矿物的光学性质包括哪四种(矿物及其物理性质) 矿物的物理性质-光学性质
矿物的光学性质主要是指矿物对光线的吸收、反射和折射时所表现的各种性质，以及由矿物引起的光线干涉和散射等现象。用肉眼能观察到的矿物的光学性质有矿物的颜色、条痕、光泽和透明度。这些性质相互之间有着密切的内在联系。 1．矿物颜色与条痕 1.1．矿物的颜色 颜色是矿物的重要光学性质之一。不少矿物具有鲜艳的颜色，如孔雀石的绿色、蓝铜矿的蓝色、斑铜矿的古铜色等。对于这些矿物来说，颜色是其重要的鉴定特征；另外，不少矿物因具有鲜美的颜色而作为宝石原料或天然颜料。例如，蓝色或红色的刚玉作为蓝宝石或红宝石的原料；绿色的孔雀石、蓝色的蓝铜矿、褐红色的赤铁矿等均可作为天然颜料。 矿物的颜色，从物理意义上讲，它意味着一定波长范围的电磁波辐射，当这种电磁波刺激我们的视神经时，就产生了颜色的感觉。物理学知识又告诉我们，电磁波辐射中的可见区，其波长范围介于390～770mm之间。从长波向短波方向，依次呈红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色。白光就是由这七种色光混合而成的。如果使上述各种颜色按图1那样分布，那么，任意一对对角扇形的两种颜色，当它们以相等的浓度混合后也呈现白色。这样的两种颜色称为互补色。当矿物从白光中选择性吸收掉某种颜色的色光时，即呈现出被吸收颜色的补色来，如果是对各种波长的色光普遍而均匀地吸收时，则随吸收程度的不同而呈现黑、深灰、灰、浅灰、白等色。例如，照射到矿物上白光中的绿光被矿物吸收，矿物即呈现绿色的补色——红色。 ![]()
图1互补色A矿物颜色的呈色机理矿物颜色的呈色机理，或者说引起呈色的物理过程，一般可以概括为两种不同的情况。第一，颜色是材料外层电子跃迁产生的，选择性吸收不同波长的色光；二、物体多次反射或散射光，颜色是反射或散射光之间的干涉造成的。具体过程如下:【下一步】一过渡金属阳离子内电子跃迁当矿物成分中含有过渡金属元素时，无论是主成分还是次成分，都是矿物产生颜色的物理基础。这是因为过渡阳离子有未填充的D或F轨道。对于孤立离子，同一D子层的五个轨道的能级是相同的。而在晶体场中，由于每个阳离子周围阴离子电荷的作用，具有相同能级的五个D轨道分裂成两个或多个不同能级的基团。各组之间的能级差(△)称为晶场分裂能。很多情况下△值接近可见光的能量。当晶体中存在过渡离子，可见光照射晶体时，D轨道的电子会吸收能量相当于△的光波，从低能级轨道跃迁到高能级轨道。因为光波的某些波长被吸收了，矿物就呈现出颜色。比如Cr3+通过类质同象进入刚玉的三个D电子位于能量较低的D轨道。当以绿光为主的光波能量被吸收后，这些电子跳到能量更高的D轨道。因为吸收了绿光，晶体呈现出绿红互补色(含铬的刚玉称为红宝石)。过渡金属阳离子的特征是具有不完全的D轨道。因此，这些离子经常使晶体着色。如果Fe3+使赤铁矿呈现红色；Fe2+使普通角闪石和绿泥石呈现深绿色；Cr3+使红宝石呈现鲜红色；并使纯祖母绿呈现绿色等。这种能使矿物着色的离子叫做色素离子。主要色素离子有钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、TR等元素。表1显示了常见色素离子和相关矿物质的颜色。表1相关矿物的常见色素离子和颜色离子
