系统宝石学（第二版） 张蓓莉 全彩 第二篇 - 图文

第二篇 宝石鉴定仪器

第一章 常规宝石鉴定仪器

第一节 镊子和放大镜

一、宝石镊子

宝石镊子是一种具尖头的夹持宝石的工具，内侧常有凹槽或“#”纹以夹紧和固定宝石.宝石镊子可根据尖端的大小不同分为大、中、小号，中号和大号可适用于大颗粒宝石，小号则适用于颗粒小的宝石。镊子还可分为带锁和不带锁两种(见图2-1-1)。对于特殊种类的宝石，如珍珠，配有专门的珍珠镊子(见图2-1-2)。使用镊子时应用拇指和食指控制镊子的开合，用力须适当，过松夹不住，过紧会使宝石“蹦”出。在显微镜下操作时，可将手或镊子置于显微镜的工作台(载物台)上，使宝石稳定及减轻手部疲劳。

弹簧宝石夹是另外一种类型的宝石镊子，可配备在多种宝石检测设备上，如宝石显微镜、台式分光镜等，使用起来方便简单(见图2-1-3)。

二、放大镜

对于宝石鉴定来说，利用光学放大是至关重要的。在很多 情况下，仔细观察宝石的外部和内部特征可提供大量的有意义 的信息。放大镜是最常用、最简便的宝石鉴定工具，它的正确

使用也是宝石工作者的基本技能(见图2-1-4)。

能长时间清晰观看而不易感到疲劳的最短观察距离称为明

视距离。正常眼睛的明视距离约为25cm。放大镜的放大倍数与明视距离和放大镜的焦距有关，即：

放大倍数=清晰影像的最小距离(明视距离)／放大镜的焦距 放大镜的放大倍数经常用“X”来表示，如10倍(10X)。

(一) 放大镜的结构

常见的放大镜有：

1)双凸透镜 由单个的双凸透镜构成，价格便宜，放大倍数常小于3倍(即3X)。 2)双组合镜 由两个平凸透镜组成。

3)三组合镜 由一对无铅玻璃做成的凸透镜和两个由铅玻璃制成的凹凸透镜粘合而成。

其中三组合镜最为常用，不仅视域较宽，而且消除了图像畸变(球面像差)和彩色边缘现象(色像差)。最常用的为10X放大镜。25X、30X、50X的放大镜因其放大倍数大，观察视野小，焦距短而难于操作。

放大倍数越大的凸透镜，其视域边缘像差也就越明显。大于3倍的单透镜有明显像差。 判断宝石用三组合镜的质量，最好是观察方格纸。判别标准如下：

1)视域中所有线条应平直，若线条弯曲或在视域边缘处线条宽窄不一，则质量不好。 2)视域中线条应清晰、“干净”，若带有色边则质量不好。 3)视域中所有线条应于同时保持准焦状态。

(二) 应用

放大镜主要用于观察宝石表面特征及内部特征，且观察者的知识、经验越丰富，通过放大镜所获得的信息量越大。

1．外部特征

包括宝石基本性质及加工质量的观察与判别。

宝石基本性质观察 通过放大镜可以确定宝石的光泽、刻面棱线的尖锐程度、表面平滑程度、原始晶面、解理、断口和拼合特征等。如宝石的冠部、亭部光泽不同，表明其可能为拼合宝石：刻面棱线尖锐，表面平滑者表明其硬度很大；表面具多组平直纹理，具阶梯状断面者表明其解理很发育；而具贝壳状断口者表明其可能为单晶宝石；具土状断口者，表明其可能为多晶质集合体宝石。

宝石加工质量观察 即宝石的切磨质量和抛光质量的观察。包括宝石的各部分比率及修饰度等。

2．内部特征

包括色带、生长纹、后刻面棱线重影和包体等。如色带呈弧形，则可能是合成品；有后刻面棱线重影，必为双折射率较大的宝石。宝石的包体特征及其组合可以表征其成因(天然或合成)，甚至提供产地信息。

3．综合评价

主要用于钻石的简易鉴定和净度分级、切工分级等。

(三) 放大镜的使用方法

放大镜的熟练使用是建立在大量实践练习基础上的。鉴定宝石时，应一只手将放大镜尽可能地靠近眼睛，另一只手用镊子夹住宝石置于离放大镜约2．5cm处的光下。调整宝

石与光源的角度，在反射光下可观察宝石的外部特征；光线由侧面或背面入射，有利于观察宝石的内部特征。使用放大镜时，要求双眼同时睁开，以避免眼睛疲劳。

(四)放大镜的保养

放大镜的透镜玻璃硬度不高，灰尘、宝石镊子及大多数宝石都可以划伤玻璃透镜。因此，我们在使用放大镜时，应避免透镜体与宝石或镊子接触，当透镜体表面有灰尘时，应用镜头纸轻轻擦拭。另外要随时检查固定透镜体的螺母，以防透镜松动互相摩擦。使用结束后，应将透镜体旋转至金属框架内，放人包装皮套中，防止损伤。

第二节 显 微 镜

显微镜是宝石鉴定工作中最重要的仪器之一，它可以帮助寻找鉴别天然与合成宝石、优化处理宝石的关键证据。

一、显微镜的结构

显微镜由以下几个主要部分组成(见图2-1-5)：

1)光学系统(透镜系统) 包括目镜、物镜及变焦系统。

2)照明系统 包括底光源、顶光源、电源开关和光量强度调节旋钮等。 3)机械系统 包括支架、焦距调节旋钮、锁光圈、弹簧宝石夹等。

显微镜的放大倍数等于目镜放大倍数乘以物镜放大倍数，如目镜为lox，物镜为5X，则总放大倍数为50倍。通常显微镜可以更换目镜和物镜。常见目镜的放大倍数有lox、20x； 物镜放大倍数有1x、1.5x、2x和3x。

二、宝石显微镜的类型与照明方式

显微镜有许多种类型，如单筒显微镜、双筒显微镜、双筒 变焦显微镜、双筒立体显微镜、双筒立体变焦显微镜等。目前 宝石显微镜多采用立式双筒立体连续变焦显微镜(见图2-1-6)， 也有卧式双筒立体变焦显微镜。

这些常用的宝石显微镜物镜工作距离较大，能观察足够大 的宝石，不会因调焦不当而对宝石和显微镜有所损害。镜下物 像呈现三维立体图像，并可连续放大，通常为10—60倍。

在显微镜载物台上加上油浸槽还可变为油浸显微镜。 立式显微镜的光源通常有底光源和顶光源两种，部分新型

立式显微镜还配有光纤灯。通常宝石显微镜可有以下几种不同的照明方式：

1)暗域照明法 来自底光源的光不直接射向宝石，而是经半球状反射器的反射后再射向宝石(见图2-1-7)。此时光线不直接进入物镜镜筒。当宝石内有裂隙和包体等缺陷导致光线的散射时，则有助于光线进入物镜，宝石的内部特征在暗色背景

上显现十分清晰。这是一种最为常用的照明方法，而且有利于长时间观察。

2)亮域照明法 撤掉挡光板后，来自底光源的光线直接射向宝石，穿过宝石后直接进入物镜(见图2-1-8)。这种照明方式有利于色带、生长纹和低突起包体的观察。

3)顶部照明法 关掉底光源，打开顶光源，使光线经宝石表面反射后进人视域，这种照明方式适于观察宝石表面及近表面特征(见图2-1-9)。若显微镜本身无这种照明装置，一个手电筒、一个台灯都可提供这种照明。

立式显微镜除了上述三种常用的照明方式外，还有散射照明、点光照明、斜向照明、水平照明、偏光照明和遮掩照明等方式。

散射照明 直接从宝石的底部照明，在光源之上放置面巾纸或其他半透明材料，使光线更为柔和，有助于观察色域和色带，特别对于观察扩散处理的宝石效果更佳。 点光照明 通过锁光圈使底光缩小成点状直接从宝石的底部照明，使得色带和宝石结构更易于观察。

斜向照明 光从斜向直接照射到宝石(图2-1-10)，可观察固液态包体、解理面等产生的薄膜效应。

水平照明 光从侧面水平方向照射宝石，从宝石上方进行观察(图2-1-11)，使点状的包体和气泡呈明亮的影像而十分醒目。

偏光照明 在两块偏光片之间观察宝石(图2-1-12)，能观察到宝石的光性特征、干涉图、多色性等。

遮掩照明 从样品的底部直接照明，在视域中插入一个不透明的挡光板，能增加包体的三度空间感，并且有助于观察生长结构。如弯曲生长纹、双晶纹。

卧式显微镜又称水平油浸显微镜，其设计非常适宜于观察宝石的内部特征。不仅有利

于宝石在油浸槽中转动，而且可以通过光源的移动提供各种照明方式。

置于浸油中的宝石表面反射光和漫反射光减少，从而有利于宝石的内部包体、生长纹、 色带等的观察和研究。此外，这种显微镜的光源可以在水平方向围绕宝石转动180°。不仅提供了亮域、暗域、顶部照明，而且还提供了水平照明和过渡型照明等，照明方式的改变迅速而简单。

三，显微镜的调节和使用

1．显微镜的调节

许多人左右眼视力不一致，因此在使用显微镜前要对目镜进行调节，使双眼能同时准焦，减轻视觉疲劳。双目立体显微镜在设计时充分考虑到了这一因素，左侧(或右侧)目镜可以调焦，具体步骤如下：

1)在一张白纸上点一黑点，放置于显微镜视域中央。 2)将镜头调到最低处，打开显微镜照明灯。

3)根据双眼宽度调节两目镜间距，直到视域出现一个完整的圆。 4)转动焦距调节旋钮调节焦距。

5)将物镜放大倍数调至最大，闭上左眼(或右眼)仅用右眼(或左眼)观察并再次调焦。 6)固定焦距调节旋钮，闭上右眼(或左眼)转动左侧目镜，仅对左眼(或右眼)再次准 焦。在此过程中不能调节焦距调节旋钮。

2．显微镜的使用

显微镜调节好后，观察宝石时，通常应注意： 1)清洗宝石，防止将宝石表面灰尘当作内部特征。

2)首先在低倍放大条件下从各个方位观察宝石的内外部特征。在高倍放大条件下，虽然可以看清很多细微现象，但却有很大的局限性。如工作距离短，视域小，亮度不够。 3)将所需观察的内外部特征调至视域中央，不断增加放大倍数，仔细观察。此时要注意区分哪些是灰尘或油污，哪些是内部包体。

4)为了减少表面反射或漫反射，有时可采用油浸法帮助观察。在浸油槽内装上二碘甲烷或水等液体，放人宝石使之全部浸没。在浸油槽下方放置一白色或蓝色半透明塑料板(也可用巾纸代替)。

5)在观察后刻面棱线重影时：①观察宝石远离物镜一侧的棱线、包体、划痕等。在观察时注意视线应穿过同一刻面，防止因刻面棱的影响产生虚假重影；②不断转动宝石，至少应从三个方向对其进行观察，以免观察方向平行于光轴；③要确定是否是真正的重影，可以在目镜上加偏光片，转动偏光片，真正的因双折射造成的重影会随着偏光片的转动而轮流出现，好像在前后跳动。

四、宝石显微镜的用途

宝石显微镜的最主要用途是放大观察宝石的内外部特征。若再加上—些附件，如偏光片、油浸槽、照相机、测微器等，则可扩展其应用范围。 1．观察宝石的各种内外部特征

在观察宝石时，主要观察下列特征： (1)外部特征

表面是否损伤，如擦痕、刮痕、凹坑等；刻面的工艺质量，是否对称、同种刻面大小

是否相等、刻面棱是否对齐等；刻面抛光质量；拼合石的拼合缝及两侧的光泽差异；解理或断口的特征等。 (2)内部特征

包括气、液、固相包体，愈合裂隙、生长纹、色带的分布及其特征，拼合宝石结合面特征以及后刻面棱线重影等。

2．测定近似折射率

在显微镜镜体上装上能精确测量镜筒移动距离的标 尺，就可以测定近似折射率。

宝石对光线具有折射作用，而人眼却根据经验判断光 线为直线传播，此时所看到的不是宝石的实际厚度，而是 显微镜下的视厚度(见图2-1-13)。

图中，CO为入射光线，OB为折射光线，BD为射出 光线，AB为BD延长线。图中ON和OB为下底面上O点 发出的两条光线，其中ON垂直于表面，与经折射后射出 光线的延长线汇聚于A点，因此A为O点的像，所以NA 为宝石的视厚度。根据几何学可推导出∠NAB=∠i。

根据折射定律n=sini/sinγ

根据成像原理的傍轴条件，NB很小，此时i和γ都很小，有sini≈tani，sinγ≈tanγ 则n= sini/sinγ≈tani/tanγ=(NB/NA)/(NB/NO)=NO/NA 即：近似折射率值(n)=实际厚度／视厚度

在利用显微镜对其进行测试时，将宝石台面向上用蜡或橡皮泥固定在载玻片上(宝石底尖要与载玻片接触)，尽量使宝石台面与载玻片平行。准焦于宝石台面，记录读数l;再准焦于宝石底尖，记录读数2，两读数差值即为视厚度。轻移载玻片，将宝石移出视域，准焦于载玻片，记录读数3，读数3与读数1的差值为实际厚度。根据公式计算即可得出近似折射率。

这种方法测试折射率的精度与放大倍数有关，倍数越大，精度越高；另外与宝石的折射率有关，折射率越接近于1，测试的精度越高。 3．显微照相

在显微镜上配上照相机，即可进行宝石显微特征的拍摄。目前所有宝石的包体照片都是这样获得的。

4．观察多色性和干涉图

若在宝石下方放置一偏光片，可以观察到宝石的多色性。转动宝石时每次只能观察到一种颜色，且由于人眼对颜色的记忆力较差，因此快速转动宝石进行对比观察效果较好。观察

宝石的干涉图需要较高的技能，当宝石显微镜配上正交的上下偏光片后，即变成了一个偏光显微镜，此时加上勃氏镜(或干涉球)后，就可以观察宝石的干涉图。 五、显微镜的保养

宝石显微镜是十分精密的光学仪器，使用时要注意以下事项： 1)不可对显微镜的机械部位用力过猛。

2)显微镜要注意防尘、防震，不用时应置于箱中或套上镜罩。

3)不能用手触摸任何镜头，若需清洁镜头，则用镜头纸或特制镜头布擦拭。

4)不用时应将显微镜灯光亮度调至最低关掉显微镜灯。打开显微镜光源时应保证显微 镜灯光亮度调节旋钮处于最低档；更换显微镜灯泡时，不可直接用手接触灯泡，以延长照

明灯泡的使用寿命。

5)使用完毕，将物镜调至最低点，以延长调焦旋钮的使用寿命。

第三节 折 射 仪

宝石的化学成分和晶体结构决定了宝石的折射率，折射率是宝石最稳定的性质之一。利用折射仪可

以测定宝石的折射率值、双折射率值、光性特征等性质，为宝石的鉴定提供关键性证据。

一、制作原理

当光线从光密介质倾斜射入光疏介质时，折射光线远离法线，即相对靠近两介质分界线。当入射角增大到一定程度时，折射光线与法线的夹角为90°，此时的入射角称为临界角；当光线入射角大于临界角时，入射光不发生折射，全部返回到光密介质中，这种现象称为全(内)反射(见图2-1-14)。宝石折射仪就是根据折射定律和全反射原理制造的。

一种介质相对于空气(严格地说应为真空)的折射率为一 定值，那么，一种介质相对于另一已知介质的折射率也为一 定值。根据公式可以推导出：

n2/n1=sini/sinγ

式中：i为入射角；γ为折射角；n1 为已知介质的折射率； n2 为已知介质的折射率。 当γ=90°时，n2=n12sini。因此，只需测出i角即可求出未知介质折射率值。

