『寶石學』講義

Transcription

1 寶石學講義 授課教師 : 李建興 國立屏東大學應用物理系 2015 年 2 月

2 目 錄 第一章寶石緒論 1 第二章寶石的礦物學與結晶學基礎 6 第三章寶石的一些物理性質 25 第四章寶石的光學性質 30 第五章寶石鑑定儀器與用途 63 第六章寶石的合成與優化處理 81 第七章寶石的評價 91 第八章無機寶石各論 鑽石 剛玉系列 綠柱石系列 金綠寶石 石榴子石 黃玉 電氣石 貴橄欖石 尖晶石 鋯石 蛋白石 143

3 8-12 丹泉石 堇青石 鋰輝石 長石系列 粗晶石英 隱晶石英 翡翠 青金岩 土耳其玉 孔雀石 180 第九章有機寶石 182 第十章台灣的寶石 188 第十一章主要參考文獻 196

4 第一章寶石緒論 寶石的概念和特點 寶石的早期歷史因為大多數的寶石就是礦物, 因此寶石的歷史與礦物的歷史是有息息相關的 古人可能在找尋適用的天然材料時, 偶然間發現了寶石, 雖然寶石對他們而言幾乎沒有實用的價值, 但這些初期的寶石因為其美麗的顏色而被收藏下來 由埃及第六王朝時代 ( B.C.) 所留傳下來的古物中, 就已發現有土耳其玉 青金岩與紅玉髓等寶石的裝飾品 根據記錄與考古的發現, 古希臘與羅馬文明的時期, 許多礦物也被當成寶石, 而且在寶石雕刻藝術上的水準也頗高 早期的寶石除了當裝飾品之外, 更重要的是人們認為寶石具有神奇的力量, 可當作護身或避邪之用, 甚至可避免疾病 增進智慧 減少睡意或醉意等力量, 這些迷信有些至今仍還盛行著 何謂寶石? 所謂寶石 (gemstones / gems) 是指無論是否經過切磨拋光, 具有足夠吸引力與耐用性之隨身裝飾材料 它是對天然和人工珠寶玉石的統稱 將寶石的概念與含意更加擴展則稱為珠寶玉石 珠寶玉石按其成因類型 ( 是天然成因或是人工製造 ) 分為天然珠寶玉石和人工寶石 天然珠寶玉石按成因和組成分為天然寶石 天然玉石 有機寶石 天然寶石 : 如鑽石 紅寶石 藍寶石 祖母綠等 天然玉石 : 如翡翠 軟玉 玫瑰石等 有機寶石 : 如珍珠 珊瑚 琥珀等, 養殖珍珠也屬於此類 人工寶石是完全或部分由人工生產或製造當作首飾及裝飾品的材料, 包括合成寶石 人造寶石 組合寶石 ( 夾層石 ) 和再造寶石 合 1

5 成寶石 : 如合成祖母綠 合成紅寶石 人造寶石 : 如人造釔鋁榴石 人造鈦酸鍶等, 迄今為止自然界中還未發現此種礦物 組合寶石 : 是由兩塊或兩塊以上材料經人工拼合而成, 簡稱 組合寶石 再造寶石 : 是通過人工手段將天然珠寶玉石的碎塊 ( 碎屑 ) 熔接或壓結成具整體外觀的珠寶玉石, 常見的有再造琥珀 再造土耳其玉等 天然珠寶玉石是自然界賦於人類的瑰寶, 又經人們的加工, 琢磨賦之璀璨瑰麗 然而它們總歸由無機物或有機物兩大分類, 屬無機礦物為原料的寶石約有百餘種, 如金剛石 剛玉等 ; 屬有機物為原料的寶石, 如珍珠 琥珀等 寶石的分類可由大到小分別稱為寶石群 (group) 寶石種(species) 與寶石變種 (variety) 寶石的基本分類稱為寶石種, 大多數的寶石種就是礦物, 因此須符合礦物的定義, 也就它們是具有特定物化性質的天然結晶固體 但有些有機寶石仍被稱為寶石種, 例如珍珠 琥珀 珊瑚等, 是屬於有機寶石種 由於不同的長石與石榴子石寶石種彼此間在結構或特性上具有相關性, 因此這兩類寶石各總稱為寶石群 此外, 寶石種可再細分成寶石變種, 可根據該寶石的顏色 顏色的分佈 透明度或光學現象加以細分 例如透明的剛玉, 紅色者稱為紅寶石 (ruby), 藍色者稱為藍寶石 (sapphire), 其他顏色者稱為彩色藍寶石 (fancy sapphire) 例如玉髓, 具有黑白相間平行帶狀者稱為縞瑪瑙 (onyx); 若具有彎曲帶狀者則稱為瑪瑙 (agate) 以透明度而言, 半透明紅色的玉髓稱為紅玉髓 (carnelian); 紅色而幾乎不透明者則稱為碧玉 (jasper) 當光線照射在圓滑的寶石曲面上有時會出現星彩效應, 具有此種效應的藍寶石與紅寶石則各稱為星彩藍寶石與星彩紅寶石 天然寶石應具備的條件 ( 即屬性特點 ) 主要有三 : 1. 美麗 (beauty): 晶瑩豔麗 光彩奪目, 這是成為寶石的首要條件 這裡所謂的美麗包含顏色 光澤 透明度 純淨度 特殊的光學效應等等方面, 構成了寶石的外在的美 不透明的寶石的價值主要在於它的外觀顏色, 例如土耳其玉與青金岩 2. 耐用性 (durability): 質地堅硬 經久耐用 不易變質, 這也 2

6 是寶石的必備條件之一 而寶石的耐用性主要是決定於它們的三種物理特性 : 硬度 (hardness) 韌度(toughness) 和穩定性 (stability) 石英是地表上次多的礦物, 在空氣微小灰塵中常存在著這種礦物, 因此寶石的硬度理論上應該比石英還要硬, 但具有此種硬度的寶石不會超過 12 種 硬度與韌度並不一定成正相關, 有些硬的礦物卻具有脆性, 受外力時易破碎 ; 有些硬度不高的礦物韌度卻較高而不易破裂, 例如軟玉, 它具有纖維狀的組織而具有較高的韌度 所謂穩定性是指寶石受到熱 光或化學腐蝕時不易褪色的特性 耐用性並不是決定寶石價值的最重要條件, 例如蛋白石, 它的硬度雖不高, 但由於它內部所產生的美麗變彩特性, 使得它的價值不低 3. 稀少性 (rarity): 物以稀為貴, 這是易理解的供需法則 某種寶石在市場上的數量若是有限, 其價值必不低 自然界的礦物目前至少有 4200 種, 但受歡迎而成為寶石者則不超過 40 種 若有新的礦源被發現, 其供應量必然會大增, 則此種寶石的價值將會下跌 例如虎眼石 拉長石與紫水晶 其中, 紫水晶數百年來的礦源都來自歐洲, 但其數量很少, 因此它的價格並不低 但後來在南美洲發現了大量且品質不錯的紫水晶礦床, 它的價格因此隨之下跌, 直至今日 稀少性也包括了品種上的稀少 ( 產量 儲量上的稀少 ), 如鑽石 高檔祖母綠和翡翠等, 或如高品質的紅寶石 藍寶石幾乎已相當難見 然而, 所謂稀少性與受歡迎的程度是會隨時間而有所變化的, 因此寶石的價值也隨之有明顯的變動 所謂稀少性有分為真實稀少性以及人為 ( 透過市場操縱 ) 稀少性 此外, 流行款式 (fashion) 與易攜帶性 (portability) 亦是影響寶石的價格因素 19 世紀時, 波西米亞所出產的暗紅色石榴子石相當受歡迎, 但今日已大不如前 ; 相反地, 印地安的土耳其石今日的價格則大漲 此外, 對於政治不安定的國家或貨幣下跌的時期, 相對於其他貨品而言, 寶石則具有體積小 重量輕但價值高之特性 雖然稀少性 流行款式和易攜帶性等三者與寶石的內在性質並無相關性, 但也會影響寶石的價值 3

7 合成寶石 (synthetic gems) 與仿寶石 (imitation gems) 由於寶石具有高價值, 因此人們一直渴望在實驗室裏能合成出寶石, 但這些研究通常不是無法合成出來就是晶體太小而終告失敗 直 4

8 到十九世紀末, 才發展出合成較大的剛玉與尖晶石之製程, 其晶體的尺寸已足以進行切割研磨的程度 至於合成鑽石方面, 一直到 1955 年才有小的鑽石晶體真正地被合成出來 當人造的材料與天然寶石的光學 物理與化學性質完全相同時, 我們稱之為合成寶石 但有些人造的材料只是用來模仿各種的寶石, 但其特性與天然寶石並不相同者, 我們稱此種材料為仿寶石 (imitations or simulants) 這兩種名詞的定義完全決定於人造材料如何被使用, 例如人造紫色剛玉本身就是合成寶石, 但它們若被用來模仿天然紫水晶時, 此時則稱為紫水晶的仿寶石 寶石的價值 1. 寶石的商品價值 : 寶石作為一種商品, 當然就有了商品價值 其中包含人類對其找礦開採 加工等勞動價值和寶石自身的美麗 稀少的特殊價值 寶石的這種商品價值對國家的國民經濟是有影響的, 如斯里蘭卡寶石的出口可占國家出口總額的第四位 南美洲哥倫比亞在大量開採並輸出石油之前, 僅祖母綠出口, 就為該國提供外匯收入的一半 2. 寶石的貨幣價值 : 由於寶石尤其稀少, 貴重寶石的資源越來越少 ( 優質寶石也越來越少 ), 所以這種寶石的價格不斷上漲, 居高不下, 導致寶石作為硬通貨幣的趨勢逐漸明顯, 和黃金一樣可作為貨幣流通的媒介 許多國家都把鑽石或高檔寶石列為國家銀行的資產 中國大陸也把常林所產的鑽石或其他高檔藝術玉雕品納入國庫貨幣儲存 3. 寶石的藝術價值 : 寶石的美是集合人類智慧和科技的結晶, 是人們對美的藝術所追究的結果 比如鑽石的 58 個刻面的藝術設計和琢磨, 是人類經過幾代人的不斷研究實踐才使得鑽石的高折射 高色散等特點能大限度的展示而煥發出無與倫比的光芒 5

9 第二章寶石的礦物學與結晶學基礎 礦物學的基礎 礦物的形成 在考慮寶石礦物的起源時, 我們必須能說明常見的元素以及少量的元素會在哪些特殊環境中進行聚集與富集 地殼上的岩石可分成三大類 : 火成岩 沈積岩與變質岩 火成岩是岩漿冷卻過程中礦物進行結晶作用所形成 沈積岩是先前岩石經過機械與化學作用的崩解物質所組成 這些物質進行層層堆積 壓密與膠結作用後形成了沈積岩 變質岩則是原岩因深埋或岩漿侵入所造成溫壓環境的變化, 引起岩石組織或礦物組成發生了改變, 在固態下轉變成變質岩 礦物與寶石是如何形成的? 其形成的地質條件十分複雜, 地質學家也依據其能量來源把它分為三大類 : 內生成礦礦床 外生成礦礦床與變質成礦礦床 1. 內成礦床 : 即與岩漿侵入 噴發作用相關, 其作用是在地殼的不同深度和壓力 溫度條件下進行的, 它又包括了如岩漿成礦 偉晶岩成礦 熱液成礦等 (1) 在岩漿成礦作用中, 人們找到了如慶伯利岩, 它是形成鑽石 鎂鋁榴石的主要原生礦床 如南非 中國遼寧等 人們還找到了基性玄武岩噴發岩型礦床, 它是形成大型藍寶石 鋯石 橄欖石砂礦的岩源, 例如澳大利亞藍寶石等 (2) 在偉晶岩成礦作用中, 人們常在該礦床中發現碧璽 海藍寶石 黃玉 黃水晶 祖母綠 金綠寶石等十分珍貴的寶石 例如中國新疆阿勒泰偉晶岩中產出的碧璽 綠柱石等 6

10 (3) 熱液成礦作用中所形成的寶石是豐富的, 如超基性岩中的交代 (Replacement) 岩型, 它可形成翡翠 軟玉等這些珍貴的玉石, 以及鈣鐵榴石等 又如矽卡岩 (Skarn) 型, 它可形成紅寶石 藍寶石 尖晶石 鋯石等礦床, 例如有名的緬甸抹谷的紅寶石 斯里蘭卡的藍寶石就是屬於這一類型的礦床 2. 外成礦床 : 是指近地表由於自然界的風化作用如陽光 雨水之地質作用所形成的礦床, 是屬於次生礦床, 包括了以下的類型 : (1) 風化殼型礦床 -- 它可形成蛋白石 綠玉髓 土耳其玉 孔雀石礦床, 例如大陸廣東的孔雀石礦 湖北的土耳其玉礦 (2) 砂礦型 (Placers) 礦床 -- 它可形成許多寶石的礦床, 如鑽石 紅藍寶石 翡翠 軟玉等等 主要可分為殘積砂礦和河成沖積砂礦型 3. 變質礦床 : 是指在地質作用下與在特定的環境條件下 ( 物理 化 學 壓力 溫度等 ), 使岩石和礦物重新結晶 重新結合 富集形成 礦床 它可形成的寶石如薔薇輝石 矽化木 鐵鋁榴石 月光石等 寶石的結晶學基礎 何謂晶體? 大多數的寶石礦物是結晶質的, 它們具有一定的內部結構 它們的原子相互間按一定的格式有規律地排列, 並在外部可表現出典型的幾何外形, 人們稱之為晶體 而一些寶石礦物不具有這種內部有序的結構, 因而也不具有規則的幾何外形, 稱之為非晶體, 如蛋白石 結晶學是寶石學中最為基礎的一課, 就是要研究寶石的晶體特性, 以利於研究 鑑別, 認識各種不同寶石, 也利於寶石的加工切磨的需要 7

11 何謂晶體? 晶體是內部質點 ( 原子 離子 ) 作規律的排列, 而這種 排列可在三維空間作週期性重複地具有格子構造的固體 對稱 (symmetry) 與晶類 (crystal class) 對稱 (symmetry) 是物體中相同部分有規律的重複 發育良好的晶體在晶面的形態 大小和位置等方面都具有對稱性 晶體的對稱是由其內部晶格構造決定的, 而晶體的晶格構造本身就是一種對稱 人們在研究晶體時, 要研究其對稱特點, 而把能使物體作有規律重複操作中憑藉的一些幾何要素, 稱之為對稱要素 主要有 : A. 對稱軸 : 通過晶體中心的一條假想直線, 晶體沿該直線旋轉一定角度可使晶體相同部分重複 旋轉一周, 晶體中相同部分重複的次數稱為軸次, 用 A 表示, 有 A 1 A 2 A 3 A 4 和 A 6, 後三個軸次稱為高次軸 B. 對稱面 : 是一個通過晶體中心的假想平面, 它將晶體平分為互為鏡像的兩個相等部分, 用 m 來表示此鏡面 C. 對稱中心 : 是一個假想位於晶體中心的點, 通過該點的反向操作可使晶體相同部分重複, 用 i 來表示此對稱中心 晶體的分類是以晶體的對稱特點, 即以晶體的對稱性為基礎的 而晶體的對稱特點則取決於它內在的晶格構造 根據晶體的對稱型來分, 把屬於同一對稱型的晶體歸為一類, 稱為晶類, 共有 32 個晶類 只有符合晶格構造規律的對稱才能在晶體上體現出來 從此角度來說, 晶體的對稱是有限的也是有條件的 ( 所以不可能出現 A5 和大於 A 6 的對稱軸 ), 而晶體的對稱不但包含著幾何意義, 也包含著物理意義 體現於晶體的物性, 如光學 熱學 電學等性質 再根據晶體的對稱性特點, 將 32 個晶類劃分為七大晶系以及三大晶族 A. 高級晶族 僅有一個, 亦即等軸晶系 8

12 B. 中級晶族 有正方 三方和六方晶系共三個 C. 低級晶族 有斜方 單斜與三斜晶系共三個 各晶系晶體間的根本差異表現在結晶軸的軸單位是否相等, 以及結晶軸間夾角大小之上 1. 等軸晶系 : 有三個等長且相互垂直的結晶軸 a = b = c; α = β = γ = 90 理想單形為 : 立方體 八面體 稜形十二面體 三角十二面體 四角三八面體和四面體 2. 正方晶系 : 有三個相互垂直的結晶軸, 其中兩水準軸等長, 但與縱軸不等長 a = b c; α = β = γ = 90 理想單形為 : 四方柱和四方雙錐 3. 六方晶系 : 有四個結晶軸, 其縱軸與三個水準軸不等長, 彼此間 呈 120 的交角 a1 = a2 = a3 c; α = β = 90, γ = 三方晶系 : 與六方晶系具有相同的結晶軸, 但其對稱程度低 理想單形為 : 三角形為底面的三方柱和稜面體 5. 斜方晶系 : 具三個相互垂直而相互不相等的結晶軸 a b c; α = β = γ = 90 理想單形為 : 以菱形為底面的柱雙錐等 6. 單斜晶系 : 具有三個互不相等的結晶軸,b 軸垂直於 a 軸和 c 軸 a 軸斜交於包含 c 軸和 b 軸的平面 a b c; α = γ = 90, β 90 理想單形 : 斜方柱和平行雙面 9

