珠宝知识226：珠宝考研考证篇（四十三）：光的衍射、散射和色散
昨天的文章中为大家分享了光的干涉作用，这是引起宝石表面晕彩最重要的原理之一，比如珍珠的晕彩、拉长石的晕彩、变彩菊石表面的晕彩等。下图为变彩菊石，化石的一种。今天给大家分享的是光的衍射、散射、色散。
一、光的衍射
昨天在给大家举例的时候使用了下面这张图片。从这张图片中我们会发现，光波首先是通过一个狭缝，但是通过之后，光的传播方向发生了明显的改变，不再沿着原来的传播方向进行传播了，而是向四面八方进行传播。那么这种现象，就是光的衍射作用。
光的衍射严格的定义为：光波在遇到障碍物或者狭缝时，偏离直线方向传播的现象，称为光的绕射，也成为光的衍射。
从下面这张图片中，我们可以看到，当狭缝较大时，波的传播方向改变相对较小，当狭缝变小时，波的传播方向改变就比较大了。所以波发生衍射是有一定条件的——只有当障碍物的大小与光波波长相近或略大于光波波长时，衍射才能够发生。
说完衍射发生的现象之后我们再看回头看看这张图片。当光线通过S0的时候，光发生衍射，向四面八方通过，光波再通过S1和S2两个狭缝的时候，会再次发生衍射，这时候我们可以认为S1和S2为两个完全相同的光源，并且所发射出来的光波具有相同的性质，能够符合衍射发生的条件。
所以，在宝石中，衍射作用的发生，往往伴随着干涉作用的存在，比如欧泊变彩的成因，欧泊属于非晶质体，内部的结构是二氧化硅联结水分子，形成一个又一个的SiO2·nH2O小球，这些小球呈现一种堆积的状态。下图为扫描电镜下面的欧泊结构特征。
小球在堆积的过程中，就一定会出现空隙，当这些空隙的尺寸与某种颜色的光波长相近时，就会发生衍射现象，发生衍射之后的光再次通过其他缝隙的时候，就会发生干涉现象，由于不同波长的光发生干涉与衍射的条件不同，所以欧泊中SiO2·nH2O小球的大小直接决定了欧泊表面变彩颜色的鲜艳程度。同时随着转动欧泊，变彩也会也随之发生转动。 下图为黑欧泊的动图，这是不是人们口中所说的“五彩斑斓黑”呢？
光的衍射作用在宝石学中的应用除了解释欧泊等变彩效应的成因之外，还有一个非常重要的应用就是在宝石鉴定仪器中。我们可以利用光的衍射原理设计的衍射光栅，制作分光镜（检测宝石光谱的一种便携仪器），具体的结构如下图所示：
那么光栅式分光镜最大的好处就是能够产生线性光谱，所有的波长都是等间距排列的。上图为棱镜式分光镜的视域，不同波长时等间距的，就像尺子一样，相对棱镜式分光镜来讲，红区更为分散，更容易观察该区的光谱；下图为棱镜式分光镜，为不等间距的，蓝紫区根更为分散，更容易观察该区的光谱。
二、光的散射
能够使光的传播方向发生改变的现象，除了衍射以外，还有一个很重要的原理，就是光的散射作用。举个日常生活中非常常见的例子吧。当黑天的时候打开手电筒的时候，可以看见一个光柱，但是手电筒发出来的光并没有直接入射到人的眼睛当中。这种现象发生最主要的原理就是光的散射，当光线遇到空气中的灰尘或者其他小颗粒的物质时，会使得光线的传播方向发生变化，最终导致有一部分光线可以传播到我们的眼睛当中，看见手电筒的光柱了。
再看看下面这个实验，左图为一个溶液，溶液中的粒子相对较小，不会发生光的散射现象，因此我们是观察不到光柱的；但是右边为胶体，胶体的颗粒相对较大，能够使得光发生散射现象，从而可以观察到光柱。
所以光的散射作用的发生，同样是需要条件的，当颗粒的大小与光的波长属于同一数量级的时候，此时光的散射作用与衍射作用相类似；如果大于光波长的数量级的时候，可以理解为光的反射与折射作用的综合。