二、结构及工作原理

宝石折射仪是用于测试宝石折射率的一种常规仪器，其设计目的是能无损、快速、准确地测出待测宝石的折射率值。宝石折射仪的类型有内标尺读数和外标尺读数两种。常用的为内标尺折射仪(见图2-1-15)，折射率数值通过目镜内的标尺读出。外标尺折射仪是一种经改进的折射仪，取消了内标尺，取而代之的是一种刻有折射率值的外度盘。由于外度盘可旋转，它操纵一条视域内的黑带，使黑带的下边界与宝石折射产生

的阴影边界重合，外度盘上的标尺就提供了折射率。

读数(见图2-1-16)。宝石折射仪主要由高折射率棱镜、棱镜反射镜、透镜和标尺及偏光片等组成(见图2-1-17)。其主要组成部分特点如下。 1。高折射率棱镜

这种棱镜材料要求满足两个条件：单折射和高折射率。大多数棱镜采用铅玻璃(折射率常为1．86～1．96)，但铅玻璃棱镜非常软，容易受损。有的折射仪采用尖晶石作为棱镜，其优点是色散低，硬度大，但缺点是测试范围很小，只能测小于1．71的宝石的折射率。此外还有钻石、合成立方氧化锆、闪锌矿等作为棱镜的折射仪。合成立方氧化锆是一种理想的棱镜材料，其折射率为2．16，硬度为8．5，不易磨损和腐蚀，但若采用常规接触液，其读数的清晰程度较差。 2．接触液

虽然不是折射仪的部件但却是折射仪使用过程中必不可少的辅件，它的作用是使待测宝石与高折射率棱镜产生良好的光学接触。当抛光宝石直接放在干净的折射仪棱镜上时，有一薄层空气膜会阻止其形成良好的光学接触，因此要使读数清晰，须有合适的接触液。接触液可配制，在折射率为1．742的二碘甲烷中饱和溶解硫，当折射率升到1．78时，再加入18％的四碘乙烯，折射率可升至1．81。这种接触液可以满足绝大部分宝石品种的测试，并且在正常情况下使用是安全的。折射率大于1．81的接触液都有极强的腐蚀性和剧毒，对测试者和棱镜都十分不利。 3．光源

常用的光源有两种，一种为折射仪外部光源，另一种为折射仪内部光源。外部光源经由折射仪入射窗口进入折射仪，内部光源位于折射仪内部。由于宝石具有色散，其折射率都是在入射光波长为589．5nm条件下测试的结果，因此最为理想的入射光应为波长

589．5nm的黄光。产生最理想黄光的光源是钠光灯。若入射光为白光，由于宝石的色散，阴影边界为彩色谱带，读数时看准黄绿交界部位即可。用白光作光源，在测试单折射率宝石时尚可，但在测试具双折射的宝石时，两彩色阴影互相叠加，不易读数。棱镜和宝石的色散差别越大，则阴影边界彩色性越强。 4．待测宝石

待测宝石必须有抛光的平面或弧面。 5．工作原理

宝石为光疏介质，棱镜和接触液为光密介质。当入射角小于临界角时，光线折射进入宝石；当入射角大于临界角时，光线发生全反射，返回棱镜并通过折射仪标尺，再经反光镜反射，使之通过目镜，形成亮区。折射入宝石的光线不能被人眼所观察到，形成暗区。亮暗交界的阴影边界即标志着光线刚好以临界角入射。折射仪中的内标尺都是经过校正的，可以直接读出折射率值(见图2-1-18)。

三、使用方法和测试步骤

使用折射仪可以对具抛光刻面或弧面的宝石的折射率进行测试，测试范围因所用折射仪棱镜和接触液而异，通常情况下是1．35—1．81。

在使用折射仪进行测试的过程中要注意两个问题，首先是高折射率玻璃棱镜硬度较小，若使用不当，几乎所有的宝石材料都能在棱镜上留下划痕。其次是接触液要适量，由于接触液密度很大，若点得过多，密度较小的宝石会漂浮；若点得过少，则不能使宝石与棱镜产生

良好的光学接触。

1．近视法(也称刻面法)

当宝石为刻面型时，采用下列方法和步骤进行测试，称之为近视法或刻面法。

1)用酒精清洗宝石和棱镜。

2)打开光源，观察视域的清晰程度。 3)选择宝石最大刻面，放置于金属台上。

4)在棱镜中央轻轻点一小滴接触液，通常以液滴直径约2mm为宜。

5)轻推宝石至棱镜中央，使宝石通过接触液与棱镜产生良好的光学接触。

6)眼睛靠近目镜观察视域内标尺的明暗情况，读数。

7)用手指轻轻转动宝石360°，每转一定角度进行一次观察，读数并记录。所转动角度依据观察者的经验和宝石的情况而定。初学者应每转动15’读一次数，这样虽准确但所需时间较长；经验丰富者可转动30°～90°不等进行观察和读数(见图2-1-19)。 8)测试完毕，将宝石轻推至金属台上，取下。

9)清洗宝石和棱镜。清洗棱镜时要注意将沾有酒精的棉球或镜头纸沿着一个方向擦洗，以防接触液中析出的硫划伤棱镜。

上述测试方法和步骤可以准确地测出刻面宝石的折射率值和双折率，甚至轴性和光性。

2．远视法(也称点测法)

为了扩大折射仪的使用范围，对小刻面宝石或弧面型宝石的折射率，可采用远视法即点测法进行近似测试，方法如下： 1)清洗棱镜和宝石，摘下偏光片。 2)在金属台上点一滴接触液。

3)手持宝石，用弧面或小刻面接触金属台上的液滴，以保证宝石上的接触液滴直径约为0．2mm。若宝石上的液滴较大，则不易得到清晰而准确的读数。

4)将带有合适液滴的宝石轻轻放置于棱镜中央，使宝石通过液滴与棱镜形成良好的光学接触。

5)眼睛距目镜30—45cm，平行目镜前后(有人称之为上、下)移动头部，用下列两种点测法来读取宝石的折射率。

50／50法。观察液滴呈半明半暗时明暗交界处的读数并记录(见图2-1-20)。所测数值为最精确的点测法读数，通常可用于表面抛光良好的宝石。读数可精确到小 数点后第二位。

均值法。观察液滴的亮度在标尺的某一区间逐渐变化。取最后一个全暗影像与第一个全亮影像的读数的平均值为所测折射

率。通常用于抛光不好或稍有凹凸不平的测试表面或接触油过多的情况。所测数值为精确度最差的点测法读数。读数到小数点后第二位(见图2-1-21)。 3．闪烁法

对于具有高双折射率且抛光不良或一些弧面宝石，常用闪烁法来估测宝石的双折射率。其方法如下：

1)清洗棱镜和宝石。

2)取下折射仪的偏光片和放大镜。

3)按点测法放置宝石，观察其在折射仪上的液滴影像。

将偏光片在目镜上方来回90°转动(但勿将偏光片直接放在镜片上)，同时按点测法的观察方法上下移动视线，注意液滴影像明暗或颜色的变化。双折射率大的宝石，如菱锰矿、孔雀石等，在此观察过程中，液滴影像会由亮变暗，或由浅绿变成浅红、粉红闪动。

如液滴影像无闪动，转动宝石90°，再度观察。若仍无闪动，可推断宝石无高双折射率。

如液滴影像闪动，则记录液滴影像在标尺上部开始闪烁的位置和标尺下部停止闪烁的位置的两个数值，两者之差，即为

双折射率的估计值(见图2-1—22)(注意：此差值并非宝石的 双折射率的准确数值)。

四、观察现象及结论

1)转动宝石360°，视域内出现一条阴影边界 若快速转

动配置在目镜上的偏光片，阴影边界无上下跳动的现象，表明

此宝石为均质体宝石(包括等轴晶系宝石和非晶质体宝石)或多晶质集合体宝石(见图

2-1-23)。有的多晶质集合体也会出现模糊的双阴影边界(如葡萄石)，这是由于晶体定向排列造成的。

2)一轴晶宝石的折射率 转动宝石360°，视域内出现两 条阴影边界，其中一条在宝石转动过程中保持读数不变，另 一条阴影边界上下跳动，这种情况说明宝石为一轴晶(三方、 六方或四方晶系宝石)。不动的阴影边界读数为常光的折射率 值n。，而随着宝石的转动，跳动的阴影边界为非常光折射率 值neˊ(ne)。若不变的阴影边界读数较小，则此宝石为一轴晶 正光性，即ncˊ(ne)>n。；若不变的阴影边界读数较大，则此宝 石为一轴晶负光性，即ncˊ(ne)< n。两个阴影边界距离最大时， 即是常光和非常光的折射率差值最大，此差值即为双折率(见

图2—1—24)。双折率是鉴定宝石的一个重要参数，要求精确到： 0．001。

3)二轴晶宝石的折射率 转动宝石360°，出现两条阴影 边界，两条阴影边界随着宝石的转动而上、下移动，这种情况 说明宝石为二轴晶(三斜、单斜或斜方晶系宝石)。转动宝石 过程中，若大折射率阴影边界上下移动幅度比小折射率边界上 下移动幅度大，则说明ng一nm>nm—np，宝石为二轴晶正光性 (+)(见图2—1—25(a))，反之，则说明ng一nm< nm—np，宝石为 二轴晶负光性(—)(见图2—1—25(b))。二轴晶宝石在转动过程中

可出现两条阴影边界逐渐靠近直至重合的特殊现象，重合位置 的读数即为该宝石的nm值。

4)高折射率宝石(折射率值大于接触液)的折射率

转动宝石360°，整个视域较暗，仅能观察到折射油所形成的 位于1．81±的影像边界，这种现象表明宝石的折射率值大于 接触液的折射率值，即通常大于1．81，用“折射率>1．8广 表示。如翠榴石、锆石等(见图2-1-26)。

5)几种特殊现象 假均质体现象。转动宝石360°，好 像只有一条阴影边界，但快速转动偏光片，阴影边界上下跳 动。这种现象表示待测宝石是非均质体，其双折率很小，两 条阴影边界距离很小，肉眼难于分辨。如磷灰石、符山石， 其双折射率分别为0．002—0．008、0．001～0．012。

假一轴晶现象。有些二轴晶宝石的ng：与nm或nm与np差值很小，当转动宝石360°时，好像其中一条阴影边界不动，如金绿宝石(nm接近np)、黄玉(nm接近np ,nm=1．609，ng=1．616，np=1．606)、柱晶石(nm接近ng)。

特殊光性方位。当一轴晶宝石的非常光的振动方向(光轴方向)平行折射仪棱镜长轴方向时，两条阴影边界重合，但随着宝石的转动，这种现象随即消失；当一轴晶宝石的非常光的振动方向(光轴方向)垂直于折射仪棱镜平面时，两条阴影边界保持不变，在任何位置上都显示出最大双折射率。若二轴晶宝石(特别是斜方晶系宝石)的测试刻面与某个振动方向垂直时，则必有一条阴影不动，与一轴晶宝石的现象一致，但只要换一个测试刻面这种现象立即消失。必须指出：当一轴晶宝石取向正确时，在一个刻面上可同时获得宝石的最高与最低的折射率值；对于二轴晶宝石来说，两个阴影边界各自移动，在一个刻面上不能同时获得宝石的最高与最低的折射率值。某些具有特别双折射率的宝石，其中一个折射率值位于折射仪测试范围之内，而另一个折射率值却超出了测试范围，如菱锰矿，其no=1．84，ne=1．58，no>1．81。当转动宝石时，虽然只有一条阴影边界可见，但却是随着宝石转动在不停地移动，极易迷惑初学者。此时可用闪烁法来估测宝石的双折射率。

五、使用折射仪的注意事项

1)使用折射仪之前，要对其进行检查和校准。 2)测试前擦拭棱镜，使之清洁。

3)测试时要保护折射仪棱镜，避免宝石或镊子划伤而影响棱镜使用寿命。 4)测试结束后，及时擦拭棱镜残存的接触液，避免接触液腐蚀棱镜。 5)与偏光镜、二色镜配合使用，能得出更加准确的结论。

6)由于类质同象的影响，同种宝石的折射率可能会在一定范围内变化。 7)要获得准确的双折射率值，需多测量几个刻面。

8)对于尖晶石和祖母绿来说，从折射仪获得的数据，可以帮助区分出是天然或合成宝石。

9)折射率读数的精确度和可靠性取决于样品的抛光质量、接触液的多少、样品是否干净、折射仪的校准、所用光源的类型等多方面因素。

第四节 紫外灯

紫外灯是一种重要的辅助性鉴定仪器，主要用来观察宝石的发光性(荧光)(见图2-1-27)。虽然荧光反应很少能作为判定宝石种属的决定性证据，但在某些方面可以快速地区分宝石品种。如：鉴别钻石与其仿制品、红宝石与石榴石等。

紫外线是波长在10—400nm之间的电磁波，位于可见光和X 射线之间，波长较可见光短，不能为人眼所观察到。实际应用的 大多数是200—400nm之间的紫外线。为方便起见又把这一部分紫 外线划分成三部分：短波，200—280nm；中波，280—315nm；长 波，315—400nm。

其中长波和短波常被用于宝石鉴定。

一、原理

紫外灯灯管能辐射出一定波长范围的紫外光波，经过特制的滤光片后，仅射出主要波长为365nm的长波或253．7nm的短波的紫外光。

根据宝石在长波紫外光和短波紫外光下的荧光特性可以帮助鉴定宝石。

二、使用

目前市场上有各种各样的紫外灯，但不管哪种类型，都是由紫外光源、暗箱和观察窗口三部分组成。有的还带有眼睛防护镜，以防止紫外线对眼睛的损伤。

将待测宝石置于紫外灯下，打开光源，选择长波(LW)或短波(sw)，观察宝石的发光性。观察时除了注意荧光的强弱外，还需注意荧光的颜色和荧光的发出部位。荧光的强弱常分为无、弱、中、强四个等级。有时由于宝石刻面对紫外光的反射，会造成宝石发出紫色荧光假象，此时只需将宝石放置方位稍加改变即可。此外，荧光是宝石整体发出的光，而刻面反光并非如此，光强不均匀，并且显得呆板。宝石在长波下的荧光强度通常大于短波下的荧光强度。

三、用途

1．紫外灯可以帮助鉴定宝石品种

某些宝石种在颜色外观上较为接近，如红宝石与石榴石、某些祖母绿与绿玻璃、蓝宝石与蓝锥矿，但它们之间荧光特性有明显差异，因此可借助荧光检测将它们区分开。常见宝石的荧光特征见表2-1-1。

2．帮助判别某些天然宝石和合成宝石

天然红宝石由于或多或少含一些Fe，在紫外灯下荧光颜色不如合成品鲜艳明亮，天然祖母绿的荧光颜色，也常不如合成晶鲜艳；焰熔法合成黄色蓝宝石在长波下呈惰性或发出红色荧光，而某些天然黄色蓝宝石却呈黄色荧光；焰熔法合成蓝色蓝宝石呈浅蓝白或绿色荧光.而绝大多数天然蓝色蓝宝石却呈惰性。

3．帮助鉴定钻石及其仿制品

钻石的荧光强度变化非常大，可以从无到强，也可呈现各种各样的颜色。有强蓝色荧光的钻石通常具有黄色磷光。常见仿制晶如合成立方氧化锆在长波紫外线下呈惰性或发浅黄色荧光，人造钇铝榴石呈现黄色荧光，人造钆镓榴石则常呈粉红色。在短波下合成无色尖晶石发出蓝一白色荧光，无色合成刚玉呈弱蓝色荧光。因此，紫外灯对于鉴定群镶钻石十分有用，因为若都为钻石，其荧光发光强度和颜色不会均匀，而合成立方氧化锆、人造钇铝榴石等，其荧光强度则较为一致。

4．帮助判断宝石是否经过人工优化处理 某些拼合石的胶层会发出荧光，某些注油的宝石和玻璃填充宝石其充填物可能会发出 荧光，某些B货翡翠也会发出荧光。硝酸银处理黑珍珠无荧光，而某些天然黑珍珠却可发 出荧光。