13 7. 三斜晶系 : 三個互不相等且互相斜交的結晶軸 a b c; α β γ 90 晶形 (crystal form) 依據自然晶體中晶面外形的種數可分為單形與聚形兩類 : 單形 : 由同一個對稱要素所聯繫的晶面所組成之晶形 此單形的所有晶面都同形且等大 晶體總共有 47 種不同的單形 聚形 : 即單形的聚合, 應由二個以上的單形組成 單形的聚合不是任意的, 必須是屬於同一對稱型的單形才能相聚, 所以聚形也必屬於同一個對稱型 許多寶石礦物是有規則和對稱的晶體, 具有天然的完整晶面 理論上, 所有晶體都可望有這種對稱性 但晶體在實際生長過程中, 受環境的影響 ( 溫度 壓力等因素 ) 而導致實際晶體經常難以如理論上所言那麼地完美, 所以外形常形成歪晶或不規則狀等等 晶體中常可見到外形相同的晶面重複地出現, 另外也在某些方向上出現具有相同的物理性質等等, 這是由於晶體內部的原子具有序排列所造成的 然而, 晶體的性質也具有隨方向而變化的異向性 這些晶體的性質如解理 顏色 硬度和光學性質等 例如金剛石在平行八面體晶面的 {100} 方向相對較容易發生破裂 晶體的規則連生可分為兩種類型 : 平行連生與雙晶 平行連生 (parallel grouping) 平行連生指同種晶體的個體彼此平行地連生在一起, 連生著的兩個晶體相對應的晶面和晶稜都相互平行 ( 見下圖 (a)) 平行連生以外形來看是多晶體的連生, 但它們內部的格子構造都是平行而連續的, 以這點來看它與單晶沒什麼差異 ( 見下圖 (b)) 10

14 雙晶 (twins) 雙晶是兩個或兩個以上的同種晶體按一定的對稱規律形成的規則連生, 相鄰的兩個個體相應的面 稜並非平行, 但它們可以借助對稱操作 - 鏡射 旋轉或反逆, 使兩個個體彼此重合或平行 進行對稱操作時所借助的輔助幾何要素稱為雙晶要素, 包括雙晶面 雙晶軸和雙晶中心 雙晶面是個假想的平面, 通過它的反射可使雙晶的兩個個體重合或平行 雙晶軸是一根假想的直線, 雙晶體的一個體圍繞此直線旋轉 180º 後可與另一個個體平行或重合 雙晶中心是一假想的點, 雙晶的一個個體通過它的反逆動作可使與另一個個體重合 ( 一 ) 雙晶類型根據雙晶個體連生的方式, 可將雙晶分為以下幾種類型 (1) 接觸雙體 : 由兩個個體組成, 彼此以簡單的平面相接觸, 如尖晶石雙晶 水晶膝狀雙晶 (2) 聚片雙晶 : 即一系列接觸雙晶, 由多個個體以同一雙晶律連生, 接合面相互平行, 常以薄板狀產出, 每個薄板與其直接相鄰的薄板呈相反方向排列, 而相同的薄板則有相同的結構取向, 如鈉長石聚片的聚片雙晶 11

15 (3) 穿插雙晶 ( 或貫穿雙晶 ): 由兩個個體相互穿插而形成, 如螢石的立方體穿插雙晶和長石卡氏雙晶 ; 穿插雙晶的接合面往往不是一個連續的平面 (4) 環式雙晶 : 由兩個以上的單體, 按同一種雙晶律組成, 表現為若干組接觸雙晶或貫穿雙晶的組成, 各接合面互不平行而依次呈等角度相交, 雙晶總體呈環狀或輻射狀, 按其單體的個數可分別稱為三連晶 四連晶等, 例如金綠寶石的三連晶 ( 二 ) 雙晶的形成方式和形成條件雙晶的形成方式主要有 :(1) 在晶體生長過程中形成, 它可以由雙晶晶胚發育而成, 也可以由小晶體按雙晶的位置相互接觸連生而成 ; (2) 在同質異象的轉變過程中形成, 例如化學成分同為 SiO 2 的高溫變體 β - 石英 ( 六方晶系 ) 的單晶轉變成低溫變體 α - 石英 ( 三方晶系 ) 時, 經常可以形成雙晶 ;(3) 由機械作用形成, 在機械作用的影響下, 晶體的一部份沿著一定方向的有理面滑動可以形成 機械雙晶, 如方解石晶體可在機械作用下沿 (012) 晶面滑動而形成雙晶 雙晶的形成條件很複雜, 晶體的內部結構是形成雙晶的內因, 但並不是每一種礦物晶體都可以呈雙晶出現, 所以從這個角度講, 雙晶可能會是寶石礦物的一個鑑別標誌 比如鉀長石的卡氏雙晶 鈉長石的聚片雙晶 金綠寶石的三連晶 尖晶石的接觸雙晶等 晶體生長時的外界條件也會影響雙晶的形成, 理想的生長條件是不利於雙晶形成的 所以相較之下, 人工寶石的雙晶會比天然寶石少得多 實際晶體的形態與晶面條紋 ( 一 ) 實際晶體的形態 在此之前, 我們對晶體形態的討論都是以理想晶體為對象的 理 12

16 想晶體是在理想條件下, 晶體圍繞一個生長中心, 嚴格地按照其空間格子, 在三維空間均勻地生長出的晶體 所謂理想晶體, 它在外形上應表現為規則的幾何多面體, 具有面平而稜直的特性 ; 同時, 在一個晶體上屬於同一單形的各個晶面均應同等程度地發育, 即具有相同的形狀和大小 但是實際晶體的生長條件往往很複雜, 任何一個晶體在其生長過程中總會不同程度地受到外界因素的干擾 以微觀角度來看, 晶體並非是嚴格地按照空間格子之規律所形成的均勻整體, 以致晶體不能按理想狀態發育 一個真實的單晶體, 實際上由許多理想的均勻塊體組成的, 而這些塊體並非嚴格地相互平行, 從而形成了所謂的鑲嵌構造 (mosaic structure) 空位(vacancy) 和差排 (dislocation) 等構造缺陷 另外, 構造中部分質點的成份取代及包裹體的存在也會導致晶體的構造變形, 再加上晶體在形成之後, 還會繼續受到應力和後期熱液等各種外界因素的影響, 更會增加晶體的非理想程度 可以說, 一切實際晶體內部結構都是非理想的, 從外形上也偏離了其理想的晶體形態, 所不同的只是它們偏離理想狀況的程度不同而已 下面就實際晶體宏觀外形上常見的一些現象分別加以說明, 瞭解和掌握晶體的理想和實際形態, 以及它們之間的差異, 對寶石原料的鑑定至關重要 (1) 歪晶 : 在實際晶體中歪晶是極其常見的 所謂歪晶是指在非理想環境下生長而偏離本身理想晶形的晶體 歪晶通常會表現出同一單形中的各晶面發育不等 ( 即不能同形等大 ), 部分晶面甚至可能會消失, 但它們的晶面夾角與理想晶體的相應晶面夾角仍保持相同, 這就是所謂的晶面角守恆定律 例如 :α - 石英晶體, 它在理想生長情況下應形成正六邊柱的晶體 但實際上它經常呈現幾種歪晶 然而, 歪晶中同一單形的晶面之形態及大小雖不相同, 但各晶面的交角關係與理想晶體是相同的 13

17 (2) 凸晶 : 各晶面中心均相對凸起而呈曲面 晶稜彎曲而呈弧線的晶體稱為凸晶 所有凸晶都是由幾何多面體趨向於球面體的過渡形態 例如金剛石的菱形十二面體凸晶 ( 見下圖 (a)), 其凸晶是由於晶體形成後又遭溶解而形成的, 因為位於角頂和晶稜上的質點的自由能較位於晶面上者的大, 角頂及晶稜部份與溶劑的接觸機率也大, 因此它們的溶解速度也較晶面中心為快, 從而產生凸晶 (3) 彎晶 : 指整體呈彎曲形態的晶體 彎晶與凸晶的差別在於 : 凸晶的所有晶面都是向外凸出的, 而彎晶當其一側晶面向外凸出時, 相反一側的晶面就向內凹進, 如白雲石的馬鞍狀彎曲晶體, 如上圖 (b) 所示 ( 二 ) 晶面條紋晶面上由一系列所謂的鄰接面構成的直線條紋, 稱為晶面條紋, 晶面條紋是晶體在生長過程中形成的, 在許多晶體上可以看到 例如石英晶體的柱面上常具橫紋 ; 電氣石晶體柱面上則常具縱紋 ; 黃鐵礦立方體晶面上也常有條紋, 其三對平行晶面上的條紋方向相互垂直 晶面條紋是由鄰接面與主要晶面呈階梯狀反覆交替生長而造成的 所謂鄰接面就是晶體中某些次要晶面, 它們與主晶面有一小角度差異, 並與主晶體面是分別屬於不同的單形 如 α - 石英的晶面橫紋是由六方柱與菱面體的狹長晶面交替生長形成的 ; 黃鐵礦的晶面條紋則是由立方體與五角十二面體兩種單形的晶面交互生長形成的 除了晶面條紋之外, 在生長過程中晶體表面還可遺留下生長層 14

18 螺旋紋和生長丘等表面特徵 另外, 在晶體形成之後, 由於遭受溶蝕還會在晶體表面形成凹坑 ( 溶蝕坑 ), 凹坑的形狀 方向和分佈受內部質點排列方式所控制, 能反映出晶體的對稱性, 它可作為鑑定晶體原石的依據, 例如鑽石表面的等邊三角形凹坑 ( 三 ) 結晶習性結晶習性指礦物通常呈現的晶體形態, 它包括兩方面 一是同種晶體所習見的單形 一種晶體常具有自己的晶體習性, 即晶體常呈現某種或幾種單形 例如, 尖晶石習見的單形為八面體 ; 螢石在岩漿和偉晶岩中常呈八面體, 在高溫熱液中形成的則常呈菱形十二面體, 在低溫熱液中形成的卻常呈立方體 二是晶體在三維空間延伸的比例 根據晶體在三維空間延伸的情況, 可大致分為三種類型 :(1) 三向等長 指晶體在三維空間的發育程度基本相等, 呈現出粒狀或等軸狀, 例如石榴石 黃鐵礦和石英岩中的石英晶體等 ;(2) 二向延長 指晶體在一個方向上發育較差, 而呈板狀或片狀, 如重晶石和石膏等 ;(3) 一向延長 指晶體在一個方向上發育特別快, 而呈現柱狀 長柱狀 針狀 纖維狀, 如電氣石 綠柱石 水晶和經常以包裹體方式出現的針狀金紅石等 由此可見, 礦物晶體所表現的晶體習性是其內部和外部兩方面因素共同作用的結果 內部因素是指其自身的內部結構 ( 晶格結構 ), 外部因素是指晶體生長時相關成份的濃度 雜質 溫壓及空間條件等 ( 四 ) 同種寶石礦物的集合體形態同種寶石礦物以多個單體聚集在一起的集合體形態可以說是千姿百態 一般來講, 單體成粒狀 片狀和柱狀礦物的集合體就分別稱之為粒狀集合體 片狀集合體和柱狀集合體 除此之外還有一些成特殊形態的集合體, 寶石中常見的有如下幾種 放射狀集合體, 指呈長柱狀或針狀的礦物體單體, 它們以一點為 15

19 中心, 向外成放射狀排列而形成的集合體, 例如紅柱石的放射狀集合體, 又稱為菊花石 纖維狀集合體, 指纖維狀的礦物單體, 其延長方向相互平行密集排列所形成的集合體, 如纖維狀石膏 軟玉貓眼等 晶簇, 指以洞壁或裂隙壁作為共同基地而生長的單晶體群所組成的集合體, 如石英晶簇和方解石晶簇 晶腺, 指具有同心層狀構造, 且外形近似呈球狀的礦物質合體, 如膠體成因的條帶狀瑪瑙 葡萄狀 腎狀集合體, 指膠體成因的逐層堆積而成的, 外形呈鐘乳狀或腎狀的集合體, 例如孔雀石葡萄狀集合體 ( 其橫斷面常具層狀和放射狀構造, 也稱其具皮殼狀構造 ) 和赤鐵礦腎狀集合體等 寶石中的包裹體 天然寶石是在複雜的地質環境中形成的, 外來雜質的混入 成礦溶液的濃度及溫度壓力的變化都會對寶石的生長產生影響, 同時也會在寶石的內部留下一定的痕跡, 這就是我們常說的包裹體 ( 或內含物,inclusion) 寶石中包裹體的形成與礦物包裹體形成一樣, 往往與晶體生長過程中產生的晶體缺陷有關 晶體中缺陷的形成則和晶體的結構類型 晶核的數量 晶體的生長速度及環境 ( 如溫度 壓力 介質濃度等 ) 密切相關 19 世紀初, 人們就開始研究礦物中的包裹體, 到了 19 世紀末和 20 世紀初, 由於合成紅寶石和藍寶石的出現, 人們才意識到寶石內部的包裹體的重要性 研究寶石內之包裹體是極為重要的, 它可以幫助我們鑑定寶石的品種 區分天然和合成寶石 判別寶石是否有優化處理 評論寶石的品質和瞭解寶石的成因以及產地 包裹體的概念來源於礦物學, 寶石包裹體的概念有狹義和廣義之 16

20 分 狹義包裹體的概念是指寶石礦物生長過程中被包裹在晶格缺陷中的原始成礦熔漿, 其至今仍存在於寶石礦物中, 並與主體礦物有相的界線 廣義包裹體的概念是指影響寶石礦物整體均一性的所有特徵 即除狹義包裹體外, 還包括寶石的結構特徵和物理特性的差異, 如帶狀 (zoning) 結構 色帶 雙晶 斷口和解理, 以及與內部結構有關的表面特徵等 寶石學中常是指廣義包裹體概念 ( 一 ) 寶石中包裹體的分類 1. 依據包裹體與寶石形成的相對時間分類依據包裹體與寶石形成的相對時間, 可將包裹體分為原生包裹體 同生包裹體和次生包裹體 (1) 原生包裹體原生包裹體是指比寶石形成更早, 在寶石形成之前就已結晶或存在的一些物質, 在寶石晶體形成過程中被包裹到寶石內部 原生包裹體的形成主要與介質環境 ( 如成礦溶液成分和濃度的變化 ) 及晶體的快速生長有關 寶石中的原生包裹體都是固態的, 它可以與寄生包裹礦物可以是同種, 但也可以是不同種 (2) 同生包裹體同生包裹體是指與寶石同時形成的包裹體, 它們的形成主要與晶體的差異性生長 晶體的不規則生長結構 晶體的生長間斷 溶液過飽和度的變化 外來雜質的出現 體系溫度或壓力的突然變化等因素有關 此類包裹體可以是固態的, 也可以是含有呈各種組合關係的固體 液體和氣體, 甚至空洞或裂隙等, 還可以導致化學組成呈區塊變化而形成色帶 幻晶等 (a) 同生固態包裹體 : 在某些情況下, 若包裹體礦物與寶石晶體兩者 17

21 沿著接合面的原子結構頗為相似時, 當寶石晶體停止生長時, 包裹體礦物可聚集和生長在寶石晶體的表面, 當寶石晶體又重新生長之後, 會包覆這些生長在表面的礦物, 使之成為包裹體 纖維狀礦物的生長速度比主體寶石的生長速度快, 因而可以形成長絲狀的包裹體, 如水晶中呈針狀的金紅石 角閃石包裹體 在高溫下結晶均勻的固溶體礦物, 當溫度緩慢下降時, 固溶體的溶解度會減小並達到過飽和狀態, 而出溶或偏析成為兩個彼此不同的礦物, 可使寶石晶體中含有片狀或針狀礦物晶體, 它們的方向往往與寄主晶體的某個結構方向平行 例如 : 從剛玉中出溶的金紅石結晶成三組針狀的晶體, 相互的交角為 120, 而且均平行於剛玉的軸面 鈦化合物如金紅石 榍石和鈦鐵礦是寶石中最常見的出溶礦物 這是由於 Ti 元素在地殼中的數量較高, 易進入寄主晶體中並從寄主晶體晶格中出溶 大量的出溶針狀物可在剛玉 石榴石和尖晶石等寶石中產生貓眼和星光效應 其他的出溶礦物有日光石 堇青石中的赤鐵礦 ; 月光石中的鈉長石 ; 拉長石中的針鐵礦等 (b) 同生流體 ( 氣液 ) 包裹體 : 產於某些地質環境的寶石可含有大量的氣液包裹體 由於形成條件的控制, 因此氣液包裹體很少出現於火成岩, 但常見於偉晶岩中 這是因為偉晶岩形成於較低的溫度, 並含有大量的水溶液之中 晶體在生長過程中可能會破裂, 成礦溶液可以進入其裂隙中, 直到裂隙在癒合為止 以這種方式形成的癒合裂隙, 在富含水溶液環境條件下生成的寶石中是較為常見的 癒合裂隙可以呈扁平狀或彎曲狀, 我們常說的 指紋狀包裹體 就屬於此類 有的寶石內部可含有管狀的孔道或具有規則形狀的孔洞 這是由於寶石晶體在生長的過程中生長阻斷或生長速度過快造成的 在生長過程中, 孔道或孔洞的形狀可能會發生改變或癒合 如海藍寶石中的 管狀 包裹體可以呈斷斷續續的 雨絲狀 很多情況下, 經常見到液態包裹體與氣態 固態包裹體共存 18