颜色 | 矿物的例子 | 离子 | 颜色 | 矿物的例子 | Cr2+ Ni2+Co2+ Fe2+，Fe3+Fe3+蓝色、绿色、玫瑰色、蓝色、黑色、棕色和红色 | 铜矿孔雀石镍钴花钴土磁铁矿褐铁矿赤铁矿 | Fe2+Mn4+Mn2+ Mn3+Cr3+ V5+V2+Ti1+ | 深色、黑色、玫瑰色、红色、绿色、黄色、红色、绿色、棕色和红色 | 绿泥石软锰矿菱锰矿，红帘刚玉钙铬石榴石钒矿钒云母榍石 | 由表可以看出，同种离子在不同矿物中可呈不同颜色。这是因为△值不仅取决于过渡型金属离子的种类，而且与周围阴离子的种类以及由这些阴离子组成的配位多面体的形状有关。表1中列出了Cu2+，Cu2+在3d亚层中有9个电子，其5个d轨道也是不满的，实际上仍然是过渡型离子。 惰性气体型离子所构成的矿物，通常无色。这是因为惰性气体型离子的p轨道同其最邻近的空轨道间的能量差（△）值远比可见光的能量为大，其电子在可见光能量的作用下，不能被激发，不发生跃迁，从而可见不能被吸收，因此矿物呈现无色。[next] b 元素或离子间的电子转移 d层或f层电子的跃迁过程，不仅在过渡元素内部可以发生，而其在晶体结构中的相邻离子之间也可能发生。当一种过渡元素能以两种或两种以上的氧化抬（Fe2+和Fe3+，Mn2+和Mn3+，Ti3+和Ti4+）在同一晶体构造中并存时，上述这种电荷转移过程就易于发生。由于一定波长的光在电子跃迁过程中被吸收，晶体即呈现一定的颜色。例如蓝闪石、萤青石、普通辉石、普通角闪石等许多含铁镁的“暗色”硅酸盐矿物的颜色，都和晶格内Fe2+和Fe3+间电子转移有关。 c 晶体结构缺陷造成的电子转移 许多矿物，特别是碱金属和碱土金属元素的化合物，在晶体结构中具有能吸收光而呈现颜色的色心。色心是一种晶体结构缺陷，主要是晶格位置未被离子所占据而形成的空位（即缺席构造）为电子所占据而呈现颜色。最常见的色心是F色心，系电子占据了阴离子空位。如KCl在X射线或ɑ-粒子辐射下迅速呈现蓝色，这是由于Cl-吸收X射线或ɑ-粒子的能量所放出的电子位阴离子空位所捕获，Cl-变成中性Cl原子而引起的。若将KCl晶体加热，此占据空位的电子又迅速返回到Cl原子成为Cl-，颜色消失。如果电子占据到晶格间隙之中称之为F′色心，这种色心也能造成矿物呈色。 d 能带间电子跃迁——带隙跃迁 对自然金属和硫化物一类矿物的呈色，一般用带隙电子跃迁来说明。根据能带理论，晶体中的电子按能量高低分别位于各能带中。为电子占满的能带称为满带，未占满的叫导带，导带的能量较高。各能带间有一能量间隙，称为禁带。电子可以由满带向导带跃迁，但必须吸收超过中间的禁带宽度所代表的能量才能发生。在自然金属和硫化物晶体中，这一禁带宽度常很窄，有时甚至为零（如自然铜等金属为零；方铅矿、黄铁矿等有金属光泽的矿物小于1.7eV，即小于红色波的能量；辰砂、雄黄等有金刚光泽的矿物在2.0～2.5eV间，即橙色光至绿色光之间），因此，它们能够吸收可见光而产生颜色。对于禁带宽度小于1.7eV甚至为零者，各种波长的可见光波均被大量吸收，因而其透明度很低。跃迁后位于激发态的电子又极易回到基态，同时以可见光的形式放出大部分能量，以致使这类矿物经常具有很强的反射能力及特有的金属光泽和金属颜色。 许多铜型离子的硫化物因此而呈鲜明彩色或金属色，但这些离子的其它化合物（如氯化物、氟化物和大部分含氧盐）却不呈色（无色透明或白色）。