光轴方向的切面上双折率最大，一轴晶宝石垂直光轴的切面为Ne-No面；二轴晶宝石垂直光轴的切面为Ng-Np面。,No(Nm),垂直光轴方向切面,一轴晶,二轴晶,Ne,No,Ng,Np,合成碳化硅重影,2.哪些非

12、均质体宝石的双折射率高(双折率0.03)，放大观察双折射率高的宝石可见什么现象？对于双折射率高的宝石，切磨时一般怎样定向？为什么？,光轴方向,切磨双折射率高的宝石时，应将其台面垂垂直光轴方向，这样从台面观察宝石就不会看到底部刻面棱重影，宝石就显得更清澈、透明。因为垂直光轴的切面为圆切面(如下图)，各方向的折射率相等，光波垂直这种切面入射时，不产生双折射。,垂直光轴的切面,一轴晶,二轴晶,No,No,Nm,Nm,演示,将绳子放在冰洲石下，变换冰洲石角度，随着冰洲石角度的变化，绳子两个影像之间的距离会发生宽窄变化，转动到某一方向时，绳子只有一个影像。当绳子的两个影像分得最开时，压在绳子上的面为Ne-No切面；当绳子只有一个影像时，压在绳子上的面为圆切面(垂直光轴)。,关于冰洲石冰洲石即方解石晶体，菱面体晶形，三方晶系，一轴晶负光性，双折率是0.172。,小结,单折射均质体(一个折射率)等轴晶系,钻石 石榴石 尖晶石 欧泊 萤石,非均质体,一轴晶(2个主折射率),二轴晶(3个主折射率),正光性 NeNo,负光性 NeNo,正光性 Ng-NmNm-Np,负光性 Ng-NmNm-Np,非光轴方向入射产生双折射,