22 (c) 同生的非物質性包裹體 : 寶石晶體中常見有同生不均勻性包裹體, 主要表現為下述幾種分帶 (zoning) 現象 包裹體分帶, 寶石晶體生長的暫時停頓使外來的晶體集結在寄主晶體的表面 若寄主晶體重新生長, 便可形成或多或少的呈面狀分佈之薄層包裹體, 即所謂的 幻晶 顏色分帶, 顏色分帶通常取決於寶石中化學成分的變化, 它反應了寶石生長環境和流體化學成分的變化, 如紅寶石 藍寶石中的平直或角狀色帶 結構分帶, 結構分帶通常是由寶石中的雙晶造成的, 如鑽石 長石和紅藍寶石中的生長紋和雙晶紋 合成寶石的包裹體大都屬於同生包裹體, 它們可以是固態 氣態或液態 但它們往往在形態和組成上與天然寶石明顯不同, 可作為區分天然與合成寶石的主要或診斷性特徵 例如 : 助熔劑法合成之紅寶石中的助熔劑殘留, 水熱法中合成祖母綠中的鉑金片 合成祖母綠中由矽鈹石和空洞構成的 釘頭 狀包裹體, 焰熔法合成紅寶石中的弧形生長紋和氣泡等 (3) 次生包裹體次生包裹體是指寶石形成後所產生的包裹體, 它是寶石晶體形成後由於環境的變化, 如受應力作用產生裂隙, 外來物質滲入及裂隙充填所形成的包裹體, 甚至可能是由於放射性元素的破壞作用所形成的包裹體 (a) 次生裂隙及外來物質充填膠結 : 寶石停止生長後產生的裂隙中可能會有外來物質進入並在其中沉澱 常見的外來物質是鐵和錳的氧化物, 例如水晶或瑪瑙中的黑色樹枝狀包裹體 (b) 放射性元素的破壞作用 : 有些寶石經常含有微量的放射性元素, 如鋯石常含有放射性元素 U 和 Th, 由於它們的存在不但可以破壞寶 19

23 石本身的晶體結構 此外, 若在其他寶石礦物中出現有鋯石包裹體時, 放射性元素在破壞鋯石晶格之後, 會使鋯石的體積增大, 還可使主晶寶石的晶格產生破壞, 所產生之應力可導致鋯石包裹體的周圍形成放射狀裂隙等痕跡, 這就是我們所說的 鋯石暈 合成寶石往往不存在次生包裹體, 但對於優化處理後的寶石, 可含有一些次生包裹體 例如紅藍寶石的熱處理, 往往會導致內部固態包裹體的體積發生變化, 使之發生爆裂而在其周圍產生次生裂隙 ; 也會使寶石中存在的 Fe Ti 出溶, 而形成針狀金紅石 ; 也可使同生的針狀金紅石包裹體熔蝕, 形成呈點狀排列的金紅石 這些也都可以作為寶石熱處理的鑑定特徵 另外, 寶石的染色處理 充填處理也可視為次生的包裹體 ; 擴散處理造成的顏色在刻面寶石的腰稜部位的顏色集中 雷射打孔處理過的鑽石所留下之痕跡和裂隙也可視為次生包裹體 2. 依據包裹體的相態分類根據包裹體的相態特徵, 可將包裹體分為固相包裹體 液相包裹體 氣相包裹體 固相包裹體主要指在寶石中呈固相存在的包裹體, 如紅寶石中的金紅石 祖母綠中的黃鐵礦和方解石等 液相包裹體指單相 兩相的流體為主的包裹體, 最常見的液體為水 溶解鹽 ( 食鹽水 含碳酸的水 ), 有機液體也偶有出現 ( 螢石中的石油液態包裹體 ) 例如藍寶石中的指紋狀包裹體 螢石和黃玉中的兩相不混溶之液態包裹體等 氣相包裹體指主要由氣體組成的包裹體, 如琥珀中的氣泡 祖母綠中的 CO 2 氣態包裹體 合成紅藍寶石和玻璃中的氣泡等 在實際的寶石中, 往往可見到兩種或兩種以上相態包裹體共存的現象, 從而可將其分為單相 兩相 三相或多相包裹體 單相包裹體指以固態 液相或氣相之單一相態存在的包裹體, 其中大多為單相 20

24 的固態包裹體, 在合成寶石中也常見單相的氣態包裹體 ( 即氣泡 ); 兩相包裹體可以是氣 - 液 ( 如指紋狀包裹體多為氣液兩相包裹體 ) 液- 液 ( 如黃玉中的兩相不混溶的液態包裹體 ) 液- 固兩相包裹體 ; 三相包裹體主要指同一包裹體內含有氣 - 液 - 固三相或液 - 液 - 氣三相包裹體, 如祖母綠中常見的由食鹽 - 氣泡 - 水構成之三相包裹體 兩相或多相包裹體的形成往往都與前期所形成的流體之液態包裹體有關 當流體被捕獲到寶石晶體的孔洞時, 流體可能是均一的 ( 少數情況下是由液體和懸浮晶體 液體和懸浮氣體或兩相不混溶液體組成 ), 這種均一的流體會隨著溫度的下降而發生變化, 因而分離出氣體 固體或其他液體 天然寶石中存在於液態包裹體中的氣態包裹體多為低壓水蒸氣 二氧化碳或甲烷, 它們大都是由於溫度或壓力之下降而從溶液中逸出的氣體 存在於液態包裹體中的固態包裹體多為鹽類晶體, 它們也是液態包裹體因溫壓下降導致溶液過飽和而從溶液中析出之晶體 主要晶體為鈉 鉀 鈣 鎂的氟化物 氯化物 碳酸鹽或硫酸鹽 其中最常見的是岩鹽 ( 氯化鈉 ) 鉀鹽( 氯化鉀 ) 和石膏 ( 硫酸鈣 ) 3. 依據包裹體成分分類根據包裹體成分特點可將包裹體分為有機包裹體和無機包裹體兩大類 有機包裹體是指主要由有機物質所組成的包裹體, 如琥珀中的動植物包裹體及螢石中的石油包裹體等 無機包裹體是指各種晶體 熔體及氣液流體包裹體, 它們由無機物質組成, 絕大部份寶石中的包裹體都是無機包裹體 4. 依據包裹體存在形式分類 根據包裹體的存在形式, 可將包裹體分為物質型包裹體和非物 21

25 質型包裹體兩大類 (1) 物質型包裹體是指以實際物質形態存在的包裹體, 如固態 液態和氣態包裹體等 (2) 非物質型包裹體是指由晶體缺陷及後期壓力作用形成的內部缺陷所構成之包裹體, 它們往往不是以實際的物質形式存在, 而多呈一種現象出現, 如空晶 雙晶面 解理紋等 多是由晶體成分的變化 晶體缺陷 放射性蛻變所導致的與主體寶石顏色有明顯差異的色帶 色團 色暈等組成的包裹體, 以及由寶石的物理性質引起的特徵現象 (a) 顏色分布 : 寶石中顏色的分布特徵對判斷寶石優化處理 合成和天然類型是非常有用的 平直的顏色分帶是諸如茶晶 紫水晶和藍寶石等許多天然寶石的典型特徵, 但平直的色帶並不一定就是天然寶石的特徵 焰熔法合成寶石往往具有彎曲的色帶 人工改良的寶石其顏色分布具有獨特性, 在染色寶石中, 寶石的顏色集中在裂隙中和晶粒的邊界處 ; 擴散處理的寶石, 顏色集中在尖角 稜線和表面的裂隙處 (b) 表面特徵 : 表面特徵能提供有關於寶石結構與優化處理的相關線索, 如鑽石中的雙晶可在拋光面上產生 紋路 ; 染色處理的翡翠表面可顯示 溝渠狀 或 蛛網狀 的現象 (c) 解理和斷口 : 解理和斷口對某些寶石在鑑別上具有一定的價值 玻璃顯示貝殼狀斷口, 而可被玻璃仿製的天然土耳其玉則具暗淡平坦之斷口 ; 具階梯狀斷口則說明該寶石有解理發育, 如鋰輝石 長石 ; 解理可用以鑑定鑽石, 鑽石腰圍的鬚狀腰 V 形缺口 天然面是其他仿製品難以模仿的特徵 (d) 雙晶 : 剛玉 金綠寶石 長石中常可見到雙晶 雙晶在早期被認為是天然成因的證據, 但在助熔劑法所合成的寶石中也可見到雙晶 礦物中的雙晶可以是同生的或次生的, 如方解石的雙晶可以在晶體停 22

26 止生長後因形變而形成, 剛玉中的雙晶也可以此方式形成 以上不同的分類從不同的角度歸納了包裹體的特徵, 每一個分類都不可能涵蓋寶石包裹體的全部特徵, 熟悉這些分類方法對寶石鑑定具有重要的意義 ( 二 ) 研究寶石包裹體的意義寶石包裹體的研究在寶石學中具有重要的意義, 歸納起來有如下幾點 : 1. 了解天然寶石的生成條件, 可指導找礦和合成寶石的實驗條件寶石中的包裹體是研究寶石形成條件最直接的證據, 通過寶石中的包裹體我們可以測定寶石形成時的溫度 壓力 氧逸度等數據, 這些數據對於寶石的找礦 勘探 開採以及進行人工合成寶石上具有重要的意義 2. 根據典型包裹體及包裹體的組合特徵, 確定寶石品種及優化處理方法各種寶石之間的各項物理常數有時是重疊的, 此時寶石中的包裹體就具有重要意義, 通過對寶石包裹體的觀察, 可以區分天然寶石與人工寶石, 確定寶石的品種, 判別寶石之優化和處理的方法 3. 根據寶石的典型包裹體及包裹體組合確定寶石的產地有時可以根據寶石中的特徵包裹體來判斷寶石的產地 但只有發現寶石中的確存在某些特殊的包裹體組合時, 判斷寶石產地的結果才會可靠 例如 : 祖母綠中含有氟碳鈰礦 (bastnaesite) 或含有立方體岩鹽的三相包裹體時, 我們可以判斷該祖母綠的產地是哥倫比亞 4. 根據寶石中包裹體的特徵對寶石進行合理加工 某些寶石因為具特徵的包裹體, 可以使寶石增值, 例如水膽瑪 23

27 瑙 ( 瑪瑙中有封閉的空洞並且含有水溶液者 ) 若寶石中存在一組或多 組平行排列的纖維狀包裹體時, 經過合理的加工, 可使寶石產生貓眼 效應或星彩效應, 也可提高寶石的價值 5. 根據寶石包裹體的大小及分布特徵對寶石進行評估和分級寶石包裹體的存在有時會提高寶石的價值, 有時會降低寶石的價值 根據包裹體的特徵, 可以對寶石的質量做出綜合評價 例如根據鑽石中包裹體的大小 位置 數量 可見度對鑽石進行品質等級劃分 6. 了解寶石包裹體的性質, 確定對寶石進行技術處理的可能性例如針對鑽石的內含物進行雷射處理 24

28 第三章寶石的一些物理性質 寶石有許多特性可用來做為寶石鑑別之用 硬度 韌度和脆性 A. 寶石的硬度 (hardness)? 硬度是寶石表面抵抗壓入 刻劃或研磨的能力 硬度與物質的化學組成分 化學鍵晶體結構有關 ( 即原子結合方式 ), 其組成原子的鍵結愈強, 寶石的硬度也就愈高 硬度可分為兩種 : 絕對硬度 : 是通過硬度儀在標準條件下測定出來的 一般是用一個錐形鑽, 在壓入被測定物體時深度來衡量其硬度, 常見的方法有維氏 (Vickers) 硬度與奴氏 (Knoop) 硬度 相對硬度 : 是根據 10 種標準礦物的相對硬度定性地確定寶石的硬度級別 最早是由德國礦物學家摩氏 (Mohs) 在 1822 年所提出的, 故稱之為摩氏硬度 其相對硬度由低到最高依序為 : 滑石 石膏 方解石 螢石 磷灰石 正長石 石英 黃玉 剛玉 鑽石 摩氏硬度只是一個硬度順序, 但硬度的增大幅度是不等的 如剛玉和金剛石硬度, 雖然僅為一級的差別, 卻在絕對硬度上差別甚大 金剛石為 8000 (Knoop 硬度 ), 剛玉則為 2000 (Knoop 硬度 ) 硬度雖是寶石的重要物理常數和鑑定標誌, 但在透明的寶石成品鑑定上卻禁止使用, 因為硬度測試會在寶石上留下刻痕, 使其價值降低 ; 至於非透明的寶石方面, 可在底面不顯著的位置上試用, 而在原石上則是可以進行測試的 測試時一般使用摩氏硬度筆, 它是由十種標準礦物或材料所製成, 應遵循 " 先軟後硬 " 的原則進行刻劃 寶石礦物的硬度常具有對稱性和異向性 這種硬度大小隨方向性而變化的性質稱之為差異硬度 典型的例子是藍晶石 (kyanite) 在其晶 25

29 體延長方向 M=4.5 而垂直延長方向的硬度為 M=6.5 差異硬度的性質被人們運用於拋磨鑽石的工藝 因為鑽石其垂直於八面體方向的硬度大於其他方向的硬度, 而鑽石粉末的方向是隨機的, 可能會有大量硬度較大方向的尖粒, 因此可以用來 ( 也只有它才能 ) 將拋磨鑽石成面 B. 寶石的韌度 (toughness, tenacity) 和脆性 (brittleness) 寶石的韌度也稱韌性, 和脆性是對應的概念 (1) 韌性 : 是指寶石抵抗撕拉破碎的性能 (2) 脆性 : 是指受打擊易碎的特性 韌度也可以分級, 它們與晶體的結構有關 比如玻璃的硬度為 6, 而鐵板的硬度為 5, 當同時受到鎚擊時, 玻璃易碎裂, 鐵板則不然 這說明玻璃雖然硬度高於鐵板, 但其脆性卻高於鐵板, 韌性也不如鐵板強 大多數的鑽石受外力作用時解理明顯而易碎裂, 但黑色鑽石 (carbonado) 內部是由許多的微小晶體鑲嵌在一起, 某一顆小晶體的解理面方向與鄰近小晶體的解理面方向經常並不相同而使破裂面無法延伸下去, 此種特性使得黑鑽石不但堅硬而且韌性高 因此, 硬度與韌性並不一定有相關性 研究寶石的韌度和脆性, 也是十分必要的 比如在鑑別軟玉和硬玉 ( 翡翠 ) 時, 軟玉的韌度總是比翡翠好的 而在切磨雕琢寶石時, 也必需要充分考慮到其韌度和脆性的, 如金綠寶石韌度就很低, 所以材料利用率就低 常見的寶石韌度比較 : 軟玉 > 硬玉 > 剛玉 > 金剛石 > 水晶 > 海藍寶 > 橄欖石 > 綠柱石 > 黃玉 > 月光石 > 金綠寶石 > 螢石 穩定性 (Stability) 穩定性是指物質受到光 熱或化學影響時抵抗退化或變化的能 力 碳酸鹽類的寶石與礦物 ( 例如方解石 文石 珊瑚 珍珠等 ) 碰到 26

30 稀酸時表面失去光澤或冒泡 此外, 丙酮也很容易溶蝕近代所形成的樹脂 (copal), 但卻不易影響琥珀的表面 有些寶石受到強光照射時容易變色, 例如粉紅色的鋰輝石 (spodumene) 與黃棕色的黃玉 因此, 要當成寶石飾品時須注意這些寶石的穩定性 不過, 有些寶石則是受到人為的輻射照射而呈色, 當這些寶石暴露在光線與熱的環境下也很容易褪色, 例如輻照的黃色剛玉 此外, 寶石級的蛋白石中常含有 3~10% 的水分, 當受到陽光直接照射時會脫水, 並導致蛋白石出現龜裂與失去變彩效應 比重 (Specific Gravity) 寶石的密度是寶石工作者 ( 或寶石商 ) 很注重的一個寶石重要參數 因為大多數寶石的密度都有特定的變化範圍, 都有特定的數值 密度 : 即單位體積的質量稱密度, 它的單位為 g/cm 3 密度取決於晶體的原子量 原子半徑和晶體結構等 晶體中組成原子的鍵結愈強, 密度與硬度也愈高, 而晶體結構與其形成時的物理化學環境有關, 例如石墨與鑽石的成分雖然相同但密度就顯然有差異 人們常把相對密度值作為密度的近似值, 即測定密度 其公式為 : 相對密度 (D) = W a / (W a W w ) 4 水的密度 ( 沒有單位元 ) (W a 為空氣中的重量 ;W w 是在 4 水中的重量 ) 比重 : 是指在 4 和標準大氣壓條件下, 材料的重量與同等體積水的重量之比值 如今, 人們測定密度一般是採用靜水稱重法, 利用千分之一以上精度的天平測定 但也有用配製好的比重液來測定相對比重的 密度對鑑定寶石是有重要意義的, 比如對一玉手鐲和一顏色相類似的翡翠手鐲, 一位有經驗的珠寶商, 他只要用手掂一下, 會很輕鬆地判定哪只手鐲是翡翠 解理 裂理與斷口 27

