儿时玩过的三棱镜实验终派上用场,不仅鉴定珠宝,还能知道颜色成因
珠宝知识256：珠宝考研考证篇（七十四）：分光镜的使用原理分光镜也是一类非常小巧的仪器，尺寸与二色镜差不多，大概也就是五号电池大小，但是分光镜与二色镜不同，二色镜其实属于辅助性的仪器，并且宝石的多色性往往具有多边形，并且不同种类的宝石之间的多色性或多或少都会有些重叠，但是分光镜不同，它能够为宝石的种属鉴定提供决定性的证据。下图就是分光镜的样子。分光镜主要是用来观察光谱的，我们在讲到宝石颜色的时候强调过，颜色不会凭空产生，也不会凭空消失，颜色的产生实际上是宝石对光选择性吸收的结果。也就是说，照射到宝石上的光线为白色光，是七彩光所组成的混合色光，当宝石对这七彩光中某一波段的光进行选择性吸收之后，残留光的颜色就构成了宝石的颜色。下图为红宝石的吸收光谱。这不仅仅是宝石形成颜色的理论基础，也是宝石形成光谱的理论基础，光谱其实就是单色光按照一定的顺序排列形成的图案，宝石对光的选择性吸收就构成了宝石的光谱，每个宝石形成的光谱不同，这就奠定了利用光谱鉴定珠宝的基础。分光镜就是这类仪器——可以用来检测宝石具体的对哪些波长的光进行了吸收。根据光学元件的种类，将分光镜分为棱镜式分光镜和光栅式分光镜两类。我们日常的生活中，各种单色光都是混合在一起的，为了能够很好的观察光谱，需要将不同的颜色的光分开，我们小的时候做过三棱镜实验，一个小小的三棱镜就能够很好的将不同颜色的光分开，这其中最主要的原理就是介质对不同波长的光折射率不同造成的，彩虹的形成原理就是这样。所以，最常用的分光镜利用的也是三棱镜，为了能够让各单色光分的更“开”，利用的是多个三棱镜组合在一起，使得光线在一个狭小的空间中，经历多次的折射，从而达到将单色光分开的目的，这类分光镜叫做棱镜式分光镜，也是最常用的一类分光镜。光栅式分光镜，所使用的光学元件不再是三棱镜，而是光栅，光栅本身就是由大量的等宽的，并且等间距的、平行的狭缝所组成的，这些狭缝的宽度与光的波长相当，会造成光的衍射，从而形成光谱。两种分光镜相比，棱镜式分光镜不同波长之间的距离是不等长的，从下图中就可以很清楚的看到，700-600nm之间的距离明显要小于500-400nm之间的距离，由于人们对蓝紫区的感观明显要弱于红-绿色区域，观察光谱时也相对较为困难，正是由于棱镜式分光镜将蓝紫区的光线分的更“开”，间距更长，从而更适合观察该区域的光谱。那么对于光栅式分光镜，却是等间距的，看下图，700-600nm之间的距离与500-400nm之间的距离是相等的。与棱镜式分光镜相比，红-橙区的光谱分的更“开”，更适合观察该区域的光谱；另外，常用的手持式分光镜的视域中是没有刻度的，因此，对于初学者来讲，更容易将所观察到的谱线进行定位。下图是分别是棱镜式分光镜与光栅式分光镜观察铬透辉石得到的光谱。可以通过下图感受一下两个分光镜观察到光谱的区别。另外，根据分光镜的使用方式，可以将分光镜分为“手持式”分光镜和“台式”分光镜。前者就是一个小小的仪器，携带方便，但在使用的时候需要借助额外的光源；后者则是将分光镜固定在一个“台子”上面，同时带有自己的光源、镊子等配件，与“手持式分光镜”相比，“台式”带有自己的光源、标尺，光源的强度、缩光圈、镜筒、进光狭缝、波长标尺等都是可以调节的，观察到的光谱更加明亮清晰。宝石的颜色主要与致色元素有关，在元素周期表中的第22号元素到29号元素（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu），这八个元素是宝石中最为重要的致色元素，根据本人的理解，将其重要性进行了排序，如下图所示。具体的相关知识可复习文章《珠宝知识239：珠宝考研考证篇（五十六）：宝石的颜色分类》。不同的元素往往会形成不同的光谱，另外，即使是相同的元素在不同的矿物中，也会形成不同的光谱，这主要与在不同晶体场内，能级的分裂会有所不同导致的。这就形成了利用光谱来鉴定宝石的理论基础。不过相同的元素所形成的光谱往往会有一定的共性，因此利用光谱可以判断宝石的颜色成因，下面我们对这些元素所形成的光谱进行一一的讲解。该元素形成的颜色往往是比较鲜艳的红色或者绿色，其中红色最典型为红宝石，绿色最典型的为祖母绿因此Cr致色的宝石外观上也更为美丽，四大彩色宝石中，有三个都是Cr元素致色的，在其他品类的宝石中，Cr元素致色的宝石变种，也往往属于价值较高的一类，比如说透辉石中的铬透辉石、碧玺中的铬碧玺、石榴石中的翠榴石也与Cr元素密切相关。下图为铬透辉石。Cr元素形成光谱往往最为典型，也最为清晰，这一点是其他致色元素所不能比拟的，因此Cr致色的宝石往往具有非常典型的光谱，比如说红宝石、红色尖晶石、金绿宝石、祖母绿、翡翠、铬透辉石等等，甚至铬盐染色的翡翠、玉髓等，所以说利用光谱来鉴定Cr致色的宝石也往往最为有效。下图为翡翠。