在铜型离子的硫化物晶体中禁带变窄，与晶格中离子极化有关。在传统上，把铜型离子某些化合物的呈色称为极化呈色。[next] 以上的呈色原因，都与矿物对可见光的吸收有关。但是，象某些少数矿物所呈现的彩色、乳光等，则与矿物对可见光的内散射或内反射有关。如贵蛋白石是具有彩色的透明蛋白石，它是一种水胶凝体矿物。由于其各部分的含水量不均匀，因而折射率也有差异，于是当可见光入射时即发生内散射，各散色光相互干涉的结果，使白光中某些波长的色光强度减弱，另一些波长的色光强度增强，从而引起呈色。又如月长石，它实际上是由厚度极小的钠长石和钾长石的互层所组成的两相混合物，这两种相具有不同的折射率，因而在一系列相互平行的界面上，将对入射光多次产生内反射，各反射光相互干涉的结果，同样也可引起呈色。 上面叙述了引起矿物呈色的各种原因。其中最普遍和最主要的，是由于色素离子的存在而引起的呈色。由色心引起的呈色，在矿物中可能也是较广泛地存在的，但它们往往被其他原因的呈色所掩盖。至于由内反射或内散射引起的呈色，只对个别矿物具有意义。 根据呈色的原因与矿物本身的关系，可将矿物的颜色分为自色、他色和假色三类。 自色 指矿物自身所固有的颜色。如黄铜矿的铜黄色，孔雀石的翠绿色，贵蛋白石的彩色等。自色的产生，都与矿物本身的化学成分和内部构造直接有关。如果是色素离子引起呈色，那么，这些离子必须是矿物本身固有的组分（包括类质同象混入物），而不是外来的机械混入物。对于一种矿物来说，自色总是比较固定的，在鉴定矿物上具有重要的意义。 他色 指矿物由于外来带色杂质的机械混入所染成的颜色。如纯净的石英为无色透明，但由于不同杂质的混入，可使石英染成紫色（紫水晶）、玫瑰色（蔷薇石英）、烟灰色（烟水晶）、黑色（墨晶）等。引起他色的原因主要与色素离子的存在有关，但他色中的色素离子存在于机械混入物中，而不是 矿物本身所固有的组分。显然，他色的具体颜色将随混入物组分的不同而异。因此，矿物的他色不固定，一般不能作为鉴定矿物的依据。 假色 指由于某种物理原因所引起的颜色，而且这种物理过程的发生，不直接决定于矿物本身所固有的化学成分或内部构造。例如斑铜矿的新鲜面上本是暗铜红色，但由于其氧化表面上的薄膜的影响，造成了紫蓝混杂的斑驳色彩。这种由氧化薄膜所引起的假色称为锖色。一些硫化物矿物的氧化表面上，经常具有各种不同的锖色。又如白云母、方解石等具完全解理的透明矿物，由于一系列解理裂缝、薄层包裹体表面对入射光层层反射所造成的干涉现象的结果，可呈现如同彩虹般的不同色带所组成的晕色，它常常呈现同心环状的色环。晕色也属于假色。假色只对特定的某些矿物具有鉴定意义。[next] B 矿物颜色的命名及描述方法 矿物的颜色种类繁多，对颜色的描述应力求确切、简明、通俗，使人易于理解。通常采用标准色谱或与实物对比的方法来进行描述。下列矿物的颜色比较稳定，常用来作为比较的标准： 紫色——紫水晶 锡白色——毒砂蓝色——蓝铜矿 铅灰色——方铅矿绿色——孔雀石 钢灰色——镜铁矿黄色——雌黄 铁黑色——磁铁矿橙色——雄黄 铜红色——自然铜红色——辰砂 铜黄色——黄铜矿褐色——褐铁矿 金黄色——自然金 上述标准远远不能包括自然界矿物千变万化的色调，因而尚需对色调的深浅等作进一步的描述。其方法是以复合词来描述矿物的颜色。