31 寶石由於其內部原子排列的不同, 使結晶體晶面形成特定的裂開方式 裂開的方式有三種 : 解理 (cleavage): 是指晶體 ( 單晶 ) 在外力作用下, 沿特定的結晶學方向裂開成較光滑平面的性質 這些裂開的平面稱為解理面, 而按解理面的平滑程度及產生的難易程度分為完全解理 中等解理 不完全解理三種, 如方解石 螢石具完全解理 解理的描述有平滑度 容易度與結晶方向 解理面的數量經常與對稱有關, 例如八面體的解理面就會出現四組 ( 四個結晶方位 ) 同等的解理面, 因此它也是鑑定寶石種類的參考性質 應該常用放大鏡觀察寶石內部是否有平滑的反射面出現, 若有反射面則代表已開始出現內部的冰裂, 它會影響寶石的實用性與價值 尤其要注意觀察寶石的腰部, 此部位與戒指環接觸, 鑲嵌加工時常會施力, 因此也是可能出現冰裂的區域 寶石中要盡量避免有出現裂理, 因為我們幾乎無法利用拋光的方式將寶石研磨至與解理面呈完全平行 再者, 具明顯解理的寶石若不小心掉落或被撞擊時也可使寶石碎裂開來 裂理 (parting): 也稱裂開, 即晶體在外力作用下, 沿一定結晶學方向裂開的性質 裂理多沿雙晶結晶合面或色體富集面和其他礦物的夾層發生, 尤其是沿聚片雙晶的結合面發生 它不屬晶體固有的性質, 可不符合晶體的對稱, 其裂開面的光滑程度不如解理面, 有時稱之為假解理 例如剛玉不具有解理面但常出現雙晶, 沿著雙晶面可出現貝殼狀的裂理 斷口 (fracture): 是寶石受外力作用下, 發生隨機無定向不規則非平面的破裂面稱之 斷口分為貝殼狀斷口 參差狀 ( 鋸齒狀 ) 斷口 土狀斷口等 例如石英 玉髓 蛋白石與橄欖石都會出現貝殼狀斷口 研究解理 裂理和斷口對寶石學而言是有其用處的 : A 如要琢磨鑽石, 首先要將大鑽劈開, 那麼就得找到其解理面, 沿這些面劈開, 否則鑽石將粉碎而帶來巨大損失 B 在鑑別寶石時也是很有用的 例如帶有粉紅色的石英和粉紅 28

32 色的螢石, 其中螢石的解理十分發育, 而石英則無解理 ( 有時可見到 貝殼狀斷口 ) 導電性 (Electroconductivity) 晶體的導電性與鍵結有關, 具金屬鍵者有極佳的導電性 因為寶石礦物缺乏金屬鍵, 因此是屬於非導體 但藍色的鑽石則是一種特例, 不論是天然或人工合成者它都會導電 ; 然而, 輻照而呈現藍色的鑽石卻無此特性 因此, 我們可依此特性來分辨這些藍色的鑽石 導熱性 (Thermoconductivity) 物體傳導熱的能力稱為導熱性 其單位為 w/m/, 熱傳導率以 (K) 表示, 人們常以尖晶石的熱導率為基數 1, 而鑽石的熱導率可達 , 是其他寶石所不能比擬的 所以人們根據其性質製造出導熱儀, 以測試區分鑽石和非鑽石 在前些年以前, 它是十分方便好用且準確的儀器 但由於近來人們又製造出一種鑽石的代用品碳化矽 (SiC), 其熱導率比鑽石略高, 所以熱導儀也就不是那麼管用了 磁性 (Magnetism) 一些礦物可被小磁鐵所吸引, 我們稱之為具有磁性 大多數的礦物不具有磁性, 因此磁性測試在寶石學中是不重要的, 因為即使利用強力的磁鐵也幾乎無法吸引寶石 最近, 磁性測試被應用在鑑定人工合成的寶石級鑽石上, 因為這些鑽石常含有粗或細的鐵鎳助熔劑包裹物, 在裝有人工合成鑽石的容器外若放置磁鐵, 則大多數的這些鑽石會出現磁性, 但天然的鑽石中目前仍未出現磁性 29

33 第四章寶石的光學性質 光的本質 自然光與偏振光我們用光的兩種理論 ( 電磁波理論與量子理論 ) 來解釋光的性質 光可分自然光與偏振光 : (1) 自然光 : 一切從光源直接發出的光波統稱自然光 如太陽光 燈光 它的特點是在垂直光波傳播方向的平面內, 沿各個方向都有光波的振動 (2) 偏振光 (polarized light): 在垂直光波傳播方向的平面內, 只沿某一固定方向振動的光波稱為平面偏振光 在寶石檢測中的所有偏光儀, 其中的偏光片元件, 就是根據光的選擇性吸收特點製作的 因為在晶體中, 不同方向之振動光被吸收的程度常會有所不同, 若某振動方向的光幾乎被完全吸收, 則只會有平行某個振動平面的光會從晶體中穿透出來 光性均質體與非均質體依據光在寶石中運動的行為, 可將寶石礦物分為下列兩種 : (1) 光性均質體 (isotropic): 一般非晶質寶石和等軸晶系的寶石, 在各個方向上的光學性質皆相同, 即光的傳播速度或相應的折射率值不會因光波在其傳播的振動方向的不同而發生變化的物質, 稱之為均質體, 如玻璃 鑽石等 (2) 光性非均質體 (anisotropic): 中 低級晶系的寶石, 其光學性質會隨方向而異, 即光線在其中的傳播速度或相應的折射率值隨光波在傳播時的振動方向的不同而發生變化的物質, 如紅 藍寶石等 30

34 光的折射和反射 折射率 (Refractive Index, RI) 折射率可說是寶石的身份證 所謂折射率是真空中光線行進的速度與測試物中光線行進的速度兩者的比值, 這個比值稱為此物質的折射率 光線在不同的介質中行進的速度會不同, 因此使得光線在通過兩不同介質的交接面時, 改變其行進方向, 而兩介質中, 行進方向與法線所夾的角度, 分別稱為其入射角與折射角, 由折射角與入射角可以量測介質的折射率, 這個折射率值會影響寶石的外觀 折射率的數值會隨著寶石的成份不同而有所不同 因此, 在不能破壞寶石以做化學分析的前提下, 可以測量寶石的折射率來判別寶石的種類, 這可說是相當準確且相當便捷的一個鑑定方法 因此, 只要是討論寶石鑑定特性的書籍, 一定會列出不同寶石的折射率值, 此正可顯示折射率值在寶石鑑定上來說相當重要, 稱其為寶石的身份證並不誇大 而折射率也大大地影響了寶石的外觀, 折射率越高, 會使得通過寶石原石的光線折射程度越大 ; 除此之外, 折射率也決定了全反射的臨界角 單折射與雙折射 (Single/Double Refraction) 寶石呈單折射還是雙折射, 在分別寶石種類時, 是很有用的資訊 31

35 如果一顆寶石是呈雙折射者, 當一束光線通過時, 會被分成兩束 ; 從光學上來看, 這兩束光線的振動方向相互垂直, 且在雙折射寶石中的行進速度不一, 因而使其對寶石折射率相異 因此, 當使用折射計讀取雙折射寶石之折射率時, 會在量表上出現兩個讀數, 這兩個讀數之間的差值, 就稱為寶石的雙折射率 (birefringence) 相反地, 當光線通過單折射寶石時, 不會被分成兩束, 折射計上只會有一個讀數 寶石是單折射或雙折射是由其所屬晶系決定的 所有的寶石中, 除了等軸晶系及玻璃質寶石外, 其他晶系的寶石都具有雙折射 等軸晶系由於其原子堆積不具有方向性, 因而對不同振動方向的光線行進速度有相同的影響, 玻璃質寶石則由於未結晶, 各個方向的性質也相同, 同樣使得光線以相同速度通過 反之, 其餘屬於雙折射晶系者, 由於其原子堆積有方向性, 會使得不同振動方向的光線速度受到不同程度的影響, 因而產生雙折射效應 假如雙折射率差值較高, 透過晶體更可看到複影, 例如方解石與風信子石 屬於等軸晶系而呈單折射的寶石, 有鑽石 尖晶石 石榴子石等, 加上常用來仿製寶石的玻璃也是單折射者, 因而使得單 / 雙折射之區分成為寶石鑑定的重要依據 再配合對寶石色彩的辨識, 以及其他儀器的檢查結果, 便能對寶石種類做正確的推斷 許多寶石鑑定儀器都可用來檢驗雙折射, 只要其中一項儀器檢測出有雙折射效應, 便可知此為雙折射寶石 最基本的檢查方法是使用折射計, 若出現兩個讀數則知其具雙折射 而若無折射計, 可利用放大鏡來觀察, 從正面若能看到其背部刻面複影, 便可知其具有雙折射, 但是, 若寶石本身的雙折射值不大, 則其背面複影便很難觀察到 另外, 偏光鏡也是被設計用來偵測寶石雙折射的一種輔助儀器 光的全反射 (total reflection) 及全反射臨界角 : 根據折射定律, 當光波由折射率較小的介質 ( 光疏介質 ) 射入折射 32

36 率較大的介面 ( 光密介質 ) 時, 其折射光線偏向法線 ( 如下圖 ), 即 v <, 相對折射率 > 1 r v i n, sin i / sin r > 1, i > r 反之, 當光波由折射 率較大的介質射入折射率較小的介質時, 其折射光線偏離法線, 即 v >, 相對折射率 < 1 r v i n, sin i / sin r < 1, r i < ( 如下圖 ) 在下圖中, S 面為光密介質與光疏介質的分界面,O 為總光源 從光源 O 發出 OA OB OC OD OE 一系列光波向 S 面入射 其中 OA 光垂直界面, 角 i = 0, 故 r = 0, 不發生折射, AA ' 光沿 OA 原方向 射入光疏介質中 隨著光波入射角的加大, 折射角勢必不斷增大, 折射光線愈來 愈偏離法線 當光線的入射角加大到一定程度時 ( 如圖中的 OD 光 ' 線 ), r = 90, 相應的折射線 DD 將沿著界面進行傳播 如果光波的入 射角繼續增大 ( 如圖中的 OE 光線 ), 則 r > 90, 入射光將不再發生折 射, 而是全部反射回入射介質中, 且遵循反射定律, 反射角 = 入射角 ( r i = ), 這一種現象稱為光的全反射, 與 r = 90 相應的入射角則稱為全 反射臨界角 假設光疏介質的折射率為 n 1, 光密介質的折射率為 2 全反射臨界角為 ϕ, 將得出下式 : sinϕ /sin90º = n 1 / n 2 n ( n 2 > n1 ), n 1 = n 2 sinϕ 根據上式, 如果光密介質的折射率 n 2 已知, 便可根據全反射臨 界角計算出光疏介質的折射率 n 1值 鑑定寶石用的折光儀就是根據全 33

37 反射原理設計製成的 反之, 當 n 2 和 n 1值已知時, 根據上式可以計算 出全反射臨界角的值 在寶石加工中, 為了使刻面達到對光的全反射 效果, 可根據加工寶石的折射率值, 通過上述的關係式, 計算出最佳 的刻面角度 光的漫反射 (diffuse reflection) 當一束平行光線照到理想拋光平面或鏡面時, 入射光的絕大部份將依反射定律沿同一方向被反射, 且入射角與反射角相等, 這種反射稱為鏡面反射 當一束光線照到凹凸不平的物體表面時, 光會沿著不同的方向發生反射, 稱為光的漫反射 這時每一個凹面或凸面都將相對於入射光而個別構成了局部範圍內的反射界面, 這些無規律的眾多反射界面使原本沿同一方向入射的光分解成無數個細小光束並以不同的反射角反射 當物體對入射光進行漫反射時, 各反射方向的反射亮點能連成一個正圓時, 則該物體稱為完全漫反射體 而一般情況下, 大多數物體對入射光進行反射時既有鏡面反射又有漫反射, 而且鏡面反射光強度會大於漫反射光強度 光的干涉與繞射 光的干涉 (1) 干涉作用 : 波長相同 相差恒定 傳播方向相近的兩束或兩束以上的光在同一介質中相遇時, 在交疊區相互作用將產生相長增強或相消削弱的現象稱為光的干涉作用 產生干涉作用的波稱為相干波 並不是任意兩束光相遇都可發生干涉作用 能發生干涉的兩束光必須符合以下條件 : 兩束光的頻率相同 振動方向相同 相位相同或位差恒定 振動方向一致 振幅和頻率相同的兩束相干波 ( 光波 1 與光波 2) 34

38 相遇, 光波 1 的波峰 波谷與光波 2 的波峰 波谷同方向重疊, 兩束光發生干涉, 其結果是產生的干涉波具有雙倍的振幅, 該過程稱為相長增強, 光的亮度因而加強 當這兩束光波振動相位完全相反時, 即光束 1 的波峰與光束 2 的波谷反向重疊, 由於電磁場相互抵消, 光波 1 與光波 2 干渉的結果是光亮度減為零, 該過程稱為完全相消 (2) 干涉色 : 當兩單色光源相干波發生干涉時, 將產生一系列明暗條紋, 稱為干涉條紋 ; 而複色光 ( 即白光 ) 發生干涉時, 則產生由紫到紅一系列的彩色條紋 由干涉作用形成的顏色, 稱為干涉色 干涉色的具體顏色受兩束相干光的光程差所控制, 如果以白光作光源, 當光程差在 0-550nm 範圍內時, 將依次出現暗灰 灰白 黃橙 紫紅諸多的干涉色, 稱為第一級序干涉色, 其干涉色的特點是只有暗灰 灰白色而無藍 綠色 ; 當光程差在 nm 範圍內時, 將依序出現藍 綠 黃橙 紫紅色干涉色, 稱為第二級序干涉色, 其特點是顏色鮮艷, 干涉色條帶間界線較清楚 ; 當光程差約為 1100~1650nm 左右時, 將出現第三級序干涉色, 其干涉順序與第二級序一致, 但其干涉色色調比第二級序淺, 干涉色條帶間的界線已不十分清楚 ; 當光程差大於 1650nm 後將出現第四級序以至更高級序的干涉色 干涉色級序越高, 其顏色越淺, 干涉條帶之間的界線也越模糊不清 (3) 薄膜干涉 : 在日常生活中, 經常可以見到白色薄膜上的彩色條紋和玻璃窗上有了油膜時而出現的彩色條紋, 這都是由光的薄膜干涉而引起的 如下圖所示, 在薄膜干涉中, 35

39 從低層反射的光與薄層頂部反射的光相疊加 干涉而成色 對於干涉起決定作用的將是這兩束光的光程差 當光程差是光波半波長的偶數倍時, 兩束光相長增強, 當光程差是半波長的奇數倍時, 兩束光相互抵消 當兩束光為單色光時, 干涉作用僅出現明暗相間的帶 ; 當兩束光為白光時, 則出現彩色 干涉色的顏色取決於薄膜的厚度 薄膜的折射率和入射光的性質 薄膜干涉往往是薄膜呈弧形表面, 使平行入射的光線產生不同的入射角, 造成不同的波程差, 從而來滿足不同波長的光產生干涉 (4) 楔尖干涉 : 實際中, 薄膜並不一定會呈現為均一平面, 當薄膜不均勻時, 即薄膜的厚度發生變化時, 將出現楔 ( 劈 ) 尖干涉 楔尖往往具有一個平面, 平行光線以相同的入射角入射, 楔尖的作用造成不同的波程差, 從而來滿足不同波長的光產生干涉 暈彩 (iridescence) 是寶石中最常見的干涉現象, 可以由於解理或裂隙的存在而產生, 如暈彩石英 當光通過石英裂隙中的空氣薄層時發生干涉, 從薄層底部反射的光與薄層頂部反射的光相互疊加, 使本來無色的石英呈現出五顏六色的干渉色 光的繞射光波在遇到障礙物時, 偏離直線方向傳播的現象稱為光的繞射 自光源發出的光線穿過可以調節寬度的狹縫後, 在屏幕上會出現光斑 在光源 狹縫和屏幕位置相對固定的情況下, 光斑的大小由狹縫的寬度所決定 如果縮小狹縫的寬度, 光斑也會隨之變小 ; 但當狹縫的寬度再繼續縮小 ( 如約小於 10-4 m 時 ), 此時光斑不但不會縮小, 反而會增大 這時光斑的全部亮度也會發生變化, 由原來亮度均勻分布的亮斑變成了一系列明暗相間的條紋 ( 光源為單色光源 ) 或彩色條紋 ( 光源為白色光源 ), 條紋的邊界也失去了明顯的界線 這就是光的 36

40 繞射現象 繞射產生的原因是, 光在沒有障礙傳播時, 光是以平面波的形式向前推進傳播的, 當光在遇到障礙物時, 其波場中的能量分布會發生變化, 在障礙物邊緣產生的子波的相位關係被打破, 它們不再是平面波的一部份, 不再沿平行方向傳播, 而是改變其傳播方向, 同時, 一系列子波發生干涉便產生了干涉條紋 因此繞射產生的顏色效應包括了干涉 繞射是有條件的, 只有當障礙物的大小與光波的波長十分相近, 或略大於光波波長時, 繞射才能發生 單色光發生繞射時, 繞射結果產生明暗相同的條紋 ; 當白光發生繞射時, 產生的將是五顏六色的彩色條紋, 繞射效應產生的是純正的光譜色 光的繞射在寶石學中主要的應用有兩個方面, 其一, 利用光的繞射原理而設計的繞射光柵, 是寶石用分光鏡的主要構成元件之一 從廣義上講, 所謂光柵, 就是具有周期性的空間結構或光學性能的繞射屏, 利用繞射光柵製作之寶石用分光鏡可以將白光分解成線性的繞射光譜, 且光譜顏色鮮艷 其二, 利用光的繞射原理, 可解釋寶石中的一些特殊光學效應, 例如變彩效應 光柵的類型很多, 有透視光柵 反射光柵 平面光柵 一維光柵 二維光柵 三維光柵等 三維光柵解釋了蛋白石的變彩 光的散射散射是指由傳播介質的不均勻性引起的光線向四面八方射去的現象 當光線通過均勻 透明的物質 ( 如清水 玻璃 ) 時, 在側面是難以看到光線的 但是, 當介質不均勻時, 如清水中有了懸浮微粒時, 便可在側面看到光的軌跡, 即看到側光 此時介質的不均勻性是一種微觀尺度上的不均勻, 是以波長為單位來度量的 當介質均勻性遭到破壞, 且不均勻的尺度達到波長數量級時, 這些不均勻介質小塊之間在光學性質上 ( 如折射率 ) 將有較大差別 在光波的作用下, 它們將成為強度差別較大的次波源, 這時除了按幾何光學規律直線傳播的光 37

