珠宝知识227:珠宝考研考证篇(四十四):光率体
宝石的光学性质在鉴定过程中,应用的就是宝石的折射率,在测定宝石折射率的时候,所得到的相关信息也最为全面,除了单纯的折射率以外,还可以计算宝石的双折射率,并且通过观察相关的现象,从而推测出宝石的“光性”和“轴性”,所有的数据综合起来,就为“确定宝石的种属”获得了确定性的证据。
所以在学习宝石学相关的光学性质中,折射率的相关概念以及应用也是最多的。那么为了更好的研究宝石的光学性质(尤其是折射方面的性质),引入了光率体这样的一个概念。
在前面“自然光与偏振光”相关的课程中,我们提到,自然光通过双折射的作用,可以将一束自然光转化成为两束振动方向相互垂直的光,这两束光往往存在着不同的折射率,因此根据宝石的这类性质,建立起一个立体的几何图形——椭球体,这个椭球体在晶体光学中,称之为光率体。
在这个椭球体当中,椭球的半径代表的是光的振动方向,半径的长短,代表的是对应光线的振动方向。
再强调一遍,线段的方向(椭球体的半径)代表光的振动方向,长度代表折射率的大小。
我们知道了这个椭球体中相关的几何参数代表的意义,下面我们看一下这个椭球体是如何做出来的。
假设一束自然光照射到一颗宝石时候,(除了特殊的方向以外)往往会发生双折射现象,两束光线的振动方向相互垂直,那就以这可宝石的中心点为起点,垂直于光的传播方向(一定要垂直于光的传播方向,因为光的振动方向与光的传播方向相互垂直)画两条线段(那么线段的方向代表的就是振动方向),用线段的长短代表折射率的大小,折射率越大,相应的线段长度就会越长。
这时,两条相互垂直的线段就可以确定出一个平面,然后将线段的四个端点以椭圆的方式联结起来,就可以形成一个椭圆形。
如下图所示,假设一束光线以垂直于电脑屏幕的方向射向一颗宝石,发生双折射现象,分解成为两束振动方向相互垂直的光线,振动方向垂直于光的传播方向,因此振动方向应该平行于电脑的屏幕,以宝石为中线画两条线段,分别为AC和BD,这两条线段的方向就代表光的振动方向。AC线段的长度明显大于BD的长短,代表折AC光线的折射率大于BD所对应的光线,然后将ABCD四个点以椭圆的联结方式联结起来,就形成了一个椭圆形。
但是一颗宝石在空间上是一个立体的几何形态,因此在不同方向上照射宝石,就可以得到一个这样的椭圆形,把所有的椭圆形组合在一起,就会形成一个椭球体,这个椭球体,就叫做光率体。
二、光轴的概念。
刚刚我们注意到,我在说到宝石双折射率的时候,有一句话叫做——除特殊方向以外。也就是说,在宝石中,从会存在某个方向,当光线沿着该方向入射的时候,不会发生双折现象。我们将这个特殊的方向,叫做光轴,这个方向除了不发生双折射以外,入射光线的性质也不会发生改变,也就是说,当自然光入射之后,依然是自然光,偏振光入射之后依然是偏振光,且振动方向不变。
对于中级晶族的宝石来讲,只有一个这样特殊的方向,并且与Z轴相互平行,我们将其称之为一轴晶宝石。
对于低级晶族宝石,具有两个这样特殊的方向,称之为二轴晶宝石。
下图为红宝石原石,Z轴或者L3的方向就为光轴方向。
三、光性均质体与光性非均质体
1、光性非均质体:
在宝石中,多数宝石除了特殊的方向以外,是可以发生双折射现象的,这类宝石的光学性质在不同方向上有一定的差异,因此可以理解为宝石的光学性质是不均匀的,这类宝石我们称之为光性非均质体,简称非均质体。中级晶族和低级晶族的宝石,都属于光性非均质体,例如红蓝宝石、祖母绿、金绿宝石、橄榄石等等。
2、光性均质体