5．帮助判别某些宝石的产地

如斯里兰卡产的黄色蓝宝石在紫外光下发黄色荧光，而澳大利亚产的则无荧光。

四、注意事项

1)短波紫外线会对眼睛和皮肤造成伤害，严重者可导致失明，应避免直视荧光灯灯管。

同时也不要将手放在短波紫外线下，最好用镊子代替手，防止灼伤。

2)宝石的荧光反应仅作为一种辅助性的鉴定证据。

3)在判断宝石的荧光时应考虑样品的透明度，透明样品与不透明样品的荧光有所不同。

4)同类宝石不同样品的荧光可能存在明显的差异。 5)宝石的荧光颜色可能与宝石本身的颜色不同。 6)黑色背景有利于宝石荧光的观察。

第五节偏光镜

偏光镜是一种结构简单、操作方便的宝石鉴定仪器(见图2-1—28)，主要用于检测宝石的光性，还可用于判断宝石的轴性、光性符号及检查宝石的多色性。

一、结构及原理

偏光镜主要是由上、下偏光片和光源组成(见图2-1-29)。此外还可配有玻璃载物台、干涉球和凸透镜。光源一般采用普通白炽灯有

时在光源箱前侧开有一个狭窄的窗口，也可为折射仪提供光源。偏光镜在设计时通常是下偏光片固定，上偏光片可以转动，从而可以调整上偏光的方向。为了保护下偏光片，其上有一可旋转的玻璃载物台。干涉球和凸透镜可用来观察宝石的干涉图。

当自然光通过下偏光片时，即产生平面偏光，若上偏光与下偏光方向平行，来自下偏光片的偏振光全部通过，则视域亮度最大；若上偏光与下偏光方向垂直，来自下偏光片的偏振光全部被阻挡，此时视域最暗，即产生了所谓的消光(见图2-1-30)。

二、偏光镜的使用方法

1)清洁宝石，观察宝石是否透明。

2)打开偏光镜电源开关，旋转上偏光片直至消光位置。

3)将宝石放在下偏光片上方的玻璃载物台上，用手或镊子在水平方向上转动宝石360度(有载物台时可直接转动载物台)，观察宝石的明暗变化。

三、偏光镜的应用及现象解释

偏光镜对鉴别均质体、非均质体和多晶质体具有重要的作用。 1．均质体

若待测宝石为均质体，当自然光经过下偏光片透过宝石时，光的振动方向不发生任何变化，其仍为偏振光。通过上偏光片后，光全部被阻挡不能通过。因此任意转动宝石，宝石在视域中呈全暗(消光)(图2-1-31)。

2．非均质体

晶体中除等轴晶系宝石外，都为非均质宝石。当待测宝石为非均质体时，在正交偏光镜下，转动宝石360°，宝石会出现四明四暗现象。这是因为非均质体具有将光分解成振动方向相互垂直的两束偏光的性质(光轴方向除外)。当通过下偏光片的平面偏光进入待测宝石时，若下偏光振动方向与宝石的光率体两个椭圆半径之一平行时，下偏振光透过宝石，振动方向不发生变化，仍与上偏光片振动方向垂直，从而被阻挡，视域全暗(见图2—1—32(a))；若下偏光振动方向与宝石的光率体两个椭圆半径斜交时，下偏振光被宝石分解成振动方向相互垂直的两束偏光。有一部分光线可透过上偏光片，视域逐渐变亮，当若下偏光振动方向与宝石的光率体两个椭圆半径斜交呈45°时，视域最亮(见图2-1-32(b))。于是随着宝石的转动，出现了明暗交替现象。这种明暗交替现象在宝石转动一周的过程中出现四次。但是必须指出的是如果非均质体的光轴方向平行于观察方向，则在正交偏光镜下转动宝石360°，宝石并不出现四明四暗现象，而是全暗。

3．多晶质宝石

多晶非均质集合体宝石在正交偏光镜下，转动360°，宝石在视域中都是明亮的。这是因为多晶集合体中大量的晶体杂乱无章地排列，于是不同晶体将光分解后，所产生的偏振光振动方向也杂乱无章，各个振动方向都有，总体效果近似自然光。聚片双晶发育的宝石情况与此类似。 多晶均质集合体宝石在正交偏光镜下，转动360°，宝石在视域中全暗。

4．特殊现象 (1)异常消光

许多均质体宝石在正交偏光下并不出现全暗现象，而是随着宝石的转动，宝石在视域内出现不规则明暗变化，这种现象称之为异常消光，这是由于在均质体宝石中出现异常双折射所造成的。不同的宝石，其异常双折射成因有所不同。玻璃在生产过程中，由于快速冷却，致使内部应力聚集，形成异常双折射，造成常见的“蛇形带状”异常消光现象；焰熔法合成尖晶石由于生产过程中加入了过量的铝，使晶格有一定程度的扭曲，形成异常双折射，从而在正交偏光下出现栅格状或斑纹状异常消光；石榴石则是由于类质同象替换，致使晶格产生了某些不均匀性，从而出现异常消光，甚至出现类似四明四暗的消光现象。

异常消光现象总的来说还是好判断的。因为非均质宝石在正交偏光镜下转动时，每转90°会重复以前的明暗变化，有极明显的规律性，而异常消光现象通常无这种规律性。

在鉴定过程中偏光镜常与折射仪、二色镜相互补充使用。折射仪可判断易混淆的异常消光现象，如石榴石有时在偏光镜下呈现假四明四暗现象，而在折射仪测试过程中永远只

会出现一条阴影边界，并且无多色性。反之，偏光镜可帮助判断双折率很小的宝石的光性，如磷灰石的双折率只有0．003，在折射仪上很难见到双阴影边界(特别是非单色光作为光源时)，然而若置于偏光镜下，很容易就可断定出为非均质宝石。

判断是否为异常消光，可以通过折射仪、二色镜对其光性进行验证，也可以在偏光镜下进行验证。首先将宝石在正交偏光镜下转动至最亮处，然后固定宝石，转动上偏光片90°使其振动方向与下偏光片振动方向平行，若宝石亮度不变或稍暗，则为非均质宝石；若宝石变亮，则为均质宝石。使用此法时要注意，有些红、橙、紫红色石榴石具有极明显的异常双折射，有时仍会表现出非均质体的性质，最好的验证方法是使用二色镜和折射仪观察。

(2)全暗假象

要正确判断宝石的光性，首要条件是必须保证有足够的光线穿过宝石。有些高折射率宝石如钻石、锆石、合成立方氧化锆等，若切工良好，台面向下放置时几乎没有光线能够穿过，那么无论宝石为均质体或非均质体，均会呈现全暗的假象。要排除这种并非由宝石本身的光性所造成的全暗假象，可以变换宝石放置方位，如将亭部刻面直接放在载物台上再次进行观察即可。此时，还可将宝石放人与其折射率相近的浸液中，以减少因散射光所造成的影响，增加透过高折射率宝石的光量。

(3)其他假象

某些透明单晶宝石有较多且较明显的裂隙或含有大量包体，这些裂隙和包体都会影响光在宝石中的传播，从而难以准确判断其光学性质。此外，周围其他光线在宝石上若发生反射，造成反射光偏振化，也会影响判断的正确性。

四、偏光镜的局限性

偏光镜在使用中有一定局限性。

1)偏光镜不适用于不透明的宝石的测试。待测宝石必须是透明或半透明，至少部分透明或半透明。如某些透光性不好的弧面型宝石，由于边部较薄，可呈半透明，仍可进行测试。

2)若待测宝石透明，但含有大量的裂隙和包体，则测试的可靠性较差。

五、干涉图及其观察

1．现象

双折射宝石在上下偏光和锥形偏光共同作用下，由消光与干涉效应综合作用而产生的特殊图案，称为干涉图。其在偏光镜下所呈现的是由各色条带组成的图案。在偏光镜的上下偏光片之间加上一无应变干涉球或凸透镜即可将通过下偏光片的平面偏光变成锥形偏光。

白光在非均质体宝石中产生双折射，分解成两条振动方向互相垂直的偏振光，宝石相对于二者的折射率不一样，造成一定的光程差。锥光的作用是增加光在宝石中传播的光程，产生不同大小的光程差。在透过宝石之后会产生干涉，使白光中一部分波长的光加强，而另一部分的光减弱，这些经过干涉后的光，会产生各种颜色，称之为干涉色。干涉色的产生取决于宝石的双折射率和光程。 根据干涉图的形状可判断宝石的轴性。

一轴晶干涉图：一轴晶干涉图为一个黑十字加上围绕十字的多圈干涉色色圈，黑十字由两个相互垂直的黑带组成，两黑带中心部分往往较窄，边缘部分较宽(见图2-1-33)。干涉色色圈以黑十字交点为中心，呈同心环状，色圈越往外越密，转动宝石，图形不变。水

晶由于内部结构使偏振光发生规律旋转(即旋光性)，干涉图呈中空黑十字，称为“牛眼干涉图”(见图2-1-34)。某些水晶双晶的干涉图在中心位置呈现四叶螺旋桨状的黑带(特别是某些紫晶)。

二轴晶干涉图：根据观察方向的不同，二轴晶干涉图分为两种，即双光轴干涉图和单光轴干涉图。双光轴干涉图由一个黑十字及“∞”字形干涉色圈组成，黑十字的两个黑带粗细不等(见图2-1-35)。“∞”字形干涉色圈的中心为二个光轴出露点，越往外色圈越密。转动宝石，黑十字从中心分裂成两个弯曲黑带，继续转动，弯曲黑带又合成黑十字。单光轴干涉图由一个直的黑带及卵形干涉色圈组成，转动宝石，黑带弯曲，继续转动，黑带又变直(见图2-1-36)。

2．观察步骤

要观察到宝石的干涉图必须将宝石在正交偏光镜下进行正确的定向，只有当光轴与偏光片近于垂直时才会出现干涉图。首先，使上、下偏光片处于正交位置，放人宝石，之后转动宝石寻找彩色干涉色；当干涉色出现后，在颜色最密集处加上干涉球，即可观察到干涉图。通常，双折率较低的宝石比双折率较高的宝石易于定向。如磷灰石，其双折率0．003，光轴与偏光片夹角只要大于50o一60o即可。换句话说，当光轴与正确的垂直方位小于30o一40o时，都可观察到干涉色。而锆石则不然，锆石的双折率为0．059，要正确定向就比较困难，只有当光轴与正确方位相差10o一15o以下时，干涉色才会出现。如果干涉图不明显，可以将宝石上下转动180o再观察。

六、利用偏光镜观察宝石的多色性

利用偏光镜也可观察宝石的多色性。具体方法是，转动偏光镜的上偏光片，使上下偏光振动方向平行，视域呈全亮；将宝石放到载物台上，分别从2—3个不同的方向上，转动宝石对其进行观察，如果宝石有颜色变化，说明其具有多色性。综合不同方向上观察到的颜色，可给出宝石大致的二色或三色性的颜色。但对多色性较弱的宝石，利用偏光镜不易观察。若要准确地描述宝石的多色性，需要借助二色镜。

七、注意事项

在使用偏光镜对宝石的光性特征、轴性、多色性进行测试的过程中，要注意其适用范围及影响测试的诸多因素。

1)不适用于不透明及透明度不好的宝石。 2)很小的宝石难以观察或难以解释。

3)裂隙和包体发育的宝石可能出现异常现象。

4)测试圆钻形宝石时最好将亭部刻面与载物台接触。 5)测试钻石及其仿制品时，最好置于浸油槽中观察。

6)有些均质体宝石如石榴石、玻璃、尖晶石、欧泊、琥珀等，因为异常双折射，可能

出现许多不同的现象，最好用二色镜、折射仪等进行验证。

7)要确定轴性、光性的宝石必须是透明的非均质单晶。

8)测试时除了要转动宝石，还应转换宝石的方位，排除因光线沿光轴方向传播造成的假象。

9)注意区分均质体的黑十字形异常消光与一轴晶干涉图，黑十字形异常消光不会与干涉色同时出现，而一轴晶干涉图却是黑十字与干涉色圈同时出现。

第六节 二色镜

二色镜是用来专门观察宝石多色性的一种常规仪器。多色性在某些情况下也是判定宝石品种的依据，尤其是当折射仪，偏光镜等仪器不能确定有色宝石是均质体还是非均质体时，二色镜能非常有效地判断有色宝石的光性特征(见图2-1-37)。

一、原理与结构

当自然光进入非均质体宝石时，分解成两束振动方向相互垂直的偏振光，这两束光各自的传播方向也不同。非均质体宝石的各向异性导致了宝石对不同振动方向的光的吸收不同。只要能将这两种振动的光分离开来，就可能看到不同的颜色。

常用的二色镜是冰洲石二色镜，它由玻璃棱镜、冰洲石菱面体、透镜、通光窗口和目镜等部分组成。冰洲石具有极强的双折射，双折射率为0．172(n。=1．658，ne=1．486)，它能将一束光分解成两条偏振光线。冰洲石菱面体的长度设计成正好可使小孔的两个图像在目镜里能并排成像。当观察具多色性的宝石时，冰洲石二色镜将透过宝石的两束偏振化色光再次分解，使两束偏光的颜色并排出现于窗口的两个影像中(见图2-1-38)。

均质体宝石不具各向异性，因此不存在多色性，观察到的两个窗口颜色相同。

非均质体有色宝石具各向异性，因而存在多色性。只有当穿过宝石的两束偏振光振动方向与冰洲石菱面体光率体主轴相互平行或垂直时，看到的才是宝石真正的多色性颜色。若透过宝石的光的振动方向与二色镜冰洲石菱面体光率体主轴相交45o时，则见不到多色性。以其他角度相交，所见到的两窗口颜色虽有差别，但仍为混合光，并非真正的多色性颜色。这就是为什么在转动二色镜和宝石的过程中，二窗口颜色不断变化的原因。应该指出的是：当非均质有色宝石的光轴平行于二色镜长轴时，看不到多色性。

二、使用方法

(1)用白光透射宝石样品。

(2)将二色镜紧靠宝石，保证进入二色镜的光为透射光。

(3)眼睛靠近二色镜，边转动二色镜边观察二色镜两个窗口的颜色差异。 (4)记录并分析结果。

三、多色性级别的划分

多色性只出现在有色的非均质体宝石中，通常单晶宝石的颗粒越大、颜色越深，多色性越明显。

根据多色性的强弱，通常可分为四级：

强：肉眼即可观察到不同方向颜色的差别。如堇青石、红柱石、蓝碧玺等。 中：肉眼难以观察到多色性，但二色镜下观察明显，如红宝石。

弱：二色镜下能观察到多色性，但多色性不明显，如紫晶、橄榄石等。

无：二色镜下不能观察到多色性，如石榴石、尖晶石等均质体宝石和无色或白色的非均质体宝石。

多色性的强弱程度划分并不是绝对的，其级别也不能作为鉴定宝石种属的确凿依据。因为多色性不仅取决于宝石本身的光性特征，还受到宝石颜色的很大影响。同种宝石，颜色越深，多色性就越明显，颜色越浅则越不明显。比如红宝石，深红色者，多色性强度为中等；浅色者，多色性呈现弱。

有些有色的非均质宝石的多色性可呈现体色的深浅色调。如紫晶为浅至深的紫色。

四、二色镜在宝石鉴定中的应用

二色镜可帮助鉴定宝石品种和某些合成宝石。若已知两粒红色宝石分别为红宝石和红玻璃，利用二色镜，可以很容易地区分开，前者有多色性，而后者无多色性。黄绿色碧玺多色性明显，而橄榄石却较弱。垂直台面观察，焰熔法合成红宝石通常多色性十分明显，而红宝石则不明显甚至观察不到多色性。

五、注意事项

1)光源应为白光，可用灯光或太阳光。绝不能用单色光、偏振光。观察时采用透射光。 2)宝石一定为有色的单晶宝石，颜色越深透明度越好则越易观察。集合体宝石一般 无多色性，但对于同种矿物集合体，若具有明显的定向性，则在二色镜下也可能呈现多 色性。