41 外, 在其他方向或多或少也有光線存在, 這就是散射光 由此可見, 不均勻的尺度接近波長的大小所引起的散射, 也可以看作是一種繞射作用 如果介質中不均勻團塊的尺度大於波長的數量級時, 散射又可看成是在這些團塊上的反射和折射 因此十分細小的微粒, 會使光波發生散射, 而較大物體, 將使光波發生反射, 邊緣部份則發生繞射 散射的強度和顏色多與不均勻微粒的大小和光的波長有關, 就可見光 (400~700nm) 而言 ;(1) 比可見光的波長小的微粒引起的散射 : 當微粒的大小在 300~1nm 左右時, 其對可見光的散射強度與波長成反比, 這類散射統稱為瑞利散射 (Rayleigh scattering) 即波長較短的藍光比波長較長的紅光之散射要強得多, 一般來說可以產生很好的藍色 - 紫色的散射, 其他波長的光被部份吸收而削弱 月光石的藍色多屬於此類散射 (2) 接近或大於可見光波長的微粒引起的散射 : 其散射強度與波長關係不大, 大多數情況下呈白色散光, 這類散射統稱為米氏散射 (Mie Scattering), 例如不透明的白色石英 只有當散射微粒大小在 1 λ ~ 2λ 之間時, 散射光才可能呈各種顏色, 主要是紅色和綠色, 這種情況寶石中比較少見, 只有極少數的具黃色 米黃色乳光的月光石可能具有此結構 有時把散射微粒大於 700nm 的散射也稱為白色米氏散射, 這種散射可使寶石產生明亮的乳光, 例如月光石 芙蓉水晶 剛玉 尖晶石和蛋白石等 光的色散 (dispersion) 當白色光通過具稜鏡性質的材料時, 稜鏡將白光分解而形成不同波長之光譜的現象稱為色散, 它是由於光在同一介質中的傳播速度隨波長而異所造成的 白光是一種複色光, 它由紅 橙 黃 綠 青 藍 紫等不同的單色光組合而成 當白光通過具有稜鏡性質的材料時, 由於不同波長的光在其中的傳播速度不同, 其折射率也會不同, 因此當光線通過射入和射出稜鏡材料這兩次的折射後, 就會把原來的白色光分解而形成不同波長的彩色光譜 其中紅色光的波長最長, 偏 38

42 離入射光方向最小, 而紫色光波長最短, 其偏離入射光方向最大 色散形成的光譜, 按各色光的偏離入射光的程度, 由紅色到紫色依次排列 色散的強弱可以用色散值來表示, 通常把材料對紅光 686.7nm 和紫光 430.8nm 兩束單色光的折射率差值規定為材料的色散值 色散值越大色散越強, 反之越弱, 這兩種波長的光分別為太陽光光譜中的 G 線和 B 線 根據色散值的大小, 可將色散劃分成不同的等級 : 極低 (0.010 以下 ) 低(0.010~0.019) 中高(0.020~0.029) 高(0.030~0.059) 極高 (0.060 以上 ) 色散在寶石中有兩種意義 其一可以作為寶石肉眼鑑定的特徵之一, 特別是在對無色或顏色較淺的寶石鑑定中有著較重要的作用 在一堆無色透明的寶石, 如水晶 黃玉 綠柱石 玻璃 鑽石中, 有經驗的寶石工作者可以根據鑽石的高色散值 (0.044) 將鑽石挑選出來, 還可以根據不同的色散值, 將鑽石與鋯石區分開來 其二, 高色散值可使寶石增添無窮的魅力 無色的鑽石之所以能成為寶石之王, 很重要的原因之一便在於它的高色散值 當自然光照射到角度合適的鑽石刻面時, 會分解出光譜色, 在鑽石表面呈現出五顏六色的火彩 有色寶石的色散往往被自身的顏色所覆蓋, 而不易表現出來, 但是高色散值同樣為有色寶石增添色彩, 例如綠色的翠榴石, 由於具有很高的色散值 (0.057), 看上去會比綠色玻璃還艷麗得多 具高色散的寶石有 : 錳鋁榴石 (0.027) 人造釔鋁榴石(0.028) 鋯石 (0.039) 鑽石(0.044) 榍石(0.051) 翠榴石(0.057) 合成立方二氧化鋯 (0.065) 人造鈦酸鍶(0.19) 合成金紅石(0.28) 影響寶石火彩的因素還有體色 淨度和切工比例等 寶石的光率體 這是一個較複雜的光學性質, 但需加以瞭解 : 39

43 光率體 (indicatrix): 光率體是光在晶體中傳播時, 光波的振動方向與折射率值關係的立體圖形 光率體分為均質體的光率體 單光軸 (uniaxial) 光率體和雙光軸 (biaxial) 光率體 首先我們需瞭解光軸 (optic axis) 光軸是指在光性非均質體晶體中, 當光波在其中某一或某些方向傳播時, 不發生雙折射, 也不改變入射光光波的性質和振動方向的特殊方向稱光軸 它指的僅是進入方向而不是指單一的一條線 此外, 光率體可分為三類 : (1) 均質體的光率體 : 指非晶質和等軸晶體的寶石均為光性均質體 即在各個方向上振動的光波, 速度相同, 折射率值也相等 其光率體為一個圓球體, 它僅有一個折射率值, 球體的半徑代表該寶石的折射率大小 (2) 單光軸光率體 : 是一個以直立軸為旋轉軸的橢圓球體 它可有二個折射率值, 分別為 N O 與 N E 光線在單光軸寶石礦物內將出現兩個振動方向相互垂直的偏振光, 一個稱為平常光 (ordinary ray), 平常光在垂直晶體 c 軸的平面上振動, 並以等速前進, 它的折射率為一定值 N O 另一個稱為異常光(extraordinary ray), 它在包含 c 軸的平面上振動, 它的速度會隨入射光的方向而有所變化, 其折射率值為 N E 兩個折射率之差值稱為雙折射率差 (birefringence) 只有當光線沿著 c 軸方向進入晶體時, 會出現如同進入均質體一樣, 各個振動方向的速率與折射率值都一樣, 這個 c 軸方向就是該晶體的光軸方向 所有六方與正方晶系的寶石礦物都是屬於單光軸的晶體 (3) 雙光軸光率體 : 是較為複雜的而且是一個三軸不等長的橢圓球體 其中, 光線沿著兩個方向進入晶體時, 會出現如同進入均質體一樣, 各個振動方向的速率與折射率值都一樣, 這兩個方向就是該晶體的光軸方向, 因為這些晶體具有兩個光軸, 因此稱為雙光軸 除了這兩個方向之外, 一光線在雙光軸寶石礦物內也將出現兩個振動方向相 40

44 互垂直的偏振光 一般的雙光軸的晶體都有三個折射率值, 包括斜 方 單斜與三斜晶系的晶體都是屬於雙光軸 多色性 (Pleochroism) 介紹 : 除了以上這些直接檢查雙折射效應的儀器之外, 由於雙折射寶石必具有多色性, 因此若能以二向色鏡觀察到寶石具有多色性, 則可間接證明所檢測者為雙折射寶石 寶石的多色性可驗證其雙折射, 且會使寶石的色彩多了些變化 多色性是由於寶石的雙折射而產生的 當一束光線通過寶石時, 由於雙折射而被分成兩束光線時, 這兩者不僅其行進速度不同, 且其被吸收的色光頻率程度也會不同, 因此, 射出寶石外的, 會是兩不同顏色的光線 這個特性就稱為寶石的多色性 多色性其實分為二色性 (dichroism) 與三色性 (trichoism) 具有二向色性的寶石會在二向色鏡的觀察下, 看到二種主要的不同顏色, 而具有三色性的寶石則會看出三種不同的顏色 不過, 實際上並沒有準確的規則, 讓使用者確認到底看到三種還是兩種顏色, 只要能看出顏色有所變化, 便稱其具有多色性 但從嚴謹的學理上來說, 屬於正方 六方晶系的礦物是具有二色性的 而屬於斜方 單斜 三斜晶系者則應具有三色性 但不論如何, 多色性是只有雙折射寶石才具備的, 因此, 只要檢測到寶石的多色性, 便能確認其是雙折射寶石 若寶石具有強烈的多色性, 單只憑肉眼的話, 則從不同角度觀察寶石時, 就會看到不同的顏色 但是, 一般來說, 多色性是較難用肉眼辨識出來, 得要借助二向色鏡才能觀察的到 而有些種類的寶石, 41

45 其多色性弱到即使在二向色鏡下也很難觀察到, 這時就得借助其他方法來確認寶石的雙折射性了 多色性的成因是寶石的雙折射, 但這並不是說, 寶石的雙折射值大者, 其多色性就會強烈 決定多色強烈與否的因素, 是寶石晶體對雙折射光線分別吸收的色光差異如何 差異越大者, 自然呈現較強的多色性 以具強烈多色性而聞名的寶石, 有堇青石 (iolite) 磷灰石 (apatite) 電氣石(tourmaline) 等 透光度 (Light Transmission) (1) 寶石透光度 : 寶石的透光度是指寶石允許可見光透過的程度 大多數的寶石或多或少會透光, 透光程度決定於寶石表面的反射 內部吸收與散射能力 有關寶石透光程度的描述, 有透明的 (transparent) 次透明的 (semi-transparent) 半透明的(translucent) 與次半透明的 (semitranslucent) 若透過晶體可明顯分辨出物體者稱此晶體為透明的 若透過晶體時無法明顯分辨物體輪廓時稱為次透明的 若光線可穿透但完全無法分辨後面的物體者稱為半透明的 若光線只能從晶體的薄處穿透者稱為次半透明的 ; 若從薄處也無法使光線穿透者稱為不透明的 (opaque), 具有金屬光澤者幾乎都是不透明的晶體 (2) 影響寶石透明度的因素 : 寶石的透明度取決於寶石對光的吸收因數 吸收因數越大, 透明度越低 而吸收因數的大小則與寶石內部的晶格類型有關 不同的晶格類型具有不同的吸收因數, 從而表現出不同的透明度 金屬晶格內部存在著大量的自由電子, 自由電子的躍遷對光有明顯的吸收, 所以具有金屬晶格的寶石礦物, 如赤鐵礦, 透明度很低, 幾乎不透明 而 42

46 原子晶格和離子晶格內, 往往缺失自由電子, 對光的吸收能力相對較弱, 因此具有較高的透明度 鑽石具有典型的原子晶格, 可有很高的透明度 此外, 寶石的透明度還受厚度 自身顏色 顆粒結合方式 雜質 裂隙等因素的影響 (a) 厚度對透明度的影響同一品種不同厚度的寶石表現的透明度不同 厚度越大透明度越低 這是因為隨著寶石厚度的增大, 光在寶石中穿越的路程越長, 寶石對光的吸收越大, 也就是說入射光的光能消耗越大, 寶石的透明度越弱 (b) 顏色對透明度的影響同一品種且同一顏色系列的寶石, 顏色越深, 透明度越低, 這是由顏色成因決定的 在晶體場中不同能階的電子躍遷可產生不同的顏色, 而參與同一能階躍遷的電子數的多少則決定顏色的深淺, 因此參與同一能階躍遷的電子數越多, 對入射光能量消耗越多, 寶石的顏色就越深, 相應的透明度就越低 (c) 雜質對透明度的影響寶石中常含有一些細微的雜質, 如晶體包裹體 氣液包裹體或裂隙等 由於包裹體等雜質的折射率與主體寶石折射率的差異, 入射光在主體寶石與其包裹體的接觸處發生折射 散射等, 使通過寶石的光強度降低, 從而使透明度降低 以乳白色石英為例, 當無色透明的石英晶體中含有豐富的細小的氣液包裹體時, 這些細小的氣液包裹體對入射光產生折射 散射, 使原本透明的晶體呈現半透明的乳白色 (d) 集合體結合方式對透明度的影響寶石多為單晶礦物, 而玉石則為單礦物的集合體或多礦物的集合體 同一種屬的寶石礦物單晶體之透明度高於集合體的透明度, 如無色純淨的水晶清澈透明, 而微粒石英的集合體 ( 即石英岩 ) 則表現為半透明至近不透明 這是因為當入射光進入礦物集合體時, 光線在礦物集合體顆粒的邊緣發生了折射 散射, 使部分光損失而造成集合體的透明度降低 礦物集合體如玉石的透明度受其組合礦物粒度 顆粒邊緣形態 顆粒邊緣結合方式等因素的影響 礦物粒度越不均勻, 排列越雜亂, 顆粒邊緣越不平直, 則對 43

47 光的折射 散射作用就越強, 透明度也就越低 這也是我們看到玉石 材料很少有高透明度的原因 光澤 (Luster) 所謂光澤可以解釋為物體表面反射光線的質與量 光澤與晶體的表面平滑度 折射率及對光線的吸收率有密切的關係 對一平滑表面反射光強度 I 與入射光強度 I 0 之比 R 稱為反射率 (reflectivity), 根據 Fresnel 公式, 光線垂直入射時 : R = I / I0 = (n 1) 2 + n 2 k 2 / (n+1) 2 + n 2 k 此公式中 n 為物質折射率,k 為吸收指數 (absorption index),k 與吸收係數 (absorption coefficient) 成正比 對透明晶體而言,k=0, 以鑽石為例, 其折射率為 2.42, 代入上式, 可以求出鑽石的反射率高達 17%(0.172) 一般折射率低的物質, 反射率只有幾個百分點 (n=1.5 時,R=4%) 呈現玻璃光澤 (vitreous luster) 如石英 折射率高的共價鍵晶體如鑽石等, 呈現金剛石光澤 (adamantine luster) 黏土礦物表面粗糙, 對於入射光只具不諧調的漫射, 故呈現暗淡光澤 (dull luster) 至於絲絹光澤有纖維石 (satin spar, 一種纖維狀石膏 ) 等 晶體出現解理面時, 由於光的干涉容易產生珍珠光澤 (pearly luster) 如雲母 以上的幾種光澤又統稱為非金屬光澤 至於吸收指數大的金屬物質, 多半呈現金屬光澤 光澤以下可分為 : 金屬光澤 - 多數是不透明或透明度很低的礦物, 它們對光線具有最強的反射能力, 因此, 常造成光亮耀眼的光澤, 如黃鐵礦 但具有金屬光澤的寶石甚為稀有 半金屬光澤 - 如未經磨光的金屬表面般所呈現的光澤, 磁鐵礦屬之, 其反射能力介於金屬與非金屬光澤之間 金剛光澤 (adamantine)- 如鑽石 鋯石 金紅石等對光線反射能力較強 折射率高的寶石物所產生的光澤, 是透明寶石中光澤最強者 2 44

48 玻璃光澤 (vitreous)- 屬於此種光澤的寶石礦物最為常見, 如剛玉 石英 長石 電氣石等 此外, 反射光受到寶石的顏色 表面平坦程度等因素影響, 常會呈現出一些特殊的變異光澤, 諸如 : 油脂光澤 (greasy)- 玉 珊瑚等集合體屬於此種油狀外觀, 而石英的晶面為玻璃光澤, 但其斷口則為油脂光澤 樹脂光澤 (resinous)- 琥珀為典型代表, 而閃鋅礦之不平坦面上, 也會出現樹脂光澤 絲絹光澤 (silky)- 細小呈平行的纖維狀集合體之礦物, 如石棉 纖維石膏 虎眼石英等 珍珠光澤 (pearly)- 如貝殼凹面上所呈現的光澤, 尤其是平行於解理面者 具此種光澤者以珍珠為典型代表, 此外白雲母 滑石 月光石等也會呈現珍珠光澤 蠟狀光澤 (waxy)- 其光澤類似於蠟燭或未拋光的指甲, 光線幾乎不被反射 45

49 寶石的發光性 寶石礦物的發光性是指寶石在外來能量激發下, 發出可見光的特性 而激發發光的因素有摩擦 加熱 紫外線 X 射線 陰極射線等, 寶石界則是以紫外線光源最具有實用的價值 螢光 : 物質在受外界能量激發時發光, 而當激發源撤除後發光現象立即停止, 該現象稱螢光 如一些鑽石在紫外線下 ( 長波 ) 會發出淡藍白色螢光 磷光 : 即物質在受外界能量激發而發光, 當激發源撤除後仍能在短時間內繼續發光的現象 如某些螢石在受熱後, 會發出 ( 一定時間內 ) 磷光 寶石的發光性主要是由於其晶格中一些微量元素的存在, 這些微量元素的種類和含量是有一定規律的 紫外線為微量雜質元素 ( 尤其是過渡元素 ) 或結構缺陷所吸收, 並釋放出可見光 過渡元素的陽離子, 其電子受激發而躍遷至較高能階, 但因為激發的能量以熱量方式散失, 因此跳回原基態時能量將減少, 相當於波長較長的可見光波段 因為不同的離子吸收光的波段各有所不同, 因此通常會使用兩種不同波段的紫外光源以產生螢光反應 我們常使用的短波段紫外線 (SWUV) 與長波段紫外線 (LWUV) 的波長分別是 與 365.4nm 寶石的發光性對寶石鑑別有如下的意義 : 1. 可利用發光性質來鑑定某些寶石, 如天然與合成鑽石在陰極射線下的發光性質是不同的 在鑑定 CZ 時, 也可利用長短波紫外線, 該寶石在這種條件下的發光現象與鑽石絕對不同, 可以此加以區別 2. 某些寶石若具有磷光, 其價值就可上揚, 例如螢石 石膏 寶石的顏色 何謂顏色? 46