例如，黄铁矿为淡铜黄色，说明其色较铜黄色淡；绿帘石为黄绿色，说明它以绿色为主，绿中带黄；蔷薇辉石为玫瑰红色，说明其红色和玫瑰的颜色相似。 此外，在颜色描述过程中，还应注意： （1）区分金属色和非金属色两类不同颜色。以表面反射光为主产生的颜色为金属色，具金属色的矿物不透明或基本不透明；以透射光为主产生的颜色为金属色。具非金属色的矿物透明或半透明。在上列颜色标准中，左边7种为非金属色，右边7种为金属色。描述矿物时不要乱用。有的矿物在不同情况下颜色不同。如赤铁矿Fe2O3为微透明矿物（当厚度为几微米时，能显著地透过红光）。其片状大晶体完全不透明，具钢灰色金属色；但其隐晶质集合体（鲕状、肾状、土状……等）则呈暗红——砖红色，为非金属色。因为它的微粒可以透过红光。 （2）必须注意描述单矿物的新鲜面的颜色。风化面的颜色也可描述，但应加说明。例如，毒砂的表面锖色为淡铜黄色，但新鲜面是锡白色，不能含混地描述为“毒砂为淡铜黄色”。 矿物的颜色对初学者来说，往往不能确切地描述，但通过反复实践，就能逐步地掌握，并用以鉴定矿物。 1.2．矿物的条痕色 矿物在未上釉的素瓷板上擦划时所留下的粉末颜色，称为矿物的条痕色。条痕色可以消除假色、减弱他色、保存自色。因而比矿物颗粒的颜色更为固定，如赤铁矿的颜色可呈铁黑色，也可呈钢灰色，但其条痕总呈樱红色。所以，条痕色对于不透明矿物具有重要的鉴定意义。但对于透明矿物来说，则无多大意义，因为他们的条痕色均为白色或近于白色， 难以作为鉴定矿物的依据。 有些矿物的条痕色与颜色相同，如孔雀石为鲜绿色，自然金为金黄色，磁铁矿为铁黑色等，有些矿物的条痕色和颜色不同，如黄铜矿的颜色为铜黄色，而条痕为绿黑色。另外，矿物的条痕还随着矿物颜色的变化而变化，如浅色闪锌矿的条痕为近无色的淡黄色，黑色闪锌矿的条痕为棕色，这主要是由于闪锌矿中含铁量不同所致。 在实际观察矿物的条痕色时，要注意寻找矿物的新鲜面在瓷板上擦划（不要用力过猛，否则会有较大的碎块）获得较细的粉末，这样的条痕才会准确。另外，在矿物呈集合体时，一定要选准欲鉴定的矿物颗粒进行擦划，以获得良好的效果。[next]2．矿物的透明度与光泽 2.1．矿物的透明度 矿物的透明度是指矿物允许光线透过的程度。由物理学得知，光波进入矿物后即发生传播速度和方向的变化，在矿物内部传播的过程中，除了向各个方向散射很小一部分光能外，主要将因克服前进阻力而转化为热能（吸收），因之光波穿透矿物愈深就衰减愈甚。设进入矿物的入社光线强度为I0，透过矿物的厚度为1cm时，则I/I0的比值Q称为矿物的透射系数。矿物透明度的大小可以用透射系数来表示。很明显，吸收愈强则愈不透明，即透射系数愈小。 矿物的透明度决定于矿物的化学成分与内部构造。例如具有金属键的矿物（如自然金、自然铜等），由于含有较多的自由电子，对光波的吸收较多，禁带值小于可见光的能量，因而透过的光就少，透明度很低；反之，一些离子键或共价键的矿物（如冰洲石、金刚石等），由于不存在自由电子，禁带值大于可见光的能量，因而透过大量的光，透明度较高。 自然界没有绝对透明或绝对不透明的矿物。例如极薄的锡箔亦能透过一部分光，极深的水亦可表现为不透明。 根据厚度为0.03mm的矿物薄片的透明程度，可将矿物分为透明矿物（如长石、石英等）、半透明矿物（如辰砂、闪锌矿等）和不透明矿物（如磁铁矿、黄铁矿等）三类。 