3)宝石应尽量靠近二色镜的一端，眼睛靠近另一端，准焦。这样可保证有较多的透射光进入二色镜，并减少刻面的反射光进入二色镜。

4)转动宝石或二色镜，从不同的方向观察宝石，可排除光线沿宝石的光轴传播所造成的无多色性假象，还可帮助判断弱多色性宝石。

5)只有当通过宝石的偏振光振动方向与冰洲石光率体主轴一致时，所观察到的才是真正的多色性。不要将多色性的混合色当作第三种颜色(从而错误断定为具三色性)。

6)在使用偏振片二色镜时，除了要保证充足的照明外，还应注意由于宝石颜色的不均匀(如色带或色域)而影响多色性的观察。

7)多色性的强弱与双折率无关，并非双折率越大，多色性越强。

8)不要将宝石直接放在光源上，某些宝石受热后多色性可能会发生变化。

9)在宝石鉴定中，多色性只是作为一种辅助证据，必须要有其他测试方法的支持。

第七节 分 光 镜

宝石的颜色是宝石对不同波长的可见光选择性吸收造成的。未被吸收的光混合形成宝石的体色。宝石中的致色元素常有特定的吸收光谱。通过观察宝石的吸收光谱，可以帮助鉴定宝石品种，推断宝石的致色原因，研究宝石颜色的组成。

一、原理及结构

宝石中的致色元素主要为Ti、v、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等过渡金属元素。表2-1-2列出了其对宝石颜色的影响。除过渡金属元素外，某些稀土元素(如钕和镨)以及某些放射

性元素(如铀)，也会使宝石致色。

若采用一种仪器，能将白光按波长依次分开排列，我们就可以分析出哪些波段被吸收，并根据吸收特征可以判断出宝石的致色元素或(和)种类。分光镜便是这样一种仪器，根据色散元件的不同，可制作两种类型的分光镜。

1.棱镜式分光镜

棱镜式分光镜采用三角棱镜作为其色散元件（见图2-1-39）。图2-1-40为其工作原理简图。

S为一狭缝，位于L1的第一焦平面。当白光通过狭缝S后，经过L1成为平行光束。不同波长的光经过棱镜后折射方向不同，但同一波长的光束仍保持平行。穿过棱镜的光波经乙，后汇聚到成像焦平面上，不同波长的光波汇聚点不同，形成一系列不同颜色的像，即形成光谱。

棱镜式分光镜中的棱镜应具有以下特点：

1)棱镜材料不应吸收可见光的特定波长，否则会混淆观测结果。

2)棱镜的色散不应太大或太小，其目的是使产生的光谱有合适的宽度。 3)棱镜材料必须是均质体，否则会产生两个光谱，影响观察。

根据上述原理基础，采用棱镜组(棱镜彼此之间呈光学接触)使入射光的传播方向近于 不变。棱镜通常使用铅玻璃和无铅玻璃两种材料制成。

由于单凸透镜都存在着色像差，因此设计了可前后移动的滑管，以分别对红端和紫端进行观察。此外，狭缝宽窄也是可调的，若狭缝调得太宽，入射光量增加，但同时狭缝的像宽也增加，从而引起不同颜色的像之间产生叠加，反而看不清：若狭缝调得太窄，虽然像也变得窄，但入射光量减少，影响观察。因此使用棱镜式分光镜时，应把滑管和狭缝调到最佳位置。

2．光栅式分光镜

光栅式分光镜采用光栅代替棱镜做色散元件。光栅是一种具周期性的空间结构或光学性能的衍射屏，是一种十分精密的分光元件。当白光透过光栅后，产生衍射，形成一系列光谱 (见图2-1-41)。

光栅式分光镜的优点是能产生线性光谱，也就是说所有的波长都是等间距排列的，而棱镜式分光镜却是非等间距的，红光区相对收敛，紫光区相对发散。因此光栅式分光镜有利于观察红区光谱的特征，棱镜式分光镜宜于观察紫区光谱的特征。

二、使用方法

分光镜的用途十分广泛，可以用来判断宝石的致色元素，鉴定具特征光谱的宝石种，以及鉴定合成、优化处理宝石和仿制品等。

(一) 照明方式

由于分光镜体积小，便于携带，且特征光谱具有明确的鉴定特征，因此分光镜是一种十分重要的鉴定仪器。在使用时，常配合各种照明方式对宝石进行观察。 1．透射光法

适用于半透明到透明、颗粒较大的宝石，可保证足够的光能透过宝石进入分光镜。利用此法要注意：

1)保证足够的光量透过宝石。

2)保证进入分光镜的光都来自宝石，从而得到清晰的光谱。

为此，常采用挡光黑板或锁光圈挡住来自宝石外部的光线，并尽可能地缩短眼睛、分光镜、宝石、光源间的距离(见图2-1-42)。

2．内反射光法

适用于颜色较浅，宝石颗粒较小的透明宝石。宝石台面向下置于黑色背景上，调节入射光方向与分光镜的夹角，增加光线在宝石中的光程，使尽可能多的白光经过宝石的内部反射后进人分光镜(见图2-1-43)。

3. 表面反射光法

适用于透明度不好的宝石。调节入射光方向与分光镜的夹角，使尽可能多的白光经宝石表面反射后进人分光镜(见图2-1-44)。

(二) 操作步骤

宝石鉴定中常用的是便携式分光镜，而实验室中还使用台式分光镜。台式分光镜是一种带光源、标尺等附件的棱镜式分光镜(见图2-1-45)，其光源强度、锁光圈、镜筒、进光狭缝和波长标尺等都可调节，可以观察到明亮而清晰的光谱。现以透射光法为例说明台式分光镜的使用方法。

1)将宝石用宝石夹夹住贴近锁光圈口或直接放在锁光圈孔 上，根据宝石的尺寸调节锁光圈口。

2)寻找和对准宝石的最亮点，以保证透过宝石的光能最大限 度地进人分光镜。

3)调节光源强度，浅色宝石应强度较低，半透明或深色宝石 应强度较高。

4)完全关闭进光狭缝，然后缓慢开启，直到全部光谱清晰。 对于透明宝石，狭缝开口极窄，几近关闭，通常光谱在狭缝即将 完全关闭时最为清晰；对于半透明宝石狭缝开口稍宽。观察红区

光谱时，狭缝应调窄；观察紫区光谱时，狭缝应适当调宽。 5)缓慢调节滑管，准焦观察。

三、使用分光镜观察光谱时的注意事项

1)所观察到的光谱受下列因素的影响：

照明光源 应为白光源(连续光谱)，光源既不能有发射谱线也不能有吸收谱线。如太阳光和室内照明用日光灯，都有发射光谱，不能用做分光镜的照明光源。因此最好采用白炽灯、手电筒或特制光纤灯做光源。

宝石的大小 宝石较小，其光谱中的吸收线(带)可能相对较弱。

宝石颜色的深浅 同种宝石的颜色越深，吸收越强，光谱就越清晰。

宝石的透明度 对于透明宝石而言，穿过宝石的光程越长，光谱越清晰；而对于半透明宝石而言，穿过宝石的光程要适当。

分光镜狭缝应保持清洁，若有灰尘，会在光谱上产生黑色水平线。 宝石长久受光源热辐照，光谱会逐渐模糊甚至完全消失。

2)某些宝石的光谱具有方向性 这可能是由宝石的异向性引起的。

3)鉴定宝石时应与其他鉴定仪器配合使用 如蓝宝石和合成蓝宝石拼合石在分光镜下可呈现蓝宝石吸收光谱，石榴石为顶的拼合石可能呈现石榴石光谱，分光镜不能准确鉴别其是否为拼合宝石。因此分光镜应与显微镜等其他鉴定仪器配合使用。

4)应在暗环境下使用分光镜 在暗环境下使用分光镜可以排除某些发射谱的影响，如有些宝石在黄、绿、蓝和紫区有亮线，这是由于室内日光灯的光反射进入分光镜所致。

5)应该注意的是，不是所有的宝石都产生吸收光谱。另外测试时勿用手持样品，因为血液会产生波长为592nm的吸收线。

分光镜的使用很大程度上基于实践经验和宝石学知识，尤其是对宝石特征光谱的认识，只有熟记了宝石的特征光谱和过渡元素的特征谱线，才能有效地利用分光镜。

四、主要色素离子光谱特征

1．铬

主要形成绿色和红色。铬的吸收光谱主要表现为：红端有许多窄线，最强的两条位于深红区，另有两条位于橙区。在黄或绿区有一宽吸收带，此带的宽度、位置、强度与宝石的颜色密切相关。蓝区可有数条窄线，紫区吸收。铬产生的颜色色彩鲜艳，吸收谱清晰(见图2-1-46)。

2．铁

主要形成红和绿，蓝、黄等色。铁的谱线的清晰程度远远小于铬的吸收光谱。铁的吸收光谱主要表现为：主要的吸收带位于绿和蓝区，但光谱的各部分都可有若干吸收，铁致色的宝石颜色通常较暗，如铁铝榴石、橄榄石等(见图2-1-47)。

3.锰

主要形成粉、橙色。锰的吸收光谱主要表现为：最强的吸收位于紫区并可延伸到紫区外，部分蓝区有吸收，致色宝石主要呈现粉红或橙红，如菱锰矿、蔷薇辉石（见图2-1-48）。

4.钴

主要形成蓝色和粉色。钴的吸收光谱主要表现为:三条强而宽的吸收带分别位于黄、绿区，如钴玻璃、蓝色合成尖晶石（见图2-1-49）。

5.钕和镨

钕和镨常共生在一起，主要形成黄、绿色。钕和镨的吸收光谱主要表现为：在黄绿区形成特有的细线，如磷灰石、稀土玻璃（见图2-1-50）。

6.铀

虽不能导致鲜明的颜色却能产生明显的吸收光谱。铀的吸收光谱主要表现为：最稳定的吸收谱线位于中红区，其他各色区都可伴有谱线，如锆石（见图2-1-51）。

第八节 滤色镜

宝石的颜色是宝石对白光选择性吸收后残余色光混合所致。肉眼所见的颜色是一种混合光波，因此有些相似的颜色，其光波组成却不同。

滤色镜主要由一些彩色滤光片组成，这些组合的滤光片仅允许部分波长的光波通过。根据滤光片允许通过光波波长的范围的不同，可以制作成多种类型的滤色镜，如查尔斯滤色镜、交又滤色镜、红宝石滤色镜等，用于不同宝石种的鉴别。

一、查尔斯滤色镜

查尔斯滤色镜是宝石鉴定中最常用的一种滤色镜，又称为“祖母绿镜”(见图2-1-52)。这种滤色镜由英国宝石测试实验室的安德森和佩恩研制，并最先在查尔斯工业学校使用，因而称为“查尔斯滤色镜”。最初的设计目的是用来快速区分祖母绿与其仿制晶。

查尔斯滤色镜由仅允许深红色光和黄绿色光通过的滤色片组成，通过滤色镜直接观察物体，所有物体只会出现两种颜色，即黄绿色或红色。

祖母绿虽为绿色，但因为含致色元素cr，而允许部分红色光透过。因而在查尔斯滤色镜下，这类祖母绿呈现红色或粉红色。但后来发现许多新产地的祖母绿，特别是南非的祖母绿，在查尔斯滤色镜下并不变红，另外随着合成祖母绿的大量上市(合成祖母绿在查尔斯滤色镜也呈现红色)，查尔斯滤色镜在鉴定祖母绿中的作用越来越受到限制。不过在某些情况下，查尔斯滤色镜仍不失为一种简便快速的辅助鉴定工具。

使用查尔斯滤色镜时，应在白色无反光背景条件下，采用强白光照射宝石，将查尔斯滤色镜紧靠眼睛，距离宝石30—40cm处观察宝石颜色的变化。其主要用途有：

1．鉴定合成蓝色尖晶石、钴玻璃和合成蓝色水晶

钴化合物常用来在合成尖晶石、玻璃、合成水晶中产生蓝色。可用于模仿许多蓝色宝石，如海蓝宝石、蓝色蓝宝石、蓝色托帕石、蓝色锆石、天然蓝色尖晶石等。这些钴致色的合成材料能透过红光，所以在滤色镜下呈深浅不一的红色。而天然的蓝色尖晶石、蓝宝石、海蓝宝石和蓝色黄玉等却显示绿色或灰绿色。

一些产于斯里兰卡的粉红色蓝宝石，由于在宝石中含有微量的Cr元素而在滤色镜下变红。

2．鉴定染色绿玉髓和含铬绿玉髓

天然的绿玉髓有两类，一类由铬致色，一类由镍致色，铬致色者在查尔斯滤色镜下变红，而镍致色者却不变。

染色绿玉髓的染料常含Cr，因此在查尔斯滤色镜下也会变红。染色绿玉髓和含铬绿玉髓可以通过分光镜进行鉴别。

3．鉴定染色翡翠

采用铬盐染色的翡翠在查尔斯滤色镜下会变红，而天然翡翠通常不变色，但这也并不绝对，也可利用分光镜进一步鉴别。

4．帮助区分天然宝石与其合成品

查尔斯滤色镜在对祖母绿的鉴定中有时仍能行之有效，比如若呈很亮的红色，则是合成晶的可能性极大。

此外翠榴石、某些绿色锆石也呈红色，需借助其他检测手段进行区分。

二、交叉滤色镜

交叉滤色镜实际上是一种检验宝石荧光性的仪器。其由一片蓝色滤光片和一片红色滤光片组成，蓝色滤光片常用硫酸铜溶液代替。

白光穿过硫酸铜溶液时，除了蓝光外，全部被吸收，红色滤光片则吸收所有非红光。 因此，若一束白光依次穿过硫酸铜溶液和红色滤光片后，将被全部吸收。若在红色滤光片 前放置宝石，此宝石在蓝光照射下发出红色荧光，大量的红光通过滤光片，宝石看上去显

红色。

交叉滤色镜可帮助鉴别具红色荧光的宝石，如红宝石、红尖晶石、变石、粉色黄玉、祖母绿和天然黑珍珠。

除上述两种滤色镜外，目前还有许多种具专门用途的滤色镜，如专门鉴定红宝石的红宝石镜；鉴定海蓝宝石、蓝色黄玉、蓝宝石的蓝色宝石滤色镜等。其设计思路、原理甚至外观都大同小异，只是允许透过的光波波段不同而已。

三、注意事项与局限性

1)利用滤色镜观察宝石仅可作为补充的测试手段，不能以此作为宝石鉴定的主要依据。

2)虽然滤色镜最初被称为祖母绿滤色镜，但实际上它不能将常与祖母绿混淆的宝石材 料与祖母绿区分开来。

3)经滤色镜所见颜色的深浅取决于待测样品的大小、透明度及其本身的颜色深浅。

第九节 天 平

天平是一种称量物体重量的工具，在宝石学中不仅用于宝石的称重，而且还可测定宝石的相对密度。对于宝石质量(重量)的称量，国家标准要求天平精确到万分之一克。宝石的质量(重量)与密度是鉴定及评价宝石的一个重要的依据，因此正确地使用天平是一项重要的技能。

天平的类型有多种，如单盘、双盘、电子天平(见图2—1—53)及弹簧秤等，但不论哪种天平，要保证称重的准确性，必须做到以下三点：①保持天平水平；②使用前应校准并调至零位；③称重时保证环境的相对静止，如防止天平台的震动、空气的对流等。

由于称重是一种简单的操作，因此本节着重介绍利用天平如何测试宝石的密 度。

一、原理

宝石的密度是由组成宝石的化学元素的原子量和晶体结构中原子之间排列的紧密程度决定的。因此不同的宝石具有特定的密度值，宝石的密度具有重要的鉴定意义。

宝石的密度常用单位是g／cm3，表示体积为1cm3的宝石的质量。密度的测定十分复杂，因相对密度值与密度值十分接近，二者的换算系数仅1．0001，在宝石学中，通常把测定的相对密度值作为密度的近似值。