50 顏色是指一定波長的電磁波輻射, 當這種電磁波進入人眼刺激視神經時, 使產生了顏色的感覺 電磁波譜是一個包括了全部波長, 即從最長的無線電波到最短的宇宙射線的完整波譜 可見光光譜是整個電磁波譜當中, 人們能用肉眼所能感到的一段光譜, 即 nm 範圍 ( 也就是人們常說的紅 橙 黃 綠 藍 靛 紫 ) 顏色與光譜有一特點, 那就是除了黃 (572nm) 綠(503nm) 藍 (478nm) 的顏色不受光強度影響之外, 其餘顏色在光強度增加時, 都可略向紅色或藍色偏移 而人眼則在 540nm 附近及可見光譜兩端具較高的分辨能力 寶石顏色的分類 : 寶石的顏色是寶石對不同波長的可見光相互作用的結果 一般情況下, 我們看到某一寶石的顏色, 是由於寶石自身的致色因質對光源的不同波長或能量具有不同程度的選擇性吸收和透射或反射所致 當光照射到寶石上, 部分被反射, 部分被吸收, 部分則透過 透明的寶石以透射光為主, 兼有對光的反射, 顏色主要由透過的光譜組成所決定 ; 不透明寶石以反射為主, 兼有透射和吸收, 顏色則以反射光譜為主 例如 : 我們看到的一粒紅寶石的色調為紅色, 是因為紅寶石中雜質鉻離子以不同程度選擇性吸收了光源中黃綠光和藍紫光, 而透射出橙 紅光及部分藍光 ( 未被吸收的殘餘能量的組合 ) 寶石的顏色可分為非彩色系 彩色系兩類 (1) 彩色系 : 指太陽光譜中的各單色光及其白光, 彩色除了有亮度差異, 還有色彩和飽合度的差異 寶石對不同波長的可見光進行選擇性吸收時, 寶石就有了各種顏色, 所呈現的顏色是殘餘光中各色光的混合色, 絕大部分寶石屬彩色系列 (2) 非彩色系 : 指由白色 黑色及它們之間過渡的灰色系列, 稱為黑白系列 純白色反射率為 100%, 純黑色為 0 非彩色只有亮度 47

51 的差異 當反射率達到 80%~90% 以上時呈白色, 吸收率在 80%~ 90% 以上時呈黑色, 介於二者之間呈灰色 非彩色系列的寶石有無色 鑽石 無色水晶 無色長石, 還有黑瑪瑙 黑曜石等 寶石顏色的成色機制 : 即當寶石對不同波長的可見光做選擇性吸收時, 寶石就有了各種顏色, 而所出現的顏色是剩餘的光之中各種色光的混合色, 其所占比例最大的色光決定了寶石的顏色主色調, 次要波段的光決定了寶石的輔色調 以紅寶石為例來說明 : 當白光入射時, 大部分波長的光波被吸收, 僅有 nm 和 480nm 左右的光可透過, 所以 nm 波段的光決定了紅寶石以紅色為主色調 ; 而 480nm 的光為輔色調 使之出現紫色 所以我們常描述紅寶石為紫紅色 顏色的成因顏色的成因可分為二種 : A. 傳統的寶石顏色成因論 : 主要基於寶石的化學成分和外部構造特點, 而將寶石的顏色分為自色 它色 假色三種 : 1. 自色 (idiochromatic): 由寶石化學成分中主要元素所引起的顏色, 自色相對穩定 其種類不多, 如綠松石 孔雀石 藍銅礦 均由 Cu 2+ 主要元素所引起, 但因晶體結構各有不同, 不同可見光波段的選擇性吸收使這三種寶石之外觀顏色稍有差異 2. 他色 (allochromatic): 主要組成的元素並未能呈色, 若無雜質元素存在時, 此寶石應呈現白色或透明無色 若寶石中因含有微量雜質元素而呈色, 則稱為他色 這類寶石較多, 例如紅寶石 藍寶石 祖母綠 黃水晶等 48

52 3. 假色 : 是由寶石內部特殊的色體 結構以及其他物理特性引起, 這種使寶石呈現的顏色是與化學成分沒有直接的關係, 例如淡藍色的月光石 B. 近代科學對寶石顏色成因的解釋近代人們認為寶石的顏色是取決於其內部的結構, 人們從晶體場論 分子軌道理論或能帶等理論的角度來揭示寶石顏色的成因 物質或寶石所呈現的顏色, 主要是光波與物質的物理作用, 配合人視覺以及腦細胞詮釋的結果 因此沒有光源, 物質就顯現不出顏色, 藍天白雲與碧綠的草地在沒有月亮的夜晚, 都成為黑暗的一片 同時不同的光源 ( 比方太陽光源與紅熾燈光源 ) 照射在同一物質上, 也可能呈現不同的顏色, 所以俗語說 燈下不辨色 俄國沙皇亞力山大二世所配戴的寶石 - 著名的亞力山大石 ( 就是變石, 是含有鉻元素金綠寶石, 白天它是綠色的寶石, 晚上則變為紅色, 就是不同光源照射的結果 太陽光譜中, 人類可以看見的所謂 可見光 範圍大約從波長 7000 埃的紅光到 4000 埃的紫光之間 可見光若用能量的單位來表示, 大約從 1.76eV 的紅光到 3.1eV 的紫光之間 從可見光譜中可以發現紅光波長範圍最大, 紅光以下依次為橙色波段 黃色波段 綠色波長 藍色波段 靛色波段及最後的紫色波段, 稱為太陽的七色光 不同波段光組合產生不同的顏色, 所有波段混合在一起則為白光 陽光照射在物體上, 若所有光波都被吸收, 則沒有光從該物體放射出來, 物體看起來是黑的 ; 如果部份波段被吸收, 另外部份波段放射出來, 則可以看到放射光波波段所組成的顏色, 假如所有進入物體的波段都放出來, 物體則呈現白色 除了蛋白石的顏色是由光的繞射作用產生外, 大部份晶體成色原理與晶體內部電子因能階躍升而吸收部份可見光有密切的關係 電子可以藉著吸收外來能量而躍升到較高能階上的現象 如果兩能階之能差在 3 個 ev 以內的可見光範圍時, 電子即可吸收可見光適當能量的 49

53 波段而產生躍升現象, 當然這時候該物質即會呈現出剩餘波段所組合成的顏色 ( 被吸收波段顏色的互補色 ) 電子能階之間的能量差, 決定電子吸收的光波波長 ( 能量的大小 ), 而能階之變化又決定於晶體之結構 近代科學家對寶石顏色成因有以下不同的解釋 : (1) 晶體力場成色 : 許多離子鍵晶體的顏色是導源於過渡元素 ( 如 V Cr Mn Fe Co Ni 等 ) 或稀土元素, 因為這些原子各有未填滿電子的 d 軌域及 f 軌域, 提供電子躍升的機會 在與陰離子結合形成晶體時, 由於靜電力場作用, 陽離子中原本是單一能量的 d 軌域 ( 或 f 軌域 ) 電子能階分裂為數個不同能量的能階, 稱為晶體力場 (crystal field) 效應, 分裂能階的位置決定於陽離子的種類 陽離子的配位 ( 陰離子所形成的 ) 多面體對及鍵結強度等因素 這些能階常以文字及數字之符號來表示, 其間的能量差與可見光能量相當, 因此未配對的配子可以吸收部份可見光而使晶體產生顏色 如紅寶石 (ruby) 是無色的剛玉 (A1 2 O 3 ) 因夾雜少量 (~0.1 wt%) 三價鉻離子 (Cr 3+ ) 而造成它美麗的紅色 Cr 3+ 離子在剛玉結構中取代 A1 3+, 電子從基態躍升到激態時吸收了紫光及綠光 - 黃光附近的兩個波段, 形成 Cr 3+ 的兩個吸收帶, 剩餘的是藍光及紅光未被吸收, 由於人眼對紅光較為敏感, 所以看到的紅寶石是紅色的 另一方面, 祖母綠 (emerald,al 2 Be 3 Si 6 O 18 ) 的高貴綠色也是源自 Cr 3+ 的吸收所造成的 祖母綠中的 Cr 3+ 雖然也是取代 A1 3+, 但是祖母綠中 Cr-O 鍵結的離子鍵成份不如紅寶石那麼高, 也就是說祖母綠中的 Cr 3+ 晶體力場比在紅寶石中稍微小一些, 造成 Cr 3+ 激態能階 (4T 1,4T 2 ) 吸收了紫光及大部份的黃光 - 紅光波段, 所以所看到的祖母綠是綠色的 至於變石, 則是由 Cr 3+ 離子取代綠寶石 BeAl 2 O 4 中的三價鋁離子 不過由於金綠寶石的結構, 環繞 Cr 3+ 的晶體力場正好比紅寶石弱而比祖母綠強, 因此 Cr 3+ 的兩個吸收帶的位置正好使得穿透的綠光與紅光一樣明顯 這種綠光與紅光穿透平衡的結果造成變石變色現象 : 在白天陽光照射下, 變石是藍綠色的 ( 日光的可見光部份雖然包含了 7000 埃到 50

54 4000 埃的範圍, 但是強度最大的波段卻集中在綠光附近 ); 而在夜晚紅熾燈之下, 變石便呈現出混合的紫紅色 ( 紅熾燈的溫度在 2000 附近, 因此此其光譜集中在紅光波段 ) 以上所討論經由吸收可見光而使晶體著色的過渡元素或稀土元素主要是以微量形式存在於晶體中, 而非該結晶之主要成份 這類元素如果本來就是晶體中的正常成份之一, 自然也一樣具有成色的效果 如橄欖石中的過渡元素是二價鐵離子 Fe 2+, 它的吸收帶在紅光波段, 所以橄欖石呈現紅光互補 - 綠色 (2) 色心成色 : 色心 (color centers) 也會引起電子能階躍升, 吸收可見光而使晶體產生顏色 如螢石 (CaF 2 ) 結晶體構造中, 每個鈣原子與八個氟原子鍵結形成 CaF 8 的配位正立方體, 如果其中一個氟離子因故消失 ( 消失原因很多, 如生長過程中氟含量不足, 或受到電場作用或受到高能量放射線撞擊等 ) 便產生了氟的空位, 保持電性平衡, 一個電子可以進駐在這個空位上, 這時我們說形成了一個 色心 這個電子可以佔在氟離子的位置, 是因為附近離子的晶體力場提供電子可佔用的能階, 若這個電子在這些可佔用能階之基態躍升, 則會吸收部份的可見光, 而使螢石產生了各種的顏色 這種因為電子佔據陰離子空位的 色心 稱為電子色心 另外一種色心是電洞色心, 如紫水晶就是個例子 : 部份石英含有三價鐵 Fe 3+ 離子取代 Si 4+ ( 通常伴有鹼金屬或氫等一價離子以補充電價之不足 ), 由於三價鐵離子對氧離子之引力小於四價矽離子, 因此與鐵離子配位的氧離子中的電子有機會因為受到中子 X 光或 γ 射線照射而脫離, 形成一個電洞, 剩下的電子成為未配對電子, 可以吸收可見光的長波部份而使石英呈現紫色, 是為紫水晶 煙水晶墨色也類似紫水晶是由電洞色心所造成, 不過其電洞色心是由於 Al 3+ 取代 Si 4+ 形成的 (3) 電子移轉成色 : 電子由一個離子移轉到另一個離子時所引起的光譜吸收, 也會讓 51

55 晶體產生顏色 藍寶石是含有少量鐵及鈦雜質的剛玉 鐵及鈦在剛玉 中都是取代鋁原子的位置, 而鐵離子與鈦離子又都可以有兩種電價, 因此這兩樣離子可以 Fe 2+ + Ti 4+ 或 Fe 3+ + Ti 3+ 姿態佔據兩個鋁原子的 位置上, 後者能階較前者略高出 2eV 所以當一個電子由鐵離子移轉到鈦離子時, 也就是 : Fe 2+ + Ti 4+ Fe 3+ + Ti 3+ 電子會吸收黃光到 紅光波段的部份, 使得藍寶石呈現深藍色 此外, 礦物光學性質之一的多色性 (pleochroism-dichroism) 也和電 荷移轉 (charge transfer) 有關, 如電氣石晶體在入射光 ( 偏振光 ) 振動方 向平行於 c 軸時, 吸收最少, 但當入射光振動方向垂直於 c 軸時, 吸 收最強, 造成強烈的多色性 (dichroism) 根據紐南 (Newnham) 的解釋, 2+ 原來兩種電價的鐵離子,Fe 及 Fe 3+ 位於 (001) 面上共邊相連的八面體 之中, 當光波振動方向垂直於 c 軸時, 電子由一個八面體跳躍到另一個八面體, 也就是 :Fe 2+ Fe 3+ 這種電荷移轉引發了強烈的光譜 吸收 當光波振動方向平行 c 軸, 亦即垂直於 (001) 時, 上述電荷移 轉的發生機率便小得多了, 所以吸收很小 (4) 能帶成色 : 還有一種因為電子躍升所帶來的光譜吸收成色原理是所謂的 能 隙 (energy gap) 間的電子躍升 一種稱為能帶論 (energy band theory) 的學理, 把晶體中的電子能階分為兩大能帶 (energy band): 一為導帶 (conduction band), 一為價帶 (valence band), 兩能帶間的能量差稱為 能帶間隙 (energy band gap), 簡稱能隙 能隙的大小與晶體的構造有關 如不含雜質的鑽石, 其能隙約為 5.4eV, 價帶中的電子要躍升至導帶必須吸收紫外光中的部份波段, 可見光部份不被吸收而完全通過, 所以純鑽石是透明無色的 硫化鎘 晶體 (CdS) 的能隙只有 2.6eV, 價帶原子吸收藍光及紫光波段而躍升到 導帶, 造成硫化鎘的黃色色調 辰砂 (Cinnabar,HgS) 的能隙為 2.1eV, 價帶原子吸收可見光中的大部份, 只剩下紅光, 所以辰砂呈現紅色 如果晶體能隙更小時, 則可見光完全被吸收而呈現黑色 前面說過無 52

56 雜質鑽石是透明無色, 鑽石中若含有微量氮元素取代鑽石中的碳原子, 根據那索 (Nassau) 的研究, 由於氮比碳多一個電子, 這個電子在能隙中形成一雜質能階, 其能階高出價帶 1.4eV, 距離導帶仍有 4eV 之多, 由於該能階是一甚寬的 能帶, 所以可以吸收少部份紫光, 造成含氮鑽石淡淡的黃色色調 在另一方面如果硼元素進入鑽石結構中, 硼元素比碳元素少一個電子, 會在能隙中以 0.4eV 高出價帶為中心, 形成一個甚寬的電洞 能帶, 因此價帶電子可以吸收長波段的光波而躍升到電洞帶, 造成含硼鑽石的美麗藍色 鑽石可分為 Ia,Ib,IIa 及 IIb 四類, 只有極為稀少的 IIb 鑽石才是含硼的藍色鑽石 ( 平均大約一百萬顆鑽石中才會有一顆 IIb 鑽石 ) 大部份金屬的價帶與導帶重疊, 位於費米面 (Fermi level) 的電子可以吸收所有的可見光波段, 因此金屬一般都是不透光的 (opaque), 同時吸收可見光而躍升的電子常會立刻釋放光能而跌回至原來的能階上, 所以金屬看起來呈現閃亮的金屬光澤 (metallic luster) 金屬雖然都具金屬光澤, 但是銅和鐵的顏色看起來還是明顯地不一樣, 是因為各金屬費米面以上的激態能階密度並不相同, 而不同的金屬對不同波段光波的吸收特別有效, 因而造成不同的色澤 (5) 機械混合成色 : 有些寶石礦物包含著其他礦物的包裹物, 因此其外觀顏色是由於兩種不同物質相互混合而成的, 這種現象在石英晶體中較為常見 如紅玉髓呈現紅色的原因是微小石英顆粒與紅棕色的赤鐵礦混合在一起所造成, 藍玉髓則是因為含有藍綠色的矽孔雀石, 綠色水晶則是內部含有片狀的綠泥石所致 此外, 白色的方解石中混含有碳物質時會呈現黑色 寶石的特殊光學效應 53

57 前面談到了光的折射 反射 干涉 繞射等作用, 這些作用在 寶石中引起了一起特殊的光學效應, 其中主要的光學效應有貓眼效 應 星彩效應 變彩效應 變色效應等 貓眼效應 (Chatoyancy) 一 定義在平行光線照射下, 以弧面形切磨的某些珠寶玉石表面呈現的一條明亮光帶, 該光帶隨樣品或光線的轉動而移動的現象, 稱為貓眼效應 二 貓眼效應產生的機理產生貓眼效應的條件 :(1) 寶石內必須具備一組密集 平行定向排列的纖維狀 針管狀或片狀包裹體或某些特殊的結構 ( 如固溶體出溶結構 );(2) 弧面形寶石的底平面應與包裹體所在平面平行 ;(3) 弧面型寶石的高度與反射光焦點平面高度相一致, 並要注意使亮線平行於寶石的長軸 貓眼效應是由寶石及寶石內的一組密集 平行定向排列的包裹體或定向結構對可見光的折射和反射作引起的 如下圖所示, S 面為包含包裹體的 N M, 並垂直貓眼 眼線 的弧面形寶石的縱切剖面 來自光源的光線照到寶石上時將發生以下幾種情況 : (1) 沿 O 點入射的光線, 即沿 N M 的法線入射的光線不發生折射而直接進入寶石 (2) 沿 a b 兩點的入射光發生分解, 部分光被折射進入寶石, 遵循光從光疏進入光密介質時偏向法線方向折射的規律進行折射 從 a b 兩點進入寶石的折射光均靠向自身的法線方向, 即造成靠向 N M 的法線 OO ' 的方向折射 (3) 從 a b 兩點進入寶石的光在抵達包裹體 N M 上的 Ga Gb 兩點時再發生分解, 部分光被折射出 N M 面, 另一部份光被反射再次抵達弧面形寶石的表面 54