它形成的光谱主要在红区会有几条非常明显的吸收线或者吸收窄带，并且在深红区的吸收强度相对较强，其次为橙红区；在黄区-绿区，会出现较宽吸收带，此处的吸收带的强度、宽度以及的具体的位置决定了宝石的颜色，当偏向黄绿区时，宝石主要呈现红色，当偏向橙-黄区时，宝石呈现绿色；当宝石刚好处于中间的时候，会形成变色效应。在部分宝石中，蓝区会有数条吸收线或者吸收窄带，紫区往往呈现全吸收的状态。该元素形成的颜色相对较多，包括红色（如铁铝榴石）、绿色（如橄榄石）、蓝色（如蓝宝石）、黄色（如翡翠）等等，另外，Fe元素属于变价元素，即使是在同一宝石品类中，不同的价态也会形成不同的颜色。虽然说Fe元素形成的颜色品类较为丰富，但是所形成的颜色往往不够鲜艳，多数都是那种比较暗的颜色。Fe元素谱线的清晰程度远远小于Cr元素，不过在一些宝石中，也能够形成非常典型的光谱特征，比如说蓝宝石、橄榄石、铁铝榴石等等。该元素形成的谱线主要在绿区和蓝区，以数条吸收窄带为主要的特征，就像铁栅栏一样，俗称“铁窗”，在有些宝石中，其他部位也可能会有若干条吸收线或者吸收带。比如说铁铝榴石中，红区会存在一些弱的吸收线，不过这些光谱很有可能是其他元素（例如Cr元素）造成的。Mn元素形成的颜色也属于那种比较鲜艳的，主要包括粉色、橙色等等，目前市场上较为受欢迎的菱锰矿、芬达石（锰铝榴石）、蔷薇辉石等等，都是Mn元素致色，因此Mn元素致色的宝石价值也相对较高。该元素形成的光谱最典型的特点就是在紫区会有吸收，甚至会延伸到紫区外，部分宝石中会在蓝区有吸收（菱锰矿）、黄区-绿区有吸收带（蔷薇辉石、菱锰矿等）。Co元素形成的颜色以蓝色为主，由于这种蓝色较为特殊，因此在颜色的命名中专门有一种颜色就叫做“钴蓝色”，属于那种较亮的，很鲜艳的呈现带红的靛蓝色，在转动宝石的时候可以观察到红色的闪光。除了蓝色以外，Co在一些碳酸盐中，比如说菱镁矿、方解石中时，会形成那种很柔和的粉色，由于这种粉色也较为特别，在颜色的分类中也专门有一种颜色被命名为“钴粉色”。该元素的吸收光谱也非常的典型，分别位于黄、绿区，具有三条非常强，并且宽的吸收带。Nd和Pr都属于稀土元素，在很多宝石中都会或多或少含有这类元素，但是能够产生颜色的往往是那些稀土元素的主要赋存矿物，在宝石中主要为磷灰石以及颜色百变的稀土玻璃。不过这类元素形成的颜色主要为黄色和绿色，主要的吸收光谱表现为：在黄绿区有形成一些特吸收线。在很多U的矿物中，会形成非常漂亮的颜色，比如说铜铀云母、钙铀云母、粒磷铅铀矿等等，由于U属于放射性元素，因此这些矿物被誉为地球上最危险的物质。虽然这些矿物的颜色非常的鲜艳，但由于具有一定的危险性，因此是不可以作为宝石用的。下图为粒磷铅铀矿图片。但是如果U元素仅仅以微量元素的存在，放射性是可以忽略不计的，因此可以作为宝石用，不过当它以微量元素的形式存在的时候，形成的颜色却不是那么的鲜艳，最典型的就是锆石了。该元素的吸收光谱主要表现在中红区具有稳定的吸收光谱，其他各区都可能伴有一定的谱线，最多时可多达40条，不过锆石在653.5nm的吸收线，可以作为锆石的诊断线，但是很多红色的锆石在实践中无法观察到该处的诊断线。在常见的珠宝玉石中，Cu元素主要形成蓝色或者绿色，最为典型的就是绿松石和孔雀石，有一些含铜的矿物也常常会受到晶体爱好者的青睐，比如说黄铜矿、蓝铜矿等等，其中黄铜矿主要为铜黄色，蓝铜矿主要形成靛蓝色。Cu其实也属于变价元素，低价态矿物以赤铜矿为典型，形成的颜色主要为红色。虽然说该元素能够形成较为丰富的颜色，但是却少有宝石能够形成典型的吸收光谱，在这些宝石中，也只有绿松石能够观察到一些光谱特征，不过光谱特征相对较弱，其中432nm处的吸收带最强，但已处于紫区，较难观察。该元素主要是生产红色的玻璃所使用的一种元素，会产生红色，日常生活常见的红色的玻璃，多是由该元素致色的。主要表现在绿区中有一条宽的吸收带，多数红色玻璃的吸收带会出现在532nm、537nm、540nm和560nm处。该元素主要是钻石形成黄色的主要原因，根据N在钻石中不同的存在形式，会形成不同的光谱，但基本都处在蓝区，只是所对应的位置有一定的差异。不过钻石最典型的光谱位于415.5nm处，是钻石的诊断线。褐色的系列的钻石主要在504nm处有一条吸收窄带。该元素是钻石形成蓝色的主要原因，当100万个C原子中有一个或者几个B原子时，就会导致红外到500nm处有明显的吸收，形成迷人的蓝色。世界名钻“霍普钻石”就是属于这类。通过上面的讲解，我们会看到不同宝石会出现不同的吸收光谱，这就是利用光谱鉴定珠宝的理论基础，另外，同种元素虽然在不同宝石中形成不同的颜色、形成不同的光谱，但是会有一定的规律可循，因此利用光谱可以用于辅助的分析宝石的颜色成因。好了，关于分光镜的基本原理就分享到这里，希望对大家有所帮助。
本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请
点击举报。