①

宝石的相对密度是指在4℃及1个标准大气压① 1atm(标准大气压)=101325pa的条件下，单位体积的宝石质量与同体积水的质量的比值，没有单位。

相对密度的测定方法(也称静水称重法)的依据是阿基米德定律：当物体浸入液体中时， 液体作用于物体的上浮力等于所排开液体的质量。

若液体为水，水温对单位体积水的质量影响忽略不计，根据阿基米德定律即可推出宝石相对密度(比重)的计算公式：

相对密度(d)=宝石的质量／宝石所排开水的质量

=宝石的质量／(宝石的质量一宝石在水中的质量)

≈宝石在空气中的重量／(宝石在空气中的重量一宝石在水中的重量)

空气对宝石的浮力可以忽略不计，宝石的质量也就是物体在空气中的重量。要得出相对密度值，只需称出物体在空气中和水中的质量即可。

二、测试步骤及注意事项

宝石的重量可直接在空气中称量得出。宝石在液体(水)中的重量可依照图2-1-54中所示，利用木架、铜丝、烧杯在天平上进行称量。称量水中宝石的重量时一定要注意排除周围物体对称量数据的影响。如宝石周围不能附着气泡，支架、烧杯不能与天平托盘接触，铜丝不能与烧杯接触等。为了减少气泡和水的表面张力对宝石重量的影响，可采用蒸馏水(或冷开水) 加入1—2滴洗洁精或少许洗衣粉。

三、影响测试精度的因素

(1)天平的精确度

天平的精确度越高，测量的结果越准确。 (2)宝石的大小

通常情况下，宝石越大则测定相对密度的误差越小。比如重2ct的蓝宝石，若水中称重误差O．Olct，则最后的相对密度值误差可达O．08ct。据Liddicoat统计，测量3—4ct的宝石，误差小于0．10;2～3ct者，±0．15；1．25—2ct，±0．20,0．75～1．25ct，±0．25。由此可见，即使严格按照操作步骤在标准天平上测定相对密度，也有误差。越小的宝石其误差越大，导致错误结论的可能性也就越大。所以建议不采用此法测定1ct以下宝石的相对密度。

(3)水的表面张力和附着于铜丝或宝石上的气泡

水的表面张力和附着于铜丝或宝石上的气泡都会影响宝石在水中的质量。将水烧开可减少气泡，加入一到二滴清洁剂可减少水的表面张力。此外，为了减小水的表面张力，测定相对密度常用四氯化碳代替水，计算公式变为：

相对密度(d)= 宝石在空气中的质量/（宝石在空气中的质量—宝石在液体中的质量）3四氯化碳的相对密度

四氯化碳的密度值随温度而有所变化，具体密度可由四氯化碳密度与温度变化曲线获得。在室温下，取相对密度值1．58即可。

利用静水称重法测试密度，不受宝石的密度大小限制，但不适用于测试多孔宝石。因为多孔宝石的孔洞中充填有不易排出的空气，在水中称量的质量值较小，计算出的相对密度值就会较实际小。然而只要宝石的质量足够大，比如3—4ct，则由于多孔所造成的误差是不会太大。尽管如此，静水称重法测定宝石的相对密度有一个很大的局限，那就是测试所需时间太长，即使有经验者也需几分钟方能完成。此外，许多宝石的相对密度本身就有一个变化范围，在宝石鉴定中常只需测试宝石相对密度的大致范围即可，为此实验室也常采用重液比较法，这种方法将在后面详细介绍。

第十节 重液(浸油)

宝石鉴定中常利用宝石在重液(浸油)中的运动状态来估测宝石的相对密度范围，这种测定方法快速简单。正确利用重液(浸油)来测定宝石的相对密度，是宝石鉴定工作者必须掌握的技能。

一、重液(浸油)的配制

重液(浸油)是油质液体，利用其密度，来测定宝石的相对密度时常称为重液(见表2—1—3)；利用其折射率比较观察宝石时常称为浸油或浸液。理想的重液(浸油)，要求挥发性尽可能小，透明度好，化学性质稳定，黏度适宜，尽可能无毒无臭，因此宝石学中常用的重液种类并不多。为了配制出某种密度值或某种折射率值的混合重液(浸油)，除上述要求外，还应考虑：

1)低值重液(浸油)与高值重液(浸油)能无限混溶，混合后不产生第三种物质。 2)两种纯重液(浸油)的挥发性要尽可能相近，否则混合重液(浸油)的相对密度或折 射率会随时间而变化。

如已知两种密度的重液(浸油)，为配制出另一种密度值的重液(浸油)，根据公式：

ρv=ρ1 v1+ρ2v2 (1) v=v1+v2 (2)

解得：

v1=(ρ-ρ2)v/(ρ-ρ2), v2=(ρ-ρ1)v/(ρ2-ρ1)

式中：p——所需配制重液(浸油)的密度值；v——所需配制重液(浸油)的体积；叶、 V1——所求两种已知重液(浸油)的体积；ρ1、ρ2——两种已知重液(浸油)的密度值。

例如：利用二碘甲烷和三溴甲烷配制密度值为3.05的重液lOml，

则需二碘甲烷体积：Vi= (3．05--2．89)x 10/(3．32--2．89)=3．72(m1)

三溴甲烷体积：V2=一(3．05--3．32)x 10/(2．89--3．32)=6．28(m1)

二、宝石相对密度的测定及注意事项

在使用重液(浸油)测定宝石相对密度时，常采用重液比较法，其基本原理与静水称重法相同。根据宝石在已知密度的重液(浸油)中的运动状态(下沉、悬浮或上浮)，即可判断出宝石的密度范围。

测试时要保证宝石和镊子的清洁，以免污染重液(浸油)，影响测试结果。

用镊子夹住宝石并浸入重液(浸油)中部，轻轻松开镊子，如果宝石上浮，则表明宝石的密度小于重液(浸油)的密度；如果保持悬浮状态，则表明宝石的密度与重液(浸油)的密度相同；如果宝石下沉，则表明宝石的密度大于重液(浸油)的密度。如果上浮或下沉的速度缓慢则表示宝石与重液(浸油)两者密度值相差不大；若下沉速度快，则表明宝石与重液(浸油)两者密度值相差较大(见图2-1-55)。

在重液(浸油)测试宝石相对密度过程中要注意以下几个问题：

1)宝石中因含有包体和杂质(如充填物、染色剂等)等原因，同一类宝石的相对密度会有所变化。

2)每次测试时，只打开一个重液(浸油)瓶并只测定一个样品，将重液(浸油)瓶瓶盖朝上放置，以免污染。

3)重液(浸油)应用棕色瓶盛装，避免阳光照射，以免重液(浸油)遇光发生分解。 4)采用干净的镊子夹持洁净的宝石，并在每次测试完毕后清洁并干燥宝石和镊子。 5)测试完毕后，迅速盖紧重液(浸油)瓶瓶塞。

6)由于重液(浸油)有很强的腐蚀性，因此在使用时，注意不能溅出重液(浸油)，以免粘在皮肤、衣物上。

7)测试时一般先使用密度较大的重液(浸油)(如密度为3．32g／cm3的二碘甲烷)，以节省时间。

8)环境温度可影响重液(浸油)的密度，即温度越高，重液(浸油)的相对密度越小。

三、利用重液(浸油)观察宝石

1)检测拼合石 沿平行于腰平面的方向，可以观察各种拼合宝石的拼合特征。

2)与显微镜配合观察宝石结构 当宝石的折射率与浸油的折射率相近时，宝石表面的反射光、漫反射光减少，有利于对宝石的内部特征如生长带、色带、包体等进行观察和研究。

3)确定宝石的干涉图 当宝石浸入重液(浸油)中时，由于减少了反射光和折射光，加 上正交偏光镜还能清楚地观察干涉图，并利用Plato法鉴定焰熔法合成刚玉类宝石。Plato法主要用于鉴定包体特征不明显的焰熔法合成刚玉。其观察条件较为严格：正交偏光下宝石浸入二碘甲烷中，光轴平行观察方向，亮域照明，在20x～40x下合成品会出现两组呈60‘交角的黑线。

4)检测复式生长处理和扩散处理 利用重液(浸油)可以观察合成祖母绿的复式生长层 和扩散处理宝石等。

四、利用重液(浸油)测宝石的近似折射率

重液(浸油)测定宝石的折射率只能是粗略地估计，不能确定具体数值。当宝石浸入重液(浸油)中时，宝石的折射率与重液(浸油)折射率越接近，宝石的轮廓越不明显；相反,石

的折射率与重液(浸油)折射率相差越大，宝石的轮廓越清晰。

五、重液(浸油)的保存

为了防止重液(浸油)与光和空气作用，防止挥发，必须将重液(浸油)储存在棕色油滴瓶中，同时放人纯铜片，每次使用完毕一定要将浸油瓶盖好。

每瓶重液(浸油)都有其密度值或折射率值的标记，并应在瓶盖和瓶身上贴上相同的标签，再涂上一层薄蜡，而后按数值大小依次放人浸油箱中。重液(浸油)箱应放在阴暗处，并防止温度过冷或过热变化。由于重液(浸油)的组成溶液的挥发性不同，所以重液(浸油)的相对密度会随时间产生变化，再次使用时必须重新校准。

第十一节 钻石鉴定相关仪器

一、热导仪

物质的热能可通过三种方式进行传 递：传导、对流和辐射。在室温条件下，主 要是传导。

热有四种固有的特性，即热导率、热 扩散率、传热系数和比热容。其中热导率 对于物质而言是一常数，表示每秒钟通过 一定厚度的物质的热量。热导率的测量单 位为瓦特每米每摄氏度(W／m2℃)。热

导仪是根据宝石的导热性能设计并制造的，它是一种用途较为专一的鉴定仪器。由于在所有宝石中，钻石具有极高的导热性能，因此，热导仪主要用于鉴别钻石及其仿制品(见图2-1-56)。

(一)设计原理

对于非均质体晶体而言，因为晶体结构的异向性，不同方向热导率不同。 通常认为热量的传递是通过自由电子和光子进行的。因此，金属的热导率较非金属大,非晶质体中由于结构单元的无序性，光子产生更多的散射，因此晶体的热导率(入)较非晶体大。然而钻石是一例外，虽为非金属，但其热导率却比金属还要大(见表2-1—4)。其原因是，钻石的热导率与钻石晶体中碳原子振动或共振频率有关。在钻石晶体中，C原子非常轻，而结合的键力却很强。因此，原子的震动或共振频率非常高，并且C原子振动时消耗的能量非常小，热量可以非常迅速地传过钻石而不会被吸收。

(二) 结构

热导仪包括热探针、电源、放大器和读数表四部分。读数表可由信号灯或呜叫器代替，显示测试结果。电源为热探针供热，并为整个仪器供电。整 个热导仪的关键元件是热探针，仪器内部结构如图2-1- 57所示。

电热元件为铜针，铜针两端连接仪表形成电路，即 组成了热电偶。接通电源，经预热，铜针升至一定温度 即可测试。当铜针外端与宝石表面接触时，热量传递给 宝石，铜针外端降温，温度变化通过热电偶测出，再经 过放大器和读数表或蜂鸣器显示结果。

(三) 测试

1)待测宝石必须干燥和干净，测试应在室温下进行。

2)打开仪器开关，预热。手握探测器，以直角对准测试宝石，若探头接触了金属托，许多仪器会自动发出警报声。

3)施加一定的压力，仪器显示出光和声信号，得到测试结果。

(四) 注意事项

1)热导仪的探头非常精细，因此在使用过程中，必须小心以免损坏。使用完毕应立即盖上保护罩。

2)电池电力不足时应及时更换，以免测量结果不准确。

3)长时间不使用，应将电池取出，以免造成仪器的腐蚀与损坏。 4)定期清洁探头，测试前将探头在一张软纸上轻擦即可。

5)测试裸石时，应使用金属托盘作为底托，热导仪通常有此附件。测试小粒宝石，如分

钻，光和声信号可能不会很强。

6)在测试时，铜针应尽可能与测试宝石表面垂直接触。 7)宝石表面应干净、干燥，排除宝石之外的干扰。

8)尽量控制室内空气的流通，如不要急促呼吸，不要正对空调或窗户测试。

二、钻石确认仪(DiamondSureTM)

钻石确认仪(DiamondSureTM)是一种快速的天然钻石筛选仪器(见图2-1-58)，可以检测 重量在0．10—10ct范围内的无色一浅黄色(Cape系列)抛光钻石，它可以在各种环境下对已切磨钻石进行鉴定、对有怀疑的样品建议做进一步检测分析。但是被“建议做进一步检测’’的样品，样品必须经附加检验才可确认其准确的产品类别，因为该仪器尚不能识别某些罕见天然钻石(大约占所有普通钻石的1％～2％)。钻石确认仪主要用于检测无色或基本无色的钻石。通常来讲，棕色天然钻石或其他彩色天然钻石鉴别后很容易显示“请进一步检测”，但天然黄钻石例外。该仪器可以鉴别黄色合成钻石与天然黄色钻石。钻石确认仪并不适用于其他宝石或钻石仿制晶的鉴别分类，也不能用于检测天然钻石进行了何种人工处理，如裂缝填充、辐照或热处理等。

钻石确认仪操作简便，既可用来检测未镶嵌的钻石，也可检测简单镶嵌过的钻石。检测时，将抛光的待测样品台面朝下放在光纤点中心位置、按“检测”键，这时仪器将自动检测并分析样品的可见光吸收光谱，几秒钟后显示屏上将出现测试结果。如果样品处于良好的检测状态、操作准确，会有以下几种结果之一出现在液晶显示屏上： 1)显示“通过”说明样品为天然钻石，无需做进一步检测。

2)显示“通过，请作热仪检测”的样品，如果在热导仪检测时显示为“钻石”，则该样品为天然钻石。合成立方氧化锆在钻石确认仪上也显示这样的结果，但热导仪检测不会显示为钻石。

3)显示“建议作进一步检测”，如合成钻石将会显示这一结果或者是以下两种结果之一。许多钻石仿制晶也会显示这一结果，偶尔在检测天然钻石时也会出现这种信息，尤其是彩色钻石，但是通过常规宝石鉴定就可以确认。 4)显示“请进一步检测(?b型成分)”：?b型成分是黄色合成钻石的特点。在极少数情况下，天然钻石也可能显示此特性(这种极少的天然钻石则被称为“金丝雀黄”)。大部分浅黄色合成钻石经检测都会显示此结果。 5)显示“请进一步检测 (Ⅱ型)”：所有无色天然Ⅱ型钻石、合成Ⅱ型钻石以及钻石仿制品都会显示如此结果。偶尔也会有I型钻石检测后显示此信息。如果需要鉴定类别，该仪器的检测结果还需要通过红外吸收光谱分析确认。 6)显示“请进一步测试(碳硅石检测)”：碳硅石一般都能被钻石确认仪辨识，大部分都会显示本条信息。进行一些简单的宝石鉴定测试就可区别碳硅石和钻石。

实验性检测表明天然钻石中大约只有1％的天然钻石在钻石确认仪检测会被要求“建议作进一步检测”，这其中包括了稀少的Ⅱ型钻石和极少部分Ib型钻石，这并不能肯定它们就是合成钻石或钻石仿制晶，这种情况下常规的宝石学方法鉴定是不可缺少的。

总之，钻石确认仪是一种天然钻石快速分辨仪器，易于操作，能将所有的合成品及仿

制品筛选出去，能识别Ⅱ型钻石和合成碳硅石。DTC对60万粒天然钻石样品进行过测试，98％的天然钻石样品“通过”钻石确认仪检测，不需要其他检测；仅不到2％的样品需要做其他的检测，以判断其是否为天然钻石。

三、钻石观测仪(DiamondViewTM )

DiamondViewTM是DiamondSureTM的绝好 补充，运用钻石观测仪对样品的荧光图谱进 行分析，可对被钻石确认仪“建议作进一步检 测” 的样品做准确鉴定。 当然，

DiamondViewTM也可以作为检测或研究仪器 单独使用。DiamondViewTM的原理是依据天 然钻石与合成钻石的荧光图谱显示不同的生 长结构，合成钻石在短波紫外光下呈现特征 的生长区结构荧光图谱，从而可与天然钻石 相区分。DiamondViewTM的组成部分包括：电 脑及显示屏，照相装置，真空夹持镊子及其他 辅助元件(见图2-1-59)。