58 (4) 受弧面弧度的影響, 相對來說由 Ga 點到 Gb 點的入射光的入射 角是逐漸加大的 根據反射定律, 反射角等於入射角, 入射 線 反射線及法線均處理同一平面內, 因此 Gb Ga 兩點處的 光反射角 r > r Gb Ga 光相交於 S 平面內的一點, 兩束反射光共處於 S 平面內, 並使得這兩束 (5) 以此類推, 進入弧面另一側 a ' b ' 兩點的光線同樣經反射並相 交於一點 當弧面形寶石的高度合適時, 這四條反射光線可 相交於弧面上一 點 當寶石內平行 排列的包裹體十分 豐富時, 由包裹體 產生的反射光在弧 面形寶石表面相交 點的軌跡便形成了 貓眼的眼線 三 弧面形寶石的高度與 眼線 寬度的關係具有貓眼效應的寶石, 其 眼線 出露的寬度和亮度受寶石自身折射率及弧面形寶石的高度的影響 對於某一特定寶石來說, 其折射率值是固定的, 因此從包裹體反射回來的反射光焦點平面的高度也將是一定的 ( 如下圖 (a)) 只有當弧面形寶石的高度與反射光焦點平面的高度相一致時, 寶石的 眼線 才能表現為一條窄而亮的光帶 當弧面形寶石的高度低於反射光焦點平面時, 寶石的 眼線 則表現為一條寬而稀疏的帶, 光帶亮度降低 一般來講, 寶石折射率越高, 包裹體反射光的焦點平面越低, 因此具有貓眼效應的寶石, 折射率較高者其孤面高度可以相對較低, 而折射率較低的寶石其弧面高度要相對增高, 這樣才能使貓眼效應表現得更明顯 ( 如下圖 (a) (b)) 55

59 四 眼線擺動的原因具有貓眼效應的寶石, 隨著寶石的擺動, 眼線 也跟著擺動, 只是 眼線 會沿光源的反方向移動 這是因為隨著光源從寶石頂部向側面移動時, 相對法線來講, 光線的入射角不斷加大, 與此相伴隨的反射光角度也增大, 反射光的焦點平面發生相應移動所致 五 錯誤的加工導致眼線不正的原因當弧面形寶石的底面與包裹體所在平面不一致而發生傾斜時, 包裹體反射光的焦點平面向弧面形寶石的一側移動 所以當弧面形寶石水平放置時, 眼線 位置並不在正中央 ( 如上圖 (c)) 六 具貓眼的寶石在自然界中具有貓眼特徵的寶石並不多見, 具有貓眼效應的有金綠寶石 電氣石 海藍寶石 月光石 軟玉 方柱石 水晶 透輝石等, 其中以蜜黃色金綠寶石貓眼的價值最高, 而台灣花蓮豐田所產的軟玉部分也具有貓眼特性, 是謂 貓眼閃玉 虎眼石 (tiger s-eye) 與貓眼石類似的光學反應, 虎眼石中的光芒乃是纖維狀青石棉 (crocidolite) 被石英所置換, 而且其中的纖維狀組織被保留下來所造成的 星彩效應 (Asterism) 一 定義在平行光線照射下, 以弧面形切磨的某些特殊珠寶玉石表面呈現出兩條或兩條以上交叉亮線的現象, 稱為星彩或星光效應 每條亮帶稱為星線, 通常有二條 三條或六條的星線, 可分別稱其為四射 ( 或十字 ) 六射星線或十二射星光 星彩效應多是由於內部含有密集平行定向排列的兩組 三組或六組包裹體所致 56

60 二 星彩產生的條件及形成機理 能產生星彩的寶石須含有二組或二組以上定向排列的包裹體或 定向排列的內部結構, 且弧面形寶石的底面與這些包裹體或結構所在 平面平行 星彩效應的形成機制與貓眼效應形成的機制是一樣的, 是 寶石及寶石內定向包裹體或結構對可見光的折射和反射作用引起 的 所不同的是, 在星彩效應中的包裹體或結構已不再局限於在一個 方向上, 這些包裹體是按一定的角度分布著, 星彩效應是幾組包裹體 與光作用的綜合結果 紅寶石礦物名稱為剛玉, 屬於三方晶系, 晶形 常呈六方柱狀, 在垂直結晶軸 Z 軸的平面內常含有三組呈細針狀的金 紅石包裹體, 相互之間以 60 角相交 將星彩寶石中的星線分解來看, 情況就會簡單得多 從下圖可 知, 每一條星線的形成機制與貓眼效應中的眼線形成是一樣的, 也就 是說, 圖中每個方向的包裹體可以由折射 反射作用在弧面形寶石的 表面形成一條亮的光帶, 光帶的延伸方向與形成它的包裹體的排列方 向垂直, 即 R 1光帶是由 r 1方向之包裹體所產生的, 同樣, R 2 方向的星線是由 r 2 方向的包裹體所產生, R 3 方向的星線則由 r 3 方向的包裹體所 產生 在紅寶石中, r 1 r 2 r 3 三個方向的金紅石相互之間相交成 60 角, 因此在垂直 Z 軸的平面內 r 1 r 2 r 3 三個方向的金紅石的排列可以想像成為一個等邊三角形的三個邊, 而由它們所形成的三條亮帶則 可以想像成為等邊三角形各邊的垂直等分線 根據三角形的垂直平分 線定理, 這三條亮帶必相交於一點, 在切工完美的星光寶石中, 此交 點佔據在弧面形寶石的最高點, 三條亮帶相交後, 則成為由交點發出 的六條星線, 隨著光源的轉動, 交點將會作反方向的轉動 57

61 產生十二射星彩的原因是存在上述兩套星光之組合, 例如大陸山 東出產的雙重星彩藍寶石, 就是由兩組六射星彩所組成, 兩組星光是 以 30 角交叉, 構成十二射星彩 當兩組星彩的顏色相同時, 則光帶 的強度可以相同或交替改變 兩組星彩有時顏色會不同, 比較常見的 組合有黃 - 綠 黃 - 棕 黃 - 藍 黃 - 綠等 星光紅寶石與藍寶石都是很名貴的寶石品種 此種屬於六方晶系 的寶石, 除需具有特定方向的內含物外, 還應沿著垂直長軸 (c 軸 ) 方 向截斷選料, 才能磨出星彩光芒 此外, 透輝石 石榴子石 玫瑰石 英等也可出現星彩 變彩 (Play of Color) 一 定義寶石的特殊結構對光的干涉 繞射作用產生顏色, 具顏色隨著光源或觀察角度的變化而變化, 這種現象稱為變彩 二 變彩的原理 變彩是由於光的干涉 繞射作用而引起的 根據楊氏雙縫實驗可 知 ( 如下圖 ), 來自光源的光沿箭頭入射時, 在狹縫處形成一個點光 源, 以確保到達 S 1 S 2 兩個狹縫的光的性質是完全相同的, 當性質完全相同的光通過 S 1 S 2 二個狹縫 ( 即楊氏雙縫 ) 後, S 1 S 2 便構成一對相干光源, 從 S 1和 S 2 發出的光將在空間疊加 如果光源為單色光, 兩 58

62 個子波源的光在某個方向上的波程差為半波長的偶數倍在空間相遇時便得到加強, 在屏幕 EE ' 上顯示亮的條紋 ; 當兩個子波源的光在某個方向上的波程差為半波長的奇數倍在空間相遇時便相互消滅, 在屏幕 EE ' 上顯示暗的條紋 如果光源為白色複合光, 繞射和干涉的結果是白光中的單色光的條紋將按波長依次排序, 其中心為白光, 最靠近白光的紫色, 依次為藍色 綠色, 最遠處為紅色, 上下兩側呈現對稱分布 楊氏試驗是一個一維光柵的點同干涉, 在寶石中經常遇到的則是二維空間的面干涉和三維空間的干涉情況, 相對來說比較複雜 三 蛋白石變彩的特點蛋白石是典型具有變彩效應的寶石, 其顏色及色斑變化之特點歸納有以下幾點 : (1) 一些灰白色的蛋白石並不出現色斑, 僅顯示藍白色的乳光 (2) 一些蛋白石僅在灰白色基底上顯示出藍 綠色的色斑, 亦即只顯示波長較短的顏色之色斑 (3) 部分高檔蛋白石在白或黑色的基底上顯示從紫色到紅色的可見光光譜中全部顏色之色斑 (4) 色斑排列特點, 同一塊蛋白石中不同顏色的色斑間雜分布, 相鄰色斑的顏色並不依可見光光譜的色序排列 即紅色色斑可直接與綠色色斑相鄰, 或在灰藍色的基底中分散著幾塊顏色近乎相同的紅色色斑 59

63 (5) 色斑顏色特點, 同一色斑中顏色並不十分均勻, 在色斑的邊緣可出現按光譜色色序排列的相鄰顏色 如紅色色斑的邊緣可依次出現橙色 黃色 綠色的色帶 當轉動蛋白石或轉動光源時, 同一色斑的顏色將依光譜色之色序而變化 例如紅色色斑在轉動時, 隨著轉動角度之加大, 紅色色斑可依次向橙色 橙黃色的方向變化 四 蛋白石的變彩與結構的關係 蛋白石的化學成分是 2 SiO. nh 2 O 60, 在蛋白石的結構中, 二氧化 矽為接近等大小的球體在三維空間作有規則的排列 通常, 任意一個二氧化矽的小球其周圍都有 6 個八面體空隙和 8 個四面體空隙 八面體空隙大小介於 0.414~1 倍小球直徑之間 四面體空隙大小則介於 0.225~0.5 倍小球直徑之間 這樣的蛋白石之結構便形成了最典型的天然三維光柵, 其中二氧化矽小球體及球體間的空隙分別相當於繞射單元和光柵常數 蛋白石的特殊結構決定了其變彩能力和變彩特點 小球的直徑 球體間隙的距離及觀察角度直接決定了蛋白石中色斑的顏色 從布拉格 (Bragg) 公式 n 1 λ = 2 n 2 d sinθ 中得知, 當光線垂直入射 時, θ 為 90, 即 sin θ = 1, 當 n 1時, 則有 λ = 2n 2 d, 已知 n = , 那 麼 d = λ / = 因白色可見光 λ 處在 nm 範圍內, 那麼可產生繞 射條件的間隙直徑應在從 d= =241nm 到 d= =138nm 之間 若 :(1) 球體間隙距離在 138~241nm 之間時, 可允許白光中所有波長的單色光通過, 形成七彩蛋白石 ;(2) 球體間隙距離在 138~204nm 之間時, 只允許紫色至黃色的五種光譜色的光通過, 形成五彩蛋白石 ;(3) 球體間隙距離在 138~176nm 之間時, 只允許紫色至藍綠色的三種光譜色的光通過, 形成三彩蛋白石 ;(4) 球體間隙距離在 138~165nm 之間時, 則只允許紫 藍光通過, 形成二彩或單彩蛋白石 研究顯示, 天然蛋白石中二氧化矽小球體的堆積並非完全均一的 產生繞射的均勻堆積球體僅存在於大於 1mm 至小於 1cm 的小塊

64 區域內 每一個均一的小塊區域構成了一個獨立的三維繞射光柵, 該小光柵允許可見光通過的能力及繞射作用則決定了與該光柵相對應的色斑大小及顏色之特徵 這從某個角度解釋了蛋白石中相鄰色斑的顏色並不遵循可見光光譜色序排列的原因 每個色斑邊緣出現相鄰顏色色環的原因與轉動蛋白石時色斑顏色依可見光光譜色序發生變化的原因是一樣的, 其根本原本在於觀察角度發生了變化, 隨著蛋白石的轉動, 亦即觀察角度的變化, 人們看到的是該小光柵中繞射圖譜中的另一個顏色, 即與另一繞射角 θ 相對應的顏色 變色效應 (Change of Color) 寶石礦物的顏色隨入射光的光譜能量分布或入射光波長的不同而改變的現象稱為變色效應 並不是所有的寶石都可產生變色效應, 當寶石的可見光吸收譜滿足某些條件時寶石才有可能具有變色效應 以變石為例, 變石的化 3+ 學式為 BeA 12 O4, 致色雜質離子為 Cr 離子, Cr 3+ 離子的外層 d 軌域電子躍遷吸收的能量為 2.17eV, 介於紅寶石 (2.25eV) 和祖母綠 (2.04eV) 61

65 之間, 在可見光區域內, 變石中紅光和藍綠光穿透的強度幾乎相等 若利用日光燈去照射變石, 將呈現藍綠色 ; 用白熾燈照射變石, 則呈 現紅色 除變石外, 藍寶石和石榴石也可具有變色效應 光的干涉效應光通過折射率不同的薄膜或薄層時, 在寶石表面或內部產生彩虹色的現象稱為暈彩 (iridescence) 拉長石(labradorite) 常會出現拉長石暈彩或虹光 (labradorescence) 的現象 拉長石晶體中常會析出另一種長石, 並且有規律地呈互層排列著, 當轉動拉長石晶體時, 光彩會頓時變幻, 閃閃動人, 主要是拉長石具有雙晶聚片 (twin lamella) 結構, 當白光被它們所反射時, 由於一些波段之間的相互干涉, 使得晶體隨著光線入射角的改變會產生由藍到綠到黃的顏色變化 此外, 當光線進入一些透明或半透明的晶體中, 被其內部微小粒子或不規則的結構所散射, 此散射光使晶體呈現牛奶色或清白色的光彩, 我們稱之為月長石暈彩 (adularescence), 尤其在切磨成蛋面形的月長石中最容易出現 砂金效應 (Aventurescence) 一些寶石中含有或粗或細的板狀或圓盤狀之其他礦物的包裹物時, 這些包裹物會斷斷續續地產生反射, 而使得晶體呈現亮光, 此種效應稱為砂金效應 例如砂金石就是石英內部含有板狀的赤鐵礦或雲母而出現此效應 但若長石中的包裹物太細的話則會出現全面性的金屬光澤, 此種寶石稱為日光石 (sunstone) 62

66 第五章寶石鑑定儀器與用途 寶石的鑑定, 一般可分為原石和成品兩大類 對於原石的鑑定, 又可分為野外鑑定和室內鑑定 野外鑑定多數採用放大鏡和小刀等簡單工具, 用以初步對寶石礦進行定名 室內鑑定主要是利用各種手段和儀器, 進一步測定寶石礦物的數據, 為鑑別寶石提供重要依據 對於寶石成品鑑定, 必須是在不破壞寶石完整性的前提下去鑑別所測定的寶石 這個部份介紹一些基本簡易的鑑定用儀器, 目的是能透過一些簡易的測試, 來驗證寶石的一些特性, 多了一個寶石儀器就多一個面向來觀察寶石 但儀器使用的熟練, 判讀時的經驗, 以及對各種寶石的知識, 都是要長期累積經驗才能做正確判斷的 目前常用的 易於掌握的寶石鑑定儀器有以下幾種 : 放大鏡 (Loupe) 介紹 : 因具有小巧實用與攜帶方便等優點, 放大鏡是寶石研究的最基本配備 研究寶石所用的放大鏡可不是一般常見的放大鏡, 這兩者是完全不一樣的 一般的放大鏡的倍率不夠, 且影像會在鏡框邊緣造成歪斜, 因而不能用來觀察寶石 寶石用放大鏡的尺寸較小, 且用了三片式的鏡片 ( 上下兩片玻璃包住中間的雙凸透鏡 ), 使其經精密設計後, 有較高的放大倍率及無歪斜影像 市售的寶石用放大鏡的倍率在 10~22x 不等, 其實 20 倍差不多已經是放大倍率的極限了 但是放大鏡不能一味求其高倍率, 放大倍率越高, 當然可以看到較細微的細節, 但同時也使其可視焦距變窄了, 而且照明也不易 也就是說, 高倍率放大鏡能清楚觀察到的物體深度, 較低倍率放大鏡能觀察的範圍為小 ; 而若是要觀察的細節, 僅有一部份在可視焦距範圍內, 那觀察起來就很辛苦了 63