由于肉眼鉴定矿物时，透明度难以精确度量，所以常常配合矿物的条痕来帮助判断矿物的透明度：对于不透明矿物来说，其条痕常为黑色或金属色；半透明矿物则呈各种彩色（如褐、红、绿……）；透明矿物因其粉末常常可以透过大量光波，因此其条痕常呈无色或白色。 另外，同一种矿物的透明度常受矿物中是杂志、包裹体、气泡、裂隙、放射性的影响及集合体方式的不同而发生差异。如透明矿物成细粒集合体时，光线进入矿物不能有很长的直线进程，而必须经受方向不同的多次折射，因此光线就分散了，这样的细粒集合体，肉眼观察就不大透明了。但如果将其置于显微镜下观察则仍显透明。例如冰洲石与石灰岩，水晶与石英岩等即为其中一例。所以我们在观察矿物的透明度时，要选用新鲜而完整的部分。[next] 2.2．矿物的光泽 光泽是矿物的重要鉴定特征之一。矿物的光泽是指矿物表面对投射光的反射能力。 假设I0为投射光的强度，I为矿物的平滑表面所产生的反射光的强度，则I/ I0=R，R称为矿物的反射率，通常以百分率来表示。反射率越大，光泽就愈强。在矿物的肉眼鉴定工作中，通常将光泽自强而弱分为以下四级： （1）金属光泽 反射很强，呈如同光亮的金属器皿表面那样的反光。矿物具金属色（如铜黄、铅灰、铁黑等）、不透明、条痕色黑或呈金属色。如自然铜、方铅矿等。 （2）半金属光泽 反射较强，呈如同一般金属表面那样的反光。矿物具金属色、半透明、条痕呈深彩色。如赤铁矿、铁闪锌矿等。 （3）金刚光泽 反射较强，但呈如同金刚石那样灿烂耀眼的反光。矿物半透明至透明、条痕彩色至白色。例如金刚石、浅色闪锌矿等。 （4）玻璃光泽 反射弱，呈如同玻璃表面那样的反光。矿物透明、条痕白色。如方解石、石英、正长石、普通角闪石等绝大多数造岩矿物。 从反射率R的范围来看，金属光泽的矿物反射率最高，绝大多数R大于30%，最高可达95%；半金属光泽次之，一般R为百分之十几到二十几；金刚光泽又次之，除少数矿物外，一般R为百分之十几；玻璃光泽的矿物R小于10%，反射率最低。 上述四级光泽，是指矿物的平坦晶面或解理面上对光的反射情况而言的，但当矿物表面不平坦或呈集合体时，由于产生散射、内反射等光学现象，常产生一些如下的特殊光泽（变异光泽）。 （1）油脂光泽和树脂光泽 前者是指表面象涂了油脂似的光泽；后者则是指象树脂表面那样的光泽。油脂光泽的名称适用于颜色较浅的矿物，例如石英、霞石；树脂光泽则适用颜色较深，特别是呈黄棕色的矿物，如琥珀、浅色闪锌矿。这两种光泽都出现在一些 透明矿物的断口面上，是由于反射面不很光滑， 部分光发生慢反色所造成的。 （2）珍珠光泽 指如同蚌壳凹面（珍珠层）上的那种柔和而多彩的光泽。例如石膏、滑石的光泽、珍珠光泽都出现在片状解理很发育，特别是解理片还能弯曲的那些浅色透明矿物的解理面上，它是由于一系列解理面对光反复产生反射，并相互发生干涉所造成的。 （3）丝绢光泽 指如同一束蚕丝所反射的那种光泽。例如石棉、纤维石膏的光泽。丝绢光泽是纤维状集合体所特有的光泽，它的产生显然是与集合体的形态特征密切相关的。 （4）蜡状光泽 这是种象蜡烛表面一样的光泽，例如块状叶蜡石的表面就是这种光泽。蜡状光泽都出现在透明矿物的隐晶质或非晶质致密块体上，也是由于反射面不很光滑所引起的，但它发生慢反射的那部分光，要比呈油脂光泽者更多一些，所以蜡状光泽比油脂光泽更暗一些。 （5）土状光泽 即光泽暗淡，或者说无光泽，就象土块那样，例如高岭石的光泽。土状光泽都出现在透明矿物的细粒集合体表面上，它是由于矿物的颗粒很细，颗粒间又存在许多不规则的空隙，以致所有透射过来的光基本上全都发生了慢反射，并被空隙所“吸收”，因而使集合体表面显得暗淡无光。 光泽不仅是鉴定矿物的重要依据，而且是评价宝石矿物的重要标志。因此，在实际观察矿物光泽时，应注意正确辨认光泽的级别与性质。另外，在手标本上区分透明矿物和不透明矿物，主要也是根据光泽来判断的。凡呈金属光泽或半金属光泽者，即为不透明矿物，否则即为透明矿物。所以，一般把除金属光泽和半金属光泽以外的其他各种光泽，通称为非金属光泽。[next]3．矿物的发光性 矿物在外来能量的激发下，发出可见光的这种性质，称为发光性。能够激发矿物发光的因素是多种多样的，如紫外线、X射线、阴极射线等。其中以紫外线最为常用。它们都可能使某些矿物发出一定颜色的可见光。如果在激发因素作用于矿物时，矿物产生发生光现象，而当激发因素停止作用时，发光现象便迅速消失，这种发光现象称为荧光；如在激发因素停止作用后，矿物在较长时间内仍能继续发光的话，这种发光现象称为磷光。例如用紫外线照射时，白钨矿发鲜明的浅蓝色荧光；硅锌矿发鲜绿色磷光；用X射线照射金刚石时，则发天蓝色荧光；等等。 矿物的发光现象，是由于组成矿物的原子或离子，在受到激发因素的激发时，其外层电子发生跃迁过程而引起的。亦即当电子从较高的能级跳回到较低能级的空位上时，将释放出多余的能量，此部分能量以相应波长的可见光形式发射出来，我们就可以看到矿物发出了某种颜色的光。但是，如同我们在讨论色心呈色时所指出的，在许多纯净的完善晶体中，上述这部分释放出来的能量，它相当于禁带的宽度，要比可见光的能量大，因此它将以短与可见光波长的紫外线形式发射出来，而并不产生可见光。实际上，矿物的发光性几乎总是与晶格中微量杂志元素的存在有关。如有些矿物中因含铕而呈现淡蓝色发光现象；因含钐等元素而呈现褐红色发光现象。含稀土元素的萤石和方解石常常产生荧光；在钙的磷酸盐中有镧族元素代替钙时，常发生磷光（目前彩色电视显像系统所用的荧光材料主要是由稀土元素的磷酸盐所组成）。 如图2所示，由于杂志元素的存在，在晶格的导带A和满带D之间，还出现了局部能级C；B则是由于晶格缺陷所产生局部能级。当晶体受到激发因素的作用时，内部就发生电子跃迁，满带D上的电子以及局部能级C上的电子，均可受激而跃迁到能级较高的导带A上去，并在原先所在的能级上留下“空位”。此时，较高能级上的电子就可以落到这些空位上，同时释放多余的能量。其中对应于从局部能级C到满带D的电子转移，其释放出的能量相当于可见飞、光范围的波长，这样，矿物就发出了荧光。但是，在上述从导带A向满带D的的电子转移过程中，有的电子可能在中途首先落入局部能级 B的“陷阱”的电子又可以逃脱出来，继续向较低能级的空位上转移，从而继续引起发光，这就是磷光。 ![]()
图2 发光性晶体内部的电子跃迁过程 已知具有发光性的矿物，都是晶质矿物。但是，有的矿物的发光性比较固定，有的则不固定。例如，不同产地的同一种矿物，有的发光，有的就不发光，发光的颜色也可不同。 矿物的发光性对于有些矿物，如金刚石、白钨矿等矿物的鉴定、找矿和选矿等工作均具有重大的实际意义。在地质工作中，常用轻便的紫外光灯来探测具有荧光性的矿物。如白钨