使用时将已抛光的钻石样品置于真空样品仓的短波紫外光下，电脑显示屏上会出现样品的紫外荧光图谱，操作者可方便地对焦于样品表明并选择适当的放大率。按“UV”(即紫外光)键，可见光关闭，紫外光打开，当显示屏上出现合适的图谱时，按“Capture”(即抓图)键，图像会保留在显示屏上。紫外灯熄灭后，显示屏会自动出现磷光图谱，以作检查。通常情况下近无色的天然钻石磷光很弱，而HTHP合成钻石磷光都很强、持续时间也长。磷光图谱会显示在屏幕的右下角。

与DiamondViewTM连接的电脑中存有各种天然和合成钻石的紫外荧光图样，可直接将待测样品的荧光图样与之对比，从而得出结论。

总之，对钻石确认仪“建议作进一步检测”的样品，可借助钻石观测仪作荧光图谱分析。钻石观测仪可利用强短波紫外灯照射样品，激发样品获取荧光图谱，如HPHT合成钻石的荧光图谱显示特别的几何型生长区结构，从而达到进一步检测的目的。

四、590型无色合成碳硅石／钻石测试仪

用热导仪测试钻石和合成碳硅石时，两种材料均 显示为钻石，二者无法区分。为此美国C3公司设计了 590型测试仪，用于热导仪测试之后进一步区分钻石 和合成碳硅石。590型测试仪体积小，携带方便，用 途专一，操作简便(见图2-1-60)。

590测试仪的设计原理是在导热性测试后，检测宝石对紫

外光的吸收。钻石不吸收紫外光，紫外光可以穿透钻石，而合成碳硅石对紫外光有强烈的吸收。测试时使宝石台面与仪器光导纤维探头端部保持垂直并接触(镶嵌钻石的金属托不能与探头接触)。如果是钻石，就能激活蜂鸣器和绿色指示灯；如果是合成碳硅石，只要宝石的台面与探头保持接触且未翻转，则绿色指示灯和蜂鸣器就应处于关闭状态。

590型测试仪为精密光导纤维电子仪器，必须在正常温度、湿度下使用，不得储存在有化学晶的地方。光导纤维探头的端部应保持清洁。清洁探头时，应使用蘸过酒精的棉签

轻轻擦拭其端部，然后用柔软的棉布擦干。由于光导纤维探头从测试仪中伸出，所以必须小心操作，以免对其造成损伤。590型测试仪在不用时，必须把防护滑板盖住测试口以保护探头。不得用手指直接触摸从590型测试仪的窗口可以看见的卤灯，因为卤灯在点亮后温度很高，皮肤上的盐分和油分对其有损坏。应用清洁的塑料或布擦拭卤灯，如果卤灯被手指触摸到，必须在使用前用酒精棉签擦拭干净。

五、反射仪

在宝石鉴定中，反射仪主要用于测试折射率超过标准折射仪极限的高折射率宝石的近似折射率，如人造钇铝榴石、钆镓榴石、钛酸锶、合成立方氧化锆、钻石等。

(一) 原理

反射率是指单位时间内从界面单位面积上反射光的强度与入射光的强度之比。宝石对光线的反射程度取决于该宝石的分子结构和成分，还取决于宝石表面的抛光程度。

反射仪是根据宝石的反射率性质设计的一种仪器，它可以测量从宝石表面返回的光量。宝石的反射率与折射率之间存在准线性关系，即：

反射率：反射光线的强度／入射光线的强度=(n1一n2)2／(n1+n2)2 式中：n1——宝石的折射率；

n2——周围介质的折射率，空气的折射率为1。

根据各种宝石的折射率，可以依上式计算出各种宝石的反射率。由于宝石的折射率有一定的变化范围，因此宝石的反射率也存在一定变化范围(见表2—1-5)。

(二) 反射仪的结构和使用

LC特朗姆帕(Trumper)于1959年设计出了世界上第一台测定宝石反射率的仪器。目前采用电子反射仪，利用远红外线发光二极管作为入射光源，用袖珍的光电管检测从宝石表面反射的光量，从而达到鉴定宝石品种的作用。

反射仪的右上角(或下半部)有一个圆形测光孔，孔内构造如图2-1-61所示。内部有一个发光二极管和一个光电接收器。测试时，将宝石抛光良好的台面对准测光孔，盖好遮光罩，打开开关。仪器通电后二极管发出一束波长930nm的红外光，以大致7°一10°的入射角射到宝石台面上，经台面反射后，射人光电管的接收器。接收器的光电管产生光电流，所产生的电流大小与从宝石台面

反射回的光的强度成正比。光电流传到反射仪的仪表显示器中， 通过指针偏转所指的刻度，即可知道所测宝石的品种。

反射仪显示器上的刻度，分为高、低两档。低档反射率 范围是2．78％一8％；高档反射率范围是8％以上。两档在测定时可由按钮变换。只有宝石的折射率大于1．80，即反射率高

于8％时，才适用于反射仪。

(三) 使用反射仪的注意事项

目前，大多型号的反射仪已把反射率转换成了折射率，但其测量精度不如常规折射仪，只能达到±0．05。使用反射仪应注意以下事项：

1)对于折射率低于1．80的宝石，不宜使用反射仪，尽量用折射仪来测定。

2)所测样品必须具有抛光良好的平面且大于测试孔，否则接收不到仪器信号或导致读数过低。

3)样品内部的包体的反光可导致读数出现偏差。 4)每个样品从多个方向测量，以保证结论的准确性。

5)样品表面要求洁净无污物，否则影响光的反射，导致结论错误。 6)可以将热导仪和反射仪结合使用。

另外，应特别注意合成碳硅石在空气或氧气中经高温处理后，表面可形成一层的二氧化硅薄膜，降低了合成碳硅石的反射率，使其在反射仪上的读数与钻石相似。

第二章 大型测试仪器在宝石学中的应用

现代高新科技的发展，促进了新的合成及人造宝石及优化处理宝石品种的相继面市。一些合成宝石与天然宝石之间的差别日趋缩小，一些优化处理宝石的表面及内部特征与天然宝石相差无几，使得宝玉石鉴定中的一些疑难、热点问题应运而生。一些传统、常规的宝石鉴定仪器及鉴定方法已难以满足珠宝鉴定的要求。

近年来，国外一些大型分析测试仪器的引进及应用，使我国珠宝鉴定与研究机构初步摆脱了过去那种单一的鉴定对比模式。迄今，珠宝鉴定工作者主要用它们来解决传统的检测仪器所无法解决的某些疑难问题。不容置疑，先进的分析测试技术在宝石学鉴定与研究领域中将发挥出愈来愈重要的作用。

第一节 X射线荧光光谱仪

自从1895年伦琴(RoentgenWC)发现X射线之后不久，莫斯莱(MoseleyHG)于1913年发表了第一批X射线光谱数据，阐明了原子结构和X射线发射之间的关系，并验证出X射线波长与元素原子序数之间的数学关系，为X射线荧光分析奠定了基础。1948年由弗里特曼和伯克斯设计出第一台商业用波长色散X射线光谱仪。自20世纪60年代后，由于电子计算机技术、半导体探测技术和高真空技术日新月异，促使X射线荧光分析技术的进一步拓展。X荧光分析是一种快速、无损、多元素同时测定的现代测试技术，已广泛应用于宝石矿物、材料 科学、地质研究、文物考古等诸多领域。

一、基本原理

X射线是一种波长(入二0．001～10nm)很短的电磁波，其波长介于紫外线和Y射线之间。在高真空的x射线管内，当由几万伏高电压加速的一束高速运动的电子流投射到阳极金属靶(如钨靶、铜靶等)上时，电子的动能部分转变成x光辐射能，并以x射线形式辐射出来。从金属靶射出的X射线主要由两类波长、强度不等的x射线组成，即连续x射线谱及特征x射线谱。前者指在x射线波长范围内，由其短波限开始并包括各种x射线波长所

组成的光谱。后者则指当加于x光管的高电压增至一定的临界数值时，使高速运动的电子动能足以激发靶原子的内层电子时，便产生几条具一定波长且强度很大的谱线，并叠加在连续x射线谱上，由特征x射线组成的光谱称为特征x射线谱。

特征x射线谱源自原子内层电子的跃迁。当高速运动的电子激发原子内层电子，而导致x射线的产生，这种X射线称为“初级X射线”。若以初级x射线为激发手段，用以照射宝石样品，会造成宝石的原子内的电子发生电离，使内层轨道的电子脱离原子，形成一个电子空位，原子处于“激发态”，这样外层电子就会自动向内层跃迁，填补内层电子空位，进而发射出一定能量的x射线。由于它的波长和能量与原来照射的x射线不同，即发出“次级X射线”。人们将这种由于x射线照射宝石而产生的次级x射线称X射线荧光。通常，X射线荧光只包含特征X射谱线，而缺乏连续X射线谱。

当能量高于原子内层电子结合能的高能x射线与原子发生碰撞时，驱逐一个内层电子

-12-14

而出现一个空穴，使整个原子体系处于不稳定的激发态，激发态原子寿命约为lO一lO秒，然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态。这个过程称为弛豫过程。弛豫过程既可以是非辐射跃迁，也可以是辐射跃迁。当较外层的电子跃迁到空穴时，所释放的能量随即在原子内部被吸收而逐出较外层的另一个次级光电子，此称为俄歇效应，亦称次级光电效应或无辐射效应，所逐出的次级光电子称为俄歇电子。它的能量是特征的，与入射辐射的能量无关。当较外层的电子跃人内层空穴所释放的能量不在原子内被吸收，而是以辐射形式放出，便产生X射线荧光，其能量等于两能级之间的能量差。因此，X射线荧光的能量或波长是特征性的，与元素有一一对应的关系。图2-2-1给出了X射线荧光和俄歇电子产生过程示意图。

K层电子被逐出后，其空穴可以被外层中任一电子所填充，从而可产生一系列的谱线，称为K系谱线。由L层跃迁到K层辐射的X射线叫Ka射线，由M层跃迁到K层辐射的X射线叫K?射线。同样，L层电子被逐出可以产生L系辐射(见图2-2-2)。如果入射的X射线使某元素的K层电子激发成光电子后L层电子跃迁到K层，此时就有能量?E释放出来，且?E=EK一EL，这个能量是以X射线形式释放，产生的就是Ka射线，同样还可以产生K?射线、L系射线等。

莫斯莱(MoseleyHG，1913)发现，X射线荧光的波长入与元素的原子序数Z有关，随着元素的原子序数的增加，特征x射线有规律的向短波长方向移动。他根据这种谱线移动规律，建立了关于X射线波长与其元素原子序数的关系定律，其数学关系如下：

λ=K(Z—S)-2

式中K和S是常数。因此，只要测出荧光X射线的波长，就可以知道元素的种类，这就是荧光X射线定性分析的基础。此外，荧光x射线的强度与相应元素的含量有一定的关系，据此，可以进行元素定量分析。

二、X射线荧光光谱仪

自然界中产出的宝石通常由一种元素或多种元素组成，用X射线照射宝石时，可激发出各种波长的荧光X射线。为了将混合在一起的X射线按波长(或能量)分开，并分别测量不同波长(或能量)的X射 线的强度，以进行定性和定量分析，常采用两种分光技术。 其一是波长色散光谱仪。它是通过分光晶体对不同波 长的x射线荧光进行衍射而达到分光的目的，然后用探测 器探测不同波长处的x射线荧光强度，这项技术称为波长 色散(WDX)X射线荧光光谱仪。波长色散X射线荧光光 谱仪(见图2-2-3)主要由X射线发生器、分光系统(晶体

分光器)、准直器、检测器、多道脉冲分析器及计算机组成。

其二是能量色散X射线荧光光谱仪。它是利用荧光x射线具有不同能量的特点，将其分开并检测，不必使用分光晶体，而是依靠半导体探测器来完成。这种半导体探测器有锂漂移硅探测器、锂漂移锗探测器、高能锗探测器等。x光子射到探测器后形成一定数量的电子—空穴对，电子—空穴对在电场作用下形成电脉冲，脉冲幅度与x光子的能量成正比。在一段时间内，来自宝石的荧光x射线依次被半导体探测器检测，得到一系列幅度与光子能量成正比的脉冲，经放大器放大后送到多道脉冲分析器(通常要1000道以上)。按脉冲 幅度的大小分别统计脉冲数，脉冲幅度可以用x光子的能量标度，从而得到计数率随光子能量变化的分布曲线，即x光能谱图。能谱图经计算机进行校正，然后显示出来，其形状与波谱类似，只是横坐标是光子的能量。能量色散的最大优点是可以同时测定样品中几乎所有的元素。因此，

分析速度快。另一方面，由于能谱仪对x射线的总检测效率比波谱高，因此可以使用小 功率X光管激发荧光x射线。另外，能谱仪没有光谱仪那么复杂的机械机构，因而工作稳定，仪器体积也小。缺点是能量分辨率差，探测器必须在低温下保存，对轻元素检 测困难。能量色散X射线荧光光谱仪(见图2-2-4)主要由x射线发生器、检测器、放大器、多道脉冲分析器及计算机组成。

近年来又发展以放射性同位素为激发源，如：26Fe55、48Cd109、94Pu238、95Am241等，这些放射性同位素具有连续发射低能x射线的能力。不同的放射性同位素源可以提供不同特征能量的辐射。放射源激发的方法是：将很少量的放射性同位素物质固封在一个密封的铅罐中，留出孔径为几毫米或十几毫米的小孔，使x射线经过准直后照射被测宝石上。由于放射源激发具有单色性好、体积小且重量轻的特点，可制造成便携式仪器。但是放射源激发功率较低，荧光强度和测量灵敏度较低。

三、应用

由于x射线荧光光谱仪适用于各种宝石的无损测试，具有分析的元素范围广，从4Be到92U均可测定；荧光x射线谱线简单，相互干扰少，样品不必分离，分析方法比较简便：分析浓度范围较宽，从常量到微量都可分析(重元素的检测限可达10-6量级，轻元素稍差)；分析快速、准确、无损等优点，近年来受到世界各大宝石研究所和宝石检测机构所重视并加以应用。

(一)鉴定宝石种属

自然界中，每种宝石具有其特定的化学成分，采用x射线荧光光谱仪可分析出所测宝石的化学元素和含量(定性—半定量)，从而达到鉴定宝石种属的目的。例如，图2-2-5显示马达加斯加粉红色绿柱石中含少量Cs、Rb等致色元素，故可确定其为铯绿柱石。

(二)区分某些合成和天然宝石

由于部分合成宝石生长的物化条件、生长环境、致色或杂质元素与天然宝石之间存在 一定的差异，据此可作为鉴定依据。如早期的合成欧泊中有时含有天然欧泊中不存在的Zr元氯合成蓝色尖晶石中存在Co致色元素，而天然蓝色尖晶石中存在Fe杂质致色元素；

采用焰熔法合成的黄色蓝宝石中普遍含有天然黄色蓝宝石中缺乏的Ni 杂质元素，合成钻 石中有时存在Fe、Ni或Cu等触媒剂成分等。

(三)鉴别某些人工处理宝玉石

采用x射线荧光光谱仪有助于快速定性区分某些人工处理宝石。如近期珠宝市场上面市的Pb玻璃充填处理红宝石中普遍富含天然红宝石中几乎不存在的Pb杂质元素；同理，熔合再造处理翡翠中富含天然翡翠中不存在的Pb杂质元素；有些染色处理黑珍珠中富含Ag元素，如图2-2-6显示染色黑珍珠中染色剂为硝酸银化合物。

第二节 电 子 探 针

电子（EPMA）又称X射线显微分析仪（见图2-2-7）。它利用集束后的高能电子束轰击宝石样品表面，

并在一个微米级的有限深度和侧向扩展的微区体积内激发，产生特征X射线，二次电子、背散射电子、阴极荧光等。现代的电子探针多数配有X射线能谱仪，根据不同X射线的分析方法(波谱仪或能谱仪)，可定量或定性地分析物质的组成元素的化学成分、表面形貌及结构特征，为是一种有效、无损的宝石化学成分分析方法。