67 因此, 寶石用放大鏡倍率選擇 10 倍者最好, 沒有必要高於此倍率 ; 若真要觀察更高倍率的細節, 那就只好使用寶石顯微鏡 使用放大鏡可用來觀察寶石的內含物 雙折射複影和其他細節 寶石內含物是鑑定寶石種類的重要依據, 不同種類的天然或人造寶石, 可能會具有獨特內含物, 寶石學者甚至可以藉觀察到特殊內含物而推測出寶石的產地 不過, 這當然需具備豐富的寶石知識及經驗 當觀察的寶石是具強烈雙折射種類時, 透過放大鏡由垂直其光軸方向看過去, 可看到背面的刻面線條有重複的現象 這其實也就是某種土法分辦真假水晶的的原理 : 放一根頭髮在水晶背後, 會看到兩根 不過水晶的雙折射其實不大, 要想能利用放大鏡看到頭髮一分二, 可得要相當大的水晶 具有強烈雙折射而可以用放大鏡觀察到刻面複影的寶石, 較常見的有鋯石 貴橄欖石及電氣石 放大鏡對銀樓業者來說, 也是相當有用的儀器, 因為鑽石的淨度 (clarity) 分級上, 全美 (FL) 及極微雜質 (VVS) 的分別就是用 10 倍放大鏡能否觀察到其雜質而定 另外, 放大鏡還能觀察寶石的刻面情況 裂口形狀等, 是相當多用途的儀器 使用方法 : 放大鏡的使用算是蠻簡易的, 先將寶石以不含棉線的布來擦拭乾淨, 再利用鑷子或四爪鑷子夾起, 以避免沾到指紋或灰塵 ; 觀察物, 放大鏡, 以及眼睛三者的距離都要蠻貼近的, 前後調整距離以找到最清晰的效果 但是有幾點要注意的, 使用放大鏡其實是很傷眼睛的, 每觀察五分鐘, 最好要讓眼睛休息十分鐘 觀察時, 要訓練兩眼同時睜開 另外, 寶石的內含物, 在光源的角度不同, 或者不同的透射反射情況之下, 所能觀察到的難易度不一, 需採用多種角度嘗試 一般是採用側向照明, 後方的背景應是屬於深色且不易反光者最佳 ( 亦即是暗視野的照明環境 ) 64

68 濾色鏡 (Filter) 介紹 : 濾色鏡或濾片是利用光譜原理來分辨寶石種類的儀器, 同時也可以用來檢驗寶石是否有經過某些優化處理過程 濾色鏡的原理要從最基本的光學理論講起, 一般所看到的白光, 其實都是由許多不同顏色 ( 頻率 ) 的色光所組合而成的 ; 從簡單的物理學實驗中驗證出, 如果一束白光通過三稜鏡, 折射出來的光會是一條連續的七彩光帶, 這條光帶就稱為光譜 (spectrum) 同樣的, 我們看到一顆寶石的色彩, 其實也是由許多不同頻率的色光所組合而成的 而寶石會發出什麼頻率的色光, 其實主要是由寶石的組成元素來決定的 舉例來說, 紅寶石與紅尖晶石的紅看起來沒有什麼分別, 但這是由於我們肉眼無法分辦細微的色光組成, 實際上若用精密儀器將紅寶石與紅尖晶石的顏色做光譜分析, 會發現其中有許多差異, 原因就是兩者的組成元素不同 在寶石學中, 真正用來對寶石做完整光譜分析的儀器, 是分光鏡 ( 或光譜儀 ), 濾色鏡可說是分光鏡的簡易版 其原理是由一些彩色濾光片所組成, 在可見光的頻率範圍內, 遮住大部份的色光, 只讓在紅色頻率與一部分黃綠色頻率中的兩個小區間的色光通過 ( 頻率似乎是 680nm 及 565nm 兩個範圍 ) 如此, 當透過濾色鏡觀察寶石時, 根據其顯現紅色或綠色的結果, 可用來推測寶石的種類 不過, 由於各種寶石的光譜分佈都大不相同, 雖然濾色鏡所檢視的, 是寶石礦物光譜內相當重要的區間, 但可想而知, 其不可能如分光鏡般, 確切地分辨出寶石的種類, 加上同種的寶石, 常常其光譜會因種種因素, 而有些差異, 因而使其不能成為分辨寶石種類的決定性測試 這倒不是說濾色鏡沒有用, 只是不能只藉著濾色鏡的測試直接下結論 其實, 查爾斯濾色鏡是寶石鑑定中最常用的一種濾色片, 一開始的設計是用來快速區分祖母綠與其仿製品, 又稱為祖母綠濾色 65

69 鏡 因為祖母綠可使紅光 黃綠光穿透, 但會吸收大部分的綠光波段, 因此天然的祖母綠在查爾斯濾色鏡下, 會呈現淺紅色, 這是由於其中的鉻離子會發出能通過濾色鏡的紅色頻率光 ; 而人造仿冒品與其他綠色寶石則會吸收紅光, 因此透過濾片時大多會呈現暗綠色 麻煩的是, 在這個原則下有許多特例存在 : 非洲產的有些祖母綠, 在查爾斯濾色鏡下不呈紅色, 而某些人造祖母綠, 則在濾色鏡下呈現強烈的紅色 不過, 濾色鏡的檢驗對大多數的祖母綠都是成立的, 若再配合其他檢驗, 則至少能知道那些祖母綠是可疑的, 那些是較安全的 而在寶石中, 除了綠色寶石外, 濾色鏡也常用來檢驗紅色與藍色寶石, 一樣也是根據鉻離子是否存在, 來判斷寶石種類 在國內, 濾色鏡則大多被用來檢驗另一種綠色寶石 - 玉是否有染色 與祖母綠相反, 天然未經處理的玉在查爾斯濾色鏡下是呈暗綠色的, 而染色過的玉, 如果是用鉻鹽所染的話, 則會在濾色鏡下呈現暗紅色, 這也就是說, 若染料不是使用鉻鹽, 則在濾色鏡下是檢驗不出來的 由於濾色鏡是直接透過鏡片觀察寶石的顏色, 不須對單一寶石做各方向觀察, 因此, 在分辨整袋寶石中, 是否滲雜仿製品時, 相當有用, 透過濾色鏡觀察整袋寶石, 若是有顏色與其他顆寶石不同者, 則可特別挑出做詳細檢查 這樣的介紹好像把查爾斯濾色鏡說得不太可靠, 一會說有這樣的效果, 一會又說有特例, 不過實際上的情形就是這樣, 由於礦物的組成因素太過複雜, 並不會有個放諸四海皆準的標準, 許多的鑑定儀器也都還有誤差存在, 加上人造品又不斷地推陳出新, 寶石鑑定所能做的, 也就是從不同方向對寶石做測試推敲, 找出疑點與證據, 以做出最合理的推斷 使用方法 : 66

70 查爾斯濾色鏡的使用相當簡單, 直接透過鏡片觀察寶石就可以了, 不過, 由於濾色鏡遮去了大部份的光, 因此要以強光 ( 鎢絲燈較準確 ) 照射寶石, 顏色才能看得較清楚 另外, 根據前人的觀察經驗, 到底有沒有觀察到紅色頻率光, 其實是蠻難判斷的, 因為通常顯現出的紅色或綠色都相當暗, 這時, 如果放個樣本一起比較, 到底偏向紅色還是綠色, 會比較明確 如果購買查爾斯濾色鏡只是為了要檢查玉有沒有染色, 那就只要記得有鉻鹽染料者呈紅色, 無者呈綠色就可以了 而如果買來是要觀察有色寶石的話, 記得向商家索取不同寶石在濾色鏡下的不同顏色變化資料, 否則買了也不知道如何使用 另外, 在此提供一些觀察到的實例以供參考 天然紅寶石在濾色鏡下呈紅色, 而以維紐爾法製造的人造紅寶石也一樣呈紅色, 但人造品的紅色比天然紅寶石的紅更亮了許多, 簡直可稱為螢紅色, 兩者擺在一起觀察時差異非常明顯 人造藍尖晶石常用來仿製海藍寶與藍色黃玉, 三者的水藍色非常相近, 但海藍寶及藍黃玉在查爾斯濾色鏡下呈淺綠色, 反之, 人造藍尖晶石則呈紅色, 但依據研究文獻指出, 人造藍尖晶石呈紅色的效果並非是絶對的 另外, 漂亮的藍瑪瑙或綠玉髓, 濾片下是呈現紅色或橘色的, 由於瑪瑙中很少含有鉻, 因此這應該是利用鉻酸鹽類染色的結果 總結來說, 查爾斯濾色鏡是相當重要的輔助工具, 對有色寶石的觀察常可獲得額外資訊 二向色鏡 (Dichroscope) 介紹 : 二向色鏡是最常用來驗證雙折射的儀器 基本上, 二向色鏡所檢驗的, 是寶石是否具有複向色性 (pleochroism) 67

71 真要細分來說, 複向色性分為二向色性與三向色性, 但其實原理是相同的, 且通常只要能利用二向色鏡觀察到兩種不同的顏色變化, 就算具有複向色性了, 寶石是具二向色或三向色反而是較學理上的分別 一般而言, 同種寶石的顆粒越大, 顏色越深, 多色性越明顯 由於只有雙折射寶石具有複向色性, 因此若能檢驗出寶石具有複向色性, 則可證明所檢測者, 是雙折射寶石 反之不一定成立, 檢測不出複向色性的樣本, 有兩種情況, 可能其為單折射寶石, 或者其雖為雙折射寶石, 但其複向色性過弱 二向色鏡的構造是在其內放置一無色方解石 ( 冰洲石 ), 以將光線分解成兩垂直振盪的光, 而透過二向色鏡分別觀察這兩光線的顏色 當正常白光透過雙折射寶石時, 會被分解成兩束彼此垂直振盪的光線, 由於複向色性的原理, 這兩束光線的顏色可能不同, 但混合起來一起進入人眼, 就是寶石的顏色 人的眼睛可沒有辦法將這兩光束區分開來, 因而要借助二向色鏡 ; 二向色鏡內的方解石是自然界中, 雙折射效應最大的礦物, 其會將射出寶石的兩束光線, 再次分離開, 再藉著二向色鏡內的光學反射導引, 將這兩束光線分別投射到兩塊不同區域, 以供使用者觀察 而使用者只要藉著觀察到這兩塊區域的顏色是否不同, 便能確認寶石是否具有複向色性, 也就能推論寶石是否具有雙折射了 簡單地說, 透過二向色鏡觀察寶石, 會看到兩個小視窗, 分別代表寶石上同一塊區域, 但不同振盪方向的光線顏色, 若這兩個視窗的顏色不同, 則可知寶石具有複向色性 但有些時候, 即使觀察單折射寶石, 由於光線反光 散射或其他原因, 會讓使用者覺得兩視窗的顏色略有不同, 這樣子的情況會使得單折射寶石與弱複向色性的雙折射寶石間差異不大, 很難進行區分, 這是此種儀器本身的限制 因此, 若觀察到兩視窗的顏色強烈不同, 才能確認寶石具有複向色性, 若顏色差異極微小, 不須勉強認定其具複向色性, 應該再利用其它的方法來確認寶石是否具有雙折射 68

72 另外, 雙折射寶石本身的顏色若偏淡, 觀察到的二向色差異也會極微小 一般常見的雙折射寶石, 若顏色夠深, 其複向色性大多很明顯, 以具強烈複向色性著稱的堇青石 (iolite) 丹泉石(tazanite) 矽線石 (sillimanite) 等在二向色鏡下觀察時, 其顏色差異更加強烈 ; 不過, 所謂的顏色差異常常僅是淺色與深色的分別而已 利用二向色鏡, 可將強複向色性的寶石與單折射寶石, 如鑽石, 尖晶石, 石榴子石, 玻璃等分別開來 但二向色鏡的原理是檢驗透射光, 若寶石本身是不透明的, 其顏色是反射光造成的, 則不能用二向色鏡檢測 使用方法 : 就算是強複向色性的寶石, 也不是從每個角度觀察都具有複向色性的, 因此, 檢驗時須旋動寶石, 以找出複向色性最強烈的方向 因此, 二向色鏡最好能配合四爪鑷子使用, 將寶石夾在四爪鑷子之上, 固定二向色鏡的方向, 慢慢旋動寶石, 務須使寶石的上下左右前後斜各個方向都被觀測到, 找到具複向色性的方向後, 最好再平移, 對焦以確定兩觀察視窗觀察到寶石的相同位置 根據這個使用流程, 可知已鑲嵌的寶石飾物無法用二向色鏡做整個球面的觀察, 不過, 若寶石大部份裸露出來, 由於複向色性稍具對稱性, 還是勉強可以分辨寶石的複向色性的 寶石顯微鏡 (Microscope) 介紹 : 它是將寶石放大觀察的一種重要的儀器 它能檢測 10 倍放大鏡不能清晰地確認與觀測到寶石外部和內部的特徵 寶石顯微鏡可以觀察寶石內部的包裹體 解理 雙晶紋 生長線 69

73 色帶, 觀察寶石的磨工 拋光度和意外損傷, 鑑別併合寶石二層石 三層石 寶石顯微鏡的放大倍數可變幅度較大, 一般是 10 至 70 倍 寶石顯微鏡有兩種光源, 底部光源之暗視野可觀察寶石的內部缺陷, 如包裹體 裂隙等 ; 亮視野可觀察寶石的表面特徵, 如斷口 色帶 解理面等 另一種是上方燈源, 主要用於觀察寶石表面的缺陷 使用方法 : 寶石顯微鏡是精密儀器, 要嚴格按操作規則使用 有幾種必要的操作方法 : 暗視野照明法 : 即來自底光源的光不直接射向寶石, 而是經半球狀反射器的反射後再投射向寶石 優點是因大部份的光線不直接進入物鏡鏡筒, 這樣對有色體的寶石其色體導致對光的散射時, 有助於光線進入物鏡, 使寶石的內外部特徵在暗色背景上十分清晰 亮視野照明法 : 即撤去檔光板, 來自底光源的光直接射向寶石 這種方法有利於研究寶石的色帶, 生長紋和低突起包裹體的觀察 頂光照明法 : 即僅用頂光源照明, 光線經寶石反射而進入視域 ( 這是一種類似反光顯微鏡的操作 ), 它有利於對寶石表面 淺表層和近表面特徵的觀察,( 如 B 貨翡翠的溶蝕痕的觀察 ) 水浸和油浸法觀察 : 即將寶石浸在水中或特殊的液體中觀察其內部特徵, 這種方法對消除寶石表面的反射光和對小刻面寶石的研究都是有利的 ( 尤其對合成寶石觀察其色帶色體 ) 分光鏡或光譜儀 (Spectroscope) 介紹 : 研究穿透寶石或由寶石表面所反射的光, 可分辨天然 優化處理與合成寶石之不同, 因為它們致色的原因不同 簡單的吸收光譜儀器 70

74 是分光鏡, 此種非破壞的分析儀器主要是檢測寶石吸收光譜與吸收元素 判定玉是否有染色處理 寶石種類之判定 許多寶石成色是因為含有一定的致色元素, 這些致色元素都有各自的吸收特徵, 用分光鏡可以觀察到寶石的各種吸收光譜, 尤其對於具典型吸收光譜的寶石, 分光鏡測試後的結果可作為重要鑑定依據 原理 : A. 寶石中的致色元素 Ti Fe Cr Co Ni 等過渡金屬離子及某些稀土元素分佈於晶格中, 它們能夠選擇性地吸收光譜 B. 白光由連續性的可見光譜所組成, 而分光鏡的色散元件能將其按波長依次分開排列, 從而分析出哪些波段被吸收, 而達到判斷致色元素和鑑定寶石種類的目的 各種少量致色元素的吸收光譜位置如下 : 過渡元素種類吸收峰 ( 帶 ) 的位置鉻紅線黃綠帶鐵藍帶 綠帶錳紫帶釩藍線鈷藍綠線 黃線 橘線稀土元素黃線分光鏡的結構 : 分光鏡有稜鏡式和光柵式兩種, 以稜鏡式分光鏡為例 : (A) 稜鏡式分光鏡 : 是採用三角稜鏡作為其色散元件的分光鏡, 工作原理當白光通過狹縫後, 經過集中鏡成為平行光束 不同波長的光經過稜鏡後折射方向不同, 但同一波長的光束仍保持平行 穿過稜鏡的光波會聚焦在平面上, 而不同波長的光波匯聚點不同, 即形成一系列不同顏色的像, 形成光譜 因為稜鏡對不同的光波會產生有不同的折射, 因此觀察不同的色譜區域需要再調整它的焦距 (B) 光柵式分光鏡 : 其組成元件包括一個開口 一個集中平行鏡 一個繞射光柵以及 71

75 一個觀景窗 這個開口位於集中鏡的焦距平面上, 會產生平行光線, 所以不需要調整焦距 其原理是利用光的繞射與干涉, 當光線通過光柵後, 行進方向產生彎曲, 彼此互相平行產生干涉現象 簡單而言, 光柵式分光鏡是一種等間距的 ( 光譜 ) 而稜鏡式分光鏡屬非等間距的, 其紅區相對收斂, 紫區相對發散 因此光柵式分光鏡有利觀察紅區光譜特徵, 而稜鏡式分光鏡適宜觀察紫區特徵 光柵式的缺點是吸收譜太暗不易觀察 ; 稜鏡式的缺點則是各種色譜寬度呈現不均勻地散開 解決亮度不足的問題可使用高亮度的光纖冷光來照明, 若非使用冷光, 則寶石的溫度會升高, 這會使其中的吸收線變弱 使用方法 : A. 透射光法 : 適用於於透明 半透明寶石, 使用透射光, 方法很簡單即可直接觀察, 但需要保證足夠的光量透過寶石, 也確認進入光譜儀的光是來自寶石, 使光譜真實而清晰, 此時可調小光圈來擋住來自寶石外部的光源, 儘可能縮短眼睛 分光鏡 寶石和光源間的距離 B. 內反射法 : 適用於顏色淺 顆粒小的透明寶石 ( 較少吸收 ) 方法是: 1. 寶石的桌面向下置於暗色背景上 2. 利用頂光源照明, 調節入射光方向與分光鏡夾角, 使白光通過寶石的內反射後進入分光鏡 因為光源在寶石內部因此可來回一趟後反射出來, 增加了吸收量 C. 表面反射光法 : 適用於透明度不好 暗色和弧面型的寶石 因為透光量太低, 因此利用近表層的反射方法 : 1. 將光源入射光從側面成一角度對準寶石 2. 調節入射光方向與分光鏡的夾角, 使更多的光線經由寶石的反射而進入光譜儀 72