对于高级晶族以及非晶体的宝石来讲,在任何一个方向入射光线,都不会发生双折射现象,不同振动方向上的光折射率是相同的,我们将这类宝石称之为光性均质体,简称均质体。当光线入射到均质体宝石时,光的性质不会发生改变——自然光依然是自然光,偏振光依然是偏振光,且振动方向不变。钻石、萤石、尖晶石、欧泊等宝石都属于均质体宝石。
四、不同类型宝石的光率体
1、均质体光率体
对于这类宝石来讲,不同振动方向的折射率是相同的,以宝石为中心,在不同方向上画出来的线段都是等长的,因此得到的立体几何图形是一个球体。
2、一轴晶宝石光率体
水晶属于三方晶系宝石,因此属于一轴晶宝石,以该宝石为例,看看一轴晶宝石的光率体是如何制作出来的。由于选择一些特殊的方向,对分析问题更加有利,因此我们也选择相应的特殊方向来分析问题,对于一轴晶宝石,选择垂直于光轴和垂直光轴两个特殊的方向。
首先,对于一轴晶宝石来讲,有一个特殊的方向是不发生双折射的,这个特殊的防线与Z轴相互平行,所以,选择的第一个方向就是让光线沿着Z轴传播,该方向不发生双折射,不改变光的性质,因此依然属于自然光,同时不同振动方向上的光折射率是相同的,因此以宝石的中心为起点,以垂直光的传播方向画线段,此时的折射率为1.544,因此线段的长度按照相应的比例画出,不同方向上的线段长度是相同的,所以,将线段的端点联结来之后,得到的是一个正圆。
第二,当入射光线垂直光轴传播的时候,宝石会发生双折射现象,分解为两束振动方向相互垂直的光,水平振动方向光,折射率为1.544,竖直振动的光折射率为1.553,那么在宝石的中心为起点,画两条相互垂直的线段,并按照一定的比例确定线段的长短,此时就会得到一个椭圆形。
第三,将光线的入射方向围绕着Z轴进行旋转,光的传播方向依然垂直于Z轴,得到的依然是长短轴分别为1.544和1.553的椭圆形,将所有的椭圆形联结起来,就会形成一个空间的椭球体,由于这类椭球体的横截面为圆形,因此也称之为旋转椭球体。
从水晶的光率体的制作过程中,我们可以看到,无论从那个方向入射到水晶中,永远都会存在一个折射率为1.544的光线,这束光线的折射率不会随着振动方向的改变而发生改变的,折射率是固定的,将其称之为“常光”,可以理解为“正常”的光线。它的折射率我们用No来表示,O是ordinary的缩写,是普通、平常的意思。
我们在制作的过程中,选择都是特殊的方向(平行于光轴传播和垂直于光轴传播),当光线的入射方向与光轴斜交的时候,也会获得一个椭圆,这个椭圆的形状明显要小No和Ne所组成的椭圆,椭圆的两个主轴分别代表两束光线的振动方向,长短代表的两束光线的折射率的大小,常光的折射率由于不发生变化,依然用No来表示,但是对于另外一条光线,折射率用Ne’表示,以区别Ne。
由此我们引入正光性和负光性的概念。
当Ne>No时,称为正光性,宝石中的水晶、锆石、金红石、合成碳化硅均为一轴晶正光性宝石。
当Ne<No时,称之为负光性,宝石中绿柱石(祖母绿、海蓝宝石)、刚玉(红宝石、蓝宝石)、磷灰石等等,均为一轴晶负光性宝石。
3、二轴晶光率体
二轴晶的光率体的制作方式原理是相同的,在这里就不详细介绍了。对于该类宝石,光率体是一个三轴椭球体,其外形类似于橄榄球,具有三个主轴,这三个主轴分别对应三个折射率,从大到小依次为Ng、Nm和Np,也就是说Ng>Nm>Np。
二轴晶宝石正负光性的判断,主要依据折射率的差值来进行判断的
当Ng-Nm>Nm-Np时,为正光性(+),葡萄石、顽火辉石、金缕宝石、绿松石、托帕石等为二轴晶正光性。
当Ng-Nm<Nm-Np时,为负光性(-),绿帘石、蓝柱石等为二轴晶负光性宝石。
好了,关于宝石的光率体,就分享到这里,希望对大家有所帮助。
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