一、基本原理

电子枪用以发射具有一定能量的电子束，通过轴对称电场或磁场构成的电子透镜调节电子束的束斑的强度与大小。扫描发生器按时间与空间的顺序，把电子束打到样品室内的宝石样品上，并随时收集所产生的二次电子。二次电子是电子束轰击到宝石时，逐出宝石样品浅表层原子的核外电子。由于一定能量的电子束所逐出的二次电子的激发效率和宝石样品元素的电离能以及电子束与宝石样品的夹角有关，因此根据二次电子的强度可作宝石样品的形貌分析。当电子束在宝石样品上扫描时与显示屏幕的扫描完全同步，即可保证宝石样品上的“物点”与显示屏幕上的“像点”在时间与空间上一一对应，于是在显示屏幕上就得到一个反映宝石样品表面形貌的放大图像。若利用分光晶体来测定所产生的特征x

射线波谱或者利用半导体检测特征x射线能谱，即测得不同波长或者不同能量及与它们相对强度的信息，从而可获取微区的成分的定性、定量的结果。电子探针可视为一种试样的无损分析法。电子探针通常由电子枪、电子透镜、样品室、信号检测、显示系统及真空系统组成。

二、分析方法

1．波谱仪(波长分散谱仪)

一般说来，入射电子束激发宝石产生的特征x射线是多波长的。波谱仪利用某些分光晶体对x射线的衍射作用来达到使不同波长分散的目的，通过测量对应某元素的适当谱线的X射线强度就可以得到这种元素的定量结果。为了排除谱波仪在检测不同元素谱线时条件不同所产生的影响，一般采用化学成分已知的标样进行标定。

2．能谱仪(能量色散谱仪)

能谱仪与波谱仪不同，它是利用特征x射线的能量不同而进行展谱分析的方法，当高能电子束轰击宝石样品时，宝石样品中各种元素都被激发而放射出不同能量的x射线，能谱仪将这些x射线收集起来，按能量大小将其分类并快速显示出谱线再加以检测，从而进行定性、定量分析。

三、宝石学应用

1．点分析

即对宝石表面或露出宝石表面的晶体包体选定微区作定点的全谱扫描，进行定量、定性或半定量分析。首先用同轴光学显微镜进行观察，将待分析的宝石样品微区移到视野中心，然后使聚焦电子束固定照射到该点上，这时驱动谱仪的晶体和检测器连续地改变乙值，记录X射线信号强度L随波长的变化曲线。通过检查谱线强度峰值位置的波长，即可获得所测微区内含有元素的定性结果，测量对应某元素的适当谱线的x射线强

度就可以得到这种元素的定量结果。图2-2-8为充填处理红宝石的电子探针能谱点分析的结果显示填充物是铅玻璃。

2.面扫描分析

聚焦电子束在宝石表面进行光栅式面扫描，将x射线谱仪调到只检测某一元素的特征X射线位置，用x射线检测器的输出脉冲信号控制同步扫描的显像扫描线亮度，在荧光屏上得到由许多亮点组成的图像。亮点就是该元素的所在处。根据图像上亮点的疏密程度就可确定某元素在试样表面上分布情况，将x射线谱仪调整到测定另一元素特征x射线位置时就可得到那一成分的面分布图像。电子探针面扫描分析有助于探讨宝石中化学元素在空间上的配比与分布规律(见图2-2-9)。

3．线扫描分析

在光学显微镜的监视下，把样品要检测的方向调至x或r方向，使聚焦电子束在宝石的生长环带或色带的扫描区域内沿一条直线进行慢扫描，同时用计数率计检测某一特征x射线的瞬时强度。若显像管射线束的横向扫描与试样上的线扫描同步，用计数率计的输出控制显像管射线束的纵向位置，这样就可以得到特征X射线强度沿试样扫描线的分布特征。EPMA线扫描分析有助于探讨宝石中化学元素在空间上的变化规律。图2—2—10为铍扩散处理橙红色蓝宝石的Fe、Ti、Cr的EPMA能谱线扫描分析结果。

4．表面微形貌分析

二次电子是电子束轰击到试样时逐出样品浅表层原子的核外电子，由于一定能量的电子束所逐出的二次电子的激发效率和样品元素的电离能以及电子束与样品的夹角有关，因此根据二次电子的强度可作形貌分析。图2-2-11为翡翠中环带交代结构的EPMA二次电子像。

第三节 傅立叶变换红外光谱仪

宝石在红外光的照射下，引起晶格(分子)、络阴离子团和配位基的振动能级发生跃迁，并吸收相应的红外光而产生的光谱称为红外光谱。19世纪初，人们通过实验证实了红外光的存在。20世纪初，人们进一步系统地了解了不同官能团具有不同红外吸收频率这一事实。1950年以后出现了自动记录式红外分光光度计。随着计算机科学的进步，1970年以后出现了傅立叶变换红外光谱仪。近年来，红外测定技术如反射红外、显微红外、光声光谱以及色谱一红外联用等得到不断发展和完善，红外光谱法在宝石鉴定与研究领域得到了广泛的应用。

一、基本原理

能量在4000—400cm-1的红外光不足以使样品产生分子电子能级的跃迁，而只是振动能级与转动能级的跃迁。由于每个振动能级的变化都伴随许多转动能级的变化，因此红外光谱属一种带状光谱。分子在振动和转动过程中，当分子振动伴随偶极矩改变时，分子内

电荷分布变化会产生交变电场，当其频率与入射辐射电磁波频率相等时才会产生红外吸收。

红外光谱产生的条件：①辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量；②辐射与物质间有相互偶合作用。例对称分子没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性，如N2、O2、Cl等。而非对称分子有偶极矩，具红外活性。

(一)多原子分子的振动

多原子分子由于原子数目增多，组成分子的键或基团和空间结构不同，其分子真实振动光谱比双原子分子要复杂，但在一定条件下作为很好的近似，分子一切可能的任意复杂的振动方式都可以看成是有限数量的且相互独立的和比较简单的振动方式的叠加，这些相对简单的振动称为简正振动。

(二)简正振动的基本形式

一般将简正振动形式分成两类：伸缩振动和弯曲振动 (变形振动)。 1. 伸缩振动

指原子间的距离沿键轴方向发生周期性变化，而键角 不变的振动称为伸缩振动，通常分为对称伸缩振动和不对称 伸缩振动。对同一基团，不对称伸缩振动的频率要稍高于对 称伸缩振动，而官能团的伸缩振动一般出现在高波数区。 2．弯曲振动(又称变形振动)

指具有一个共有原子的两个化学键键角的变化，或与 某一原子团内各原子间的相互运动无关的、原子团整体相 对于分子内其他部分的运动。多表现为键角发生周期变化 而键长不变。变形振动又分为面内变形和面外变形振动。 面内变形振动又分为剪式和平面摇摆振动。面外变形振动 又分为非平面摇摆和扭曲振动(见图2-2-12)。

(三)红外光区的划分

红外光谱位于可见光和微波区之间，即波长约为0．78～1000μm范围内的电磁波，通常将整个红外光区分为以下三个部分： 1．远红外光区

波长范围为25—1000μm，波数范围为400～10cm-1。该区的红外吸收谱带主要是由气体分子中的纯转动跃迁、振动—转动跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。在宝石学中应用极少。 2．中红外光区

波长范围为2．5—25μm，波数范围为4000—400cm-1。即振动光谱区。它涉及分子的基频振动，绝大多数宝石的基频吸收带出现在该区。基频振动是红外光谱中吸收最强的振动类型，在宝石学中应用极为广泛。通常将这个区间分为两个区域，即称基团频率区和指纹区。

基频振动区(又称官能团区)，在4000—1500cm-1区域出现的基团特征频率比较稳定，区内红外吸收谱带主要由伸缩振动产生。可利用这一区域特征的红外吸收谱带，去鉴别宝石中可能存在的官能团。指纹区分布在1500—400cm-1区域，除单键的伸缩振动外，还有因变形振动产生的红外吸收谱带。该区的振动与整个分子的结构有关，结构不同的分子显示不同的红外吸收谱带，所以这个区域称为指纹区，可以通过该区域的图谱来识别特定的

分子结构。

3．近红外光区

波长范围为0．78～2．5μm，波数范围为12820-4000cm-1，该区吸收谱带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团(如O—H、N—H、C—H)伸缩振动的倍频吸收所致。如绿柱石中 OH的基频伸缩振动在3650cm-1，伸／弯振动合频在5250cm-1，一级倍频在7210cm-1处。

二、仪器类型和测试方法

按分光原理，红外光谱仪可分为两大类：即色散型(单光束和双光束红外分光光度计)和干涉型(傅立叶变换红外光谱仪)。色散型红外光谱仪的主要不足是自身局限性较大，扫描速度慢，灵敏度和分辨率低。目前在宝石测试与研究中，主要采用傅立叶变换红外光谱仪。

在傅立叶变换红外光谱仪中，首先是把光源发出的 光经迈克尔逊干涉仪变成干涉光，再让干涉光照射样品。 经检测器(探测器—放大器—滤波器)获得干涉图，由计算 机将干涉图进行傅立叶变换得到光谱(见图2-2-13至2- 2-15)。其特点是：扫描速度快，适合仪器联用；不需要 分光，信号强，灵敏度高。

用于宝石的红外吸收光谱的测试方法可分为两类，即透射法和反射法。 1．透射法

透射法又可分为粉末透射法和直接透射法。粉末透射法属一种有损测试方法，具体方法是将样品研磨成2FAm以下的粒径，用溴化钾以1：100—1：200的比例与样品混合并压制成薄片，即可测定宝石矿物的透射红外吸收光谱。直接透射法是将宝石样品直接置于样品台上，由于宝石样品厚度较大，表现出2000cm-’以外波数范围的全吸收，因而难以得到宝石指纹区这一重要的信息。直接透射技术虽属无损测试方法(见图2-2—16)，但从中获得有关宝玉石的结构信息十分有限，由此限制丁红外吸收光谱的进一步应用。特别对于一些不透明宝玉石、图章石和底部包镶的宝玉石饰品进行鉴定时，则难以具体实施。 2．反射法

红外反射光谱是红外光谱测试技术中一个重要的分支，目前在宝玉石的测试与研究中备受关注，根据采用的反射光的类型和附件分为：镜反射、漫反射、衰减全反射和红外显微镜反射法。红外反射光谱(镜、漫反射)在宝石鉴定与研究领域中具有较广．阔的应用前

景。根据透明或不透明宝石的红外反射光谱表征，有助于获取宝石矿物晶体结构中羟基、水分子内、外振动，阴离子、络阴离子的伸缩或弯曲振动，分子基团结构单元及配位体对称性等重要的信息，特别是为某些充填处理的宝玉石中有机高分子充填材料的鉴定提供了一种便捷、准确、无损的测试方法(见图2-2-17)。

基于宝石样品的研究对比和鉴定之目的，可分别采用Nicolet550型傅立叶变换红外光谱仪及镜面反射附件和TENSOR—27型傅立叶变换红外光谱仪及“漫反射附件”。在具体测试过程中，视样品的具体情况，采用分段测试的方法(即分为4000—2000cm-1，2000～400cm-1)对相关的宝石样品进行测试。考虑到宝石的红外反射光谱中，由于折射率在红外光谱频率范围的变化(异常色散作用)而导致红外反射谱带产生畸变(似微分谱形)，要将这种畸变的红外反射光谱校正为正常的并为珠宝鉴定人员所熟悉的红外吸收光谱，可通过Dispersion校正或KramersKronig变换的程序予以消除。具体方法为：若选用Nicolet550型红外光谱仪的镜面反射附件测得宝石红外反射光谱，则采用OMNIC软件内Process下拉菜单中OtherCorrec-tions里选择Dispersion进行校正；同理，若采用TENSOR—27型红外光谱仪的“漫反射附件”测得宝石的红外反射光谱，可用其OPUS软件内谱图处理下拉菜单中选择KramersKronig变换予以校正(简称K—K变换)。下文中，将经过Dispersion校正或K—K变换的红外反射光谱，统称为红外吸收光谱。

三、宝石学中的应用

红外吸收光谱是宝石分子结构的具体反映。通常，宝石内分子或官能团在红外吸收光谱中分别具自己特定的红外吸收区域，依据特征的红外吸收谱带的数目、波数位及位移、谱形及谱带强度、谱带分裂状态等项内容，有助于对宝石的红外吸收光谱进行定性表征，以期获得与宝石鉴定相关的重要信息。 1．宝石中的羟基、水分子

基频振动(中红外区)作为红外吸收光谱中吸收最强的振动类型，在宝石学中的应用最 为广泛。通常将中红外区分为基频区(又称官能团区，4000—1500cm-’)和指纹区(1500—400cm-1)两个区域。

自然界中，含羟基和H2O的天然宝石居多，与之对应的伸缩振动导致的中红外吸收谱带主要集中分布在官能团区3800～3000cm-1波数范围内。而弯曲振动导致的红外吸收谱带则变化较大，多数宝石的红外吸收谱带的位1400～17000cm-1波数范围内。通常情况下，羟基或水分子的具体波数位置，亦受控于宝石中氢键力的大小。至于具体的波数位，则主要取决于各类宝石内的氢键力的大小。与结晶水或结构水相比，吸附水的对称和不对称伸缩振动导致的红外吸收宽谱带中心主要位3400cm-1处。

例如，天然绿松石晶体结构中普遍存在结晶水和吸附水，其中由羟基伸缩振动致红外

吸收锐谱带位于3466cm-1、3510cm-1处，而由ν(MFe,Cu一OH)伸缩振动导致的红外吸收谱带则位于3293cm-1、3076cm-1处，多呈较舒缓的宽谱态展布。同时，在指纹区内显示磷酸盐基团的伸缩与弯曲振动导致的红外吸收谱带。 反之在官能团区域内，吉尔森仿绿松石中明显缺乏天然绿松石所特有的由羟基和水分子伸缩振动致红外吸收谱带，同时显示由高分子聚合物中νas(CH2)不对称伸缩振动致红外吸收锐谱（2925cm-1）、νs(CH2)对称伸缩振动致红外吸收锐谱带(2853cm-1)，同时伴有νas(CH2)不对称伸缩振动致红外吸收锐谱带(2959cm-1)。指纹区内，显示碳酸根基团振动的特征红外吸收谱带。测试结果表明，俗称吉尔森法绿松石实属压制碳酸盐仿绿松石。(见图2-2-18)。

同理，根据助熔剂法合成祖母绿与水热法 合成祖母绿的红外吸收光谱中有无水分子伸缩振动致吸收谱带而给予区分。助熔剂法合成祖母绿是在高温熔融条件下结晶而成，故其结构通道内一般不存在水分子；而水热法合成祖母绿是在水热条件下结晶生长而成，在其结构通道中往往存在不等量的水分子和少量氯酸根离子(矿化剂)。

2．钻石中杂质原子的存在形式及类型划分 钻石主要由C原子组成，当其晶格中存在少量的N、B、H等杂质原子时，可使钻石的物理性质如颜色、导热性、导电性等发生明显的变

化。基于红外吸收光谱表征，有助于确定杂质原子的成分及存在形式，并作为钻石分类的主要依据之一(见表2-2-1)。

3．人工充填处理宝玉石的鉴别

由两个或两个以上环氧基，并以脂肪族、脂环族或芳香族等官能团为骨架，通过与固化剂反应生成三维网状结构的聚合物类的环氧树脂，多以充填物的形式，广泛应用在人工充填处理翡翠、绿松石及祖母绿等宝玉石中。环氧树脂的种类很多，并且新品种仍不断出现。常见品种为环氧化聚烯烃、过醋酸环氧树脂、环氧烯烃聚合物、环氧氯丙烷树脂、双酚A树脂、环氧氯丙烷—双酚A缩聚物、双环氧氯丙烷树脂等。由图2-2—16可以看出，与蜡质物的红外吸收光谱表征明显不同的是，在充填处理翡翠中，环氧树脂中由苯环伸缩振动致红外吸收弱谱带位3028cm-1处(图中蓝圈处)；与之对应由vas(CH2)不对称伸缩振动致红外吸收谱带位2922cm-1处，而Vs(CH2)对称伸缩振动致红外吸收锐谱带则位2850cm-~处(图中红圈处)。