当颗粒的大小在1-300nm左右的时候，小于可见光波长（400-700nm）此时反射的强度与波长呈反比，波长越短，发生散射的强度也大，因此波长较短的蓝光比波长较长的红光散射强度要强的多，可以产生很漂亮的蓝色-紫色散射，这类散射称之为瑞利散射。月光石中的蓝色就属于这类散射。
如果颗粒的大小与光的波长相近时，此时散射的强度与光的波长关系较弱，所以呈现的多是白色的散光，这类散射称之为米氏散射。比如说不透明的白色石英就是这种成因。当散射的颗粒在1波长到2波长之间时，才可能呈现各种颜色，主要为红色和绿色，少数为黄色，比如说黄色月光石。
有些时候，我们把散射微粒大于700nm的散射称之为白色米氏散射，这种散射可以使宝石产生明亮的乳光，例如月光石、芙蓉石、刚玉（Geudas 刚玉，也叫牛奶石）、尖晶石、蛋白石等等。下图为蛋白石的乳光
三、光的色散
如果说一个小小的狭缝、一个小小的障碍物能够改变光的颜色，那么如果一个宏观的透明介质是否也会改变光的传播方向呢？其实这是毫无疑问的，昨天的文章中介绍的光的折射与反射就是改变了光的传播方向。对于光的反射，无论光的波长是多少，入射角与反射角的永远是相等的，所以白色的光通过反射之后，依然会是白光。
但是对于折射现象并非如此，同一介质对不同波长的光，折射率不同，通常情况下波长越短，折射率越大，因此通过折射作用，就可以将组成白色光的七彩光分开来，这就是形成彩虹的原理。那么这种现象，我们称之为光的色散。
我想大家小时候的时候都玩过三棱镜吧，一束白色的光通过一个三棱镜，就会形成彩色光，其实这种原理也非常的简单，也是光的色散现象。首先当光通过三棱镜的时候，光线经过第一次折射现象，当光线再次向空气中传播的时候，再一次发生了折射，两次折射之后，会彻底将不同颜色的光分开，最终形成七彩光。
那么光的色散会在宝石中形成什么样的现象呢？
最重要的就是形成宝石的火彩了，看看下图为钻石火彩的成因示意图，光线通过钻石，经过两次折射，两次全反射作用之后，不同颜色的光会相互分离，最终形成火彩。那么为了达到最好的效果，对钻石的切工就需要精确的计算，这也就是为什么现代的圆明亮琢型是一个数学家计算出来的原因。
色散值作为宝石的一种性质，就可以作为宝石鉴定的一种证据，比如说，无色系的宝石除了钻石以外，还包括莫桑石、无色蓝宝石、无色水晶、玻璃等等，其中莫桑石的色散值是钻石的2.5倍，火彩明显高于钻石，而无色蓝宝石、水晶、玻璃的色散值明显低于钻石，对于有经验的珠宝鉴定师来讲，通过火彩的识别很容易出其中的钻石。
为了很好的标度宝石的色散值，利用材料对686.7nm和紫光430.8nm两束单色光的折射率的差值来标定，同时将色散值划分为五个等级，分别为极高（0.060以上，合成碳化硅，莫桑石）、高（0.030-0.059，钻石）、中高（0.020-0.029，尖晶石）、低（0.010-0.019，水晶）、极低（0.010以下，萤石）。下表为常见宝石的色散值，需要大家能够牢记。
好了，到目前为止，光的本质以及光可以出现的物理现象，到这里就全部讲完了，最后再强调一下，光是宝石学中最重要的内容之一，因为无论是常规仪器还是大型仪器，主要的鉴定都是依据宝石的光学性质，另外，宝石的光学性质还是形成特殊光学效应最重要的因素。让我们用一张思维导图来进行简单的复习。
好了，关于光的干涉，今天就分享到这里，希望对大家有所帮助。
联系客服