利用镜反射附件对底部封镶的天然翡翠饰品(如铁龙生)进行红外反射光谱测试时，要 注意排除粘结在贵金属底托上的胶质物的干扰，因为贵金属底托起到背衬镜的作用，由此反射回的红外光一并穿透胶质物和未处理翡翠样品，有时易显示充填处理翡翠的红外吸收

光谱特征。

图2—2—19为充填处理绿松石的红外吸收光谱。官能团区内，除绿松石中羟基、水分子伸缩振动致红外吸收谱带外，在2930cm-1、2857cm-1处显示由外来高分子聚合物中vas(CH2)、vs(CH2)的不对称和对称伸缩振动，其苯环伸缩振动致红外谱带多被ν（M—OH）吸收谱带所包络。

4．相似宝石种类的鉴别

不同种属的宝石，在其晶体结构、分子配位基结构及化学成分上存在一定的差异，依据各类宝石特征的红外吸收光谱有助于鉴别之。日常检测过程中，检验人员时常会遇到一些不透明或表面抛光较差的翡翠及其相似玉石的鉴别难题，而红外反射光谱则提供了一个快速无损的测试手段。利用红外反射光谱指纹区内硬玉矿物中Si—Onb伸缩振动和Si—Obr—Si及O—Si—O弯曲振动致红外吸收谱带(经K—K变换)的波数位置及位移、谱形及谱带强度、谱带分裂状态等特征，极易将它们区分开(见图2-2-20)。

5 ．

古

5．仿古玉的红外吸收光谱 一些仿古玉器在制作过程中，常采用诸如强酸(如HF酸)腐蚀或高温烘烤等方法进行老化做旧处理。经上述方法处理的玉器表面或呈白(渣)化、或酸蚀残化(斑)、或呈牛毛网纹状，对其玉质的正确鉴别往往带来一定的难度。利用“漫反射红外附件”有助于对这类老化做旧处理玉器进行鉴别。图2-2-21显示，由指纹区内Si—O、Si—O—Si的伸缩振动和弯曲振动致红外吸收谱带，足以证实该玉器的主矿物成分为透闪石(标识为软玉)。

第四节

谱仪

激光拉曼光

1928年，印度物理学家拉曼(RamanCV)首次发现拉曼效应， 由此获得诺贝尔物理学奖(1930)。20世纪60年代初，激光的问世，给拉曼光谱的产生提供了一种理想的单色光源。70年代后，单色仪、检测器、光学显微镜和计算机等新技术的发展，极大提高了激光拉曼光谱仪的测试性能。作为一种微区无损分析和红外吸收光谱的互补技术，拉曼光谱能迅速判断出宝石中分子振动的固有频率，判断分子的对称性、分子内部作用力的大小及一般分子动力学的性质，为宝石鉴定工作者提供了一种研究宝石中分子成分、分子配位体结构、分子基团结构单元、矿物中离子的有序一无序占位等快速、有效的检测手段(见图2-2-22)。

一、基本原理

激光拉曼光谱是一种激光光子与宝石分子发生非弹性碰撞后，改变了原有入射频率的一种分子联合散射光谱，通常将这种非弹性碰撞的散射光谱称之为拉曼光谱。

激光光子和分子碰撞过程中，除了被分子吸收以外，还会发生散射。由于碰撞方式不同，光子和分子之间存在多种散射形式： 1．弹性碰撞

光子和分子之间没有能量交换，仅改变了光子的运动方向，其散射频率等于入射频率， 这种类型的散射在光谱上称为瑞利(Rayleigh)散射。

2．非弹性碰撞

光子和分子之间在碰撞时发生了能量交换，即改变了光子的运动方向，也改变了能量，使散射频率和入射频率有所不同。此类散射在光谱上被称为拉曼(Raman)散射。 3．拉曼散射的两种跃迁能量差

当散射光的频率低于入射光的频率，分子能量损失，这种类型的散射线称为斯托克斯 (Stokes)线；若散射光的频率高于入射光的频率，分子能量增加，将这类散射线称之为反斯托克斯线。前者是分子吸收能量跃迁到较高能级，后者是分子放出能量跃迁到较低能级。 由于常温下分子通常都处在振动基态，所以拉曼散射中以斯托克斯线为主，反斯托克斯线的强度很低，一般很难观察到。斯托克斯线和反斯托克斯线统称为拉曼光谱。一般情况下，拉曼位移由宝石分子结构中的振动能级所决定，而与其辐射光源无关。

二、宝石学中的应用

1．宝石中包体的成分及成因类型

宝石中包体的成分和性质对其成因、品种及产地的鉴别具有重要的意义。传统的固相矿物包体的鉴定与研究方法是将矿物包体抛磨至样品表面，尔后采用电子探针分析测试之。而对流体包体的研究则主要采用显微冷、热台去观察冷冻和加热过程中，流体包体内各物相的变化特征，测定均一温度、低共熔点温度及冷冻温度，最终通过相平衡数据去推断或计算流体包体的分子成分、密度、形成温度、压力及盐度等。上述方法均属破坏性测试，显然于宝石鉴定与研究。

拉曼光谱具有分辨率和灵敏度较高且快速无损等优点，特别适于宝石内部1μm大小的单个流体包体(见图2-2-23)及各类固相矿物包体的鉴定与研究。例如，利用拉曼光谱对辽宁50号岩管金刚石包体的测试结果表明，该地区金刚石中常见的矿物包体类型为橄榄石、铬铁矿、铬镁铝榴石、镁铝榴石、金属硫化矿物、石墨及流体包体。

又如，利用拉曼光谱对桂林水热法合成黄色蓝宝石中流体包体进行了测试，确定液相中含有具鉴定意义的碳酸根(矿化剂)成分。再如，利用拉曼光谱对助熔剂合成红宝石和熔合处理红宝石进行了测试，确定助熔剂残余物(晶质体)和次生玻璃体(非晶体)的拉曼谱峰， 前者在800—1000cm-1范围内显示一组密集、相对计数强度较高的拉曼锐谱峰(见2-2-24)。

2．人工处理宝石的鉴定

近年来，珠宝市场上面市的人工充填处理宝石类型多为人造树脂充填处理翡翠、祖母绿、绿松石和铅玻璃充填处理红宝石、钻石等。宝石裂隙中的各类充填物质给珠宝鉴定人员带来一定的困难，然而，利用拉曼光谱分析测试技术有助于正确地鉴别它们。 例充填处理翡翠中环氧树脂的拉曼谱峰具体表征为，由苯环伸缩振动致红外吸收弱谱位于3069cm-1处，与之对应由vas(CH2)不对称伸缩振动致红外吸收谱带位于2934cm-1处，而vs(CH2)对称伸缩振动致红外吸收锐谱带则位于2873cm-1处。利用拉曼光谱分析测试技术对染色处理黑珍珠和海水养殖黑珍珠的鉴定也获得满意的结果。

3. 相似宝玉石品种的鉴定

自然界中，分布最为广的硅酸盐类宝石的 拉曼光谱主要由复杂的硅氧四面体组合基团或 基团群的振动光谱组成，由于各硅酸盐类宝石 中分子的基团的特征振动频率(Si—O伸缩振 动、Si—O—Si和O—Si—O弯曲振动)存在明

显的差异，导致各自拉曼光谱的表征不一。例如， 利用拉曼光谱测试技术能有效地鉴别黑色翡翠及其 相似玉种，如黑色角闪石质玉、黑色钠铬辉石质 玉、黑色蛇纹石质玉及黑色软玉等黑色相似玉种。 图2-2-25为摩西西玉的拉曼光谱，显示其矿物成分为钠长石、角闪石、铬硬玉、钠铬辉石及铬铁矿。

第五节 紫外一可见分光光度计

一、基本原理

紫外—可见吸收光谱是在电磁辐射作用下，由宝石中原子、离子、分子的价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁而产生的一种分子吸收光谱。具不同晶体结构的各种

彩色宝石，其内所含的致色杂质离子对不同波长的入射光具有不同程度的选择性吸收，由此构成测试基础。按所吸收光的波长区域不同，分为紫外分光光度法和可见分光光度法，合称为紫外一可见分光光度法。

在宝石晶体中，电子是处在不同的状态下，并且分布在不同的能级组中，若晶体中一 个杂质离子的基态能级与激发态能级之间的能量差，恰好等于穿过晶体的单色光能量时，晶体便吸收该波长的单色光，使位于基态的一个电子跃迁到激发态能级上，结果在晶体的吸收光谱中产生一个吸收带，便形成紫外可见吸收光谱。宝石测试中常见三种紫外可见吸收光谱类型：

1．d电子跃迁吸收光谱

过渡金属离子为d电子在不同d轨道能级间的跃迁，吸收紫外和可见光能量而形成紫外可见吸收光谱。这些吸收谱峰受配位场影响较大。d—d跃迁光谱有一个重要特点，即配位体场的强度对d轨道能级分裂的大小影响很大，从 而也就决定了光谱峰的位置。如红宝石、祖母绿 的紫外可见吸收光谱。

2．f电子跃迁吸收光谱

与过渡金属离子的吸收显著不同，镧系元素 离子具有特征的吸收锐谱峰。这些锐谱峰的特征 与线状光谱颇为相似。这是因为4f轨道属于较内 层的轨道，由于外层轨道的屏蔽作用，使4f轨道 上的厂电子所产生的f-f跃迁吸收光谱受外界影响：相对较小所致。如蓝绿色磷灰石、人造钇铝榴石(见图2-2-26)、稀土红玻璃等。

3. 电荷转移(迁移)吸收光谱

在光能激发下，分子中原定域在金属M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道，或朝相反方向转移。这种导致宝石中的电荷发生重新分布，使电荷从宝石中的一部分转移至另一部分而产生的吸收光谱称为电荷转移光谱。电荷转移所需的能量比d—d跃迁所需的能量多，因而吸收谱带多发生在紫外区或可见光区。如山东蓝宝石。

二、紫外—-可见分光光度计的类型

紫外一可见分光光度计类型很多，但归纳为三种类型，即单光束分光光度计、双光束

分光光度计和双波长分光光度计。以下仅介绍宝石测试中常用的双光束分光光度计(见图2-2-27)。

经单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两束光，一束通过参比池，一束通过样品

池。光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。双光束分光光度计一般都能自动记录吸

收光谱曲线。由于两束光同时分别通过参比池和样品池，还能自动消除光源强度变化所引起的误差。

三、测试方法

用于宝石的测试方法可分为两类，即直接透射法和反射法。

(一)直接透射法

将宝石样品的光面或戒面(让光束从宝石戒面的腰部一侧穿过)直接置于样品台上，获取天然宝石或某些人工处理宝石的紫外可见吸收光谱。直接透射法虽属无损测试方法，但从中获得有关宝玉石的相关信息十分有限，特别在遇到不透明宝石或底部包镶的宝石饰品时，则难以测其吸收光谱。由此限制了紫外可见吸收光谱的进一步应用。

(二)反射法

利用紫外一可见分光光度计的反射附件(如镜反射和积分球装置)，有助于解决直接透射法在测试过程中所遇到的问题，由此拓展紫外可见吸收光谱的应用范围。

四、宝石学应用

1. 检测人工优化处理宝石

例如，利用直接透射法或反射法，能有效地区分天然蓝色钻石与人工辐照处理蓝色钻石。前者由杂质B原子致色，紫外可见吸收光谱表征为，从540nm至长波方向，可见吸收光谱的吸收率递增。后者则出现GR1心／741nm(辐射损伤心)，并伴有N2+N3／415nm(杂质N原子心)吸收光谱(见图2-2-28)。

又例如，利用反射法，能有效地区分天然绿松石与人工染色处理绿松石，前者

由Fe、Cu水合离子致色，在可见吸收光谱中显示宽缓的吸收谱带(Cu2+：2E→2T2;Fe3+：6A1→4E+4A，)，后者则无或微弱。

2．区分某些天然与合成宝石

例如，水热法合成红色绿柱石显示特征的Co、Fe元素致可见吸收光谱。反之，天然红色绿柱石仅显示Fe及Mn元素致可见吸收光谱。 3．探讨宝石呈色机理

例如山东黄色蓝宝石中Fe3+为主要的致色离子，在其紫外可见吸收光谱中，O2-→Fe3+电荷转移带尾部明显位移至可见光紫区内，并与Fe3+晶体场谱带部分叠加。据此认为，山东黄色蓝宝石的颜色，主要归因为O2-→Fe3+电荷转移与Fe3+的d—d电子跃迁联合作用所致。

第六节 阴极发光仪

从阴极射线管发出具有较高能量的电子束激发宝石矿物的表面，使电能转化为光辐射而产生的发光

现象，称之为阴极发光。阴极发光仪作为宝石的一种无损检测方法，近年来在宝石的测试与研究中得到了较广泛的应用。

一、基本原理

固体能带理论认为，宝石矿物的发光通常与其内所含的微量杂质原子(离子)或晶格缺

陷有关。这些微量杂质原子(离子)或晶格缺陷在禁带中常形成一些分立(施主)能级。在 阴极射线管发出具有较高能量的电子束激发下，其价带电子被激发到导带。此时，在价带中形成空穴(带正电荷)，而导带中形成自由电子，分立能级中常由于微量杂质原子(离子)的替代而局部形成带正电中心(替代原子的价电子比主晶多，靠近导带的底部)，或局部形成带负电中心(替代原子的价电子比主晶少，靠近价带的顶部)。

当价带中的电子受激发跃到导带，在导带中形成自由电子，在价带中形成自由空穴；而施主能级上的电子受激发跃到导带，成为自由电子。在热运动过程中，束缚在施主能级上的电子与价带中的自由空穴相遇而发生电子一空穴复合，能量转变为光子能量而发光，此时的施主能级便成为发光中心。不同种类的宝石矿物或相同种类、不同成因的宝石矿物在电子束激发下会发出不同颜色或不同强度的光。同时，一些与晶体生长环境相关的晶体结构或生长纹也可得以显示。

二、仪器的组成

阴极发光仪主要由真空系统、电子枪、控制系统和样品仓等部分组成，为了观察需要，还需配备体视显微镜(宝石显微镜)和照相系统等辅助设备(见图2-2-29)。

1．真空系统(抽真空)

由旋转机械泵、扩散泵、离子泵、真空阀门 和真空检测器组成，功能是为电子系统提供真空 条件，以增强束电压和束电流的强度，同时也可 防止样品室污染。 2．电子枪

多为冷阴极式电子枪，用于发射直径为2一20mm大小的电子束，然后在1—25kV加速电压作用下可形成100～50001μA的束电流。 3．控制系统

由真空检测、高压调节、电流强度调节、束斑聚焦调节等部分组成。用来控制束电压、电流强度和束斑焦点的大小，其功能是维持整个系统的正常工作状态。

4．样品仓

用于放置样品并可以前后左右调节样品位置。 5．显微镜和照相系统

用于观察现象及自动照相。

三、应用

近几年，阴极发光技术在宝石鉴定和研究领域的用途获得了很大发展。它不但可用来区分天然和合成钻石，还可用以鉴别天然与合成祖母绿、天然翡翠和处理翡翠及合成红、蓝宝石等。

1．区分天然与合成红宝石

在电子束的激发下，焰熔法和晶体提拉法合成红宝石发很强的亮红色光，并显示特征的弧形生长纹结构(见图2-2-30)；水热法(泰罗斯)合成红宝石显示微波纹状生长纹结构(见图2-2-31)；反之，天然红宝石多发中等强度的深红色或紫红色光，并显示六方生长环带或角状生长带。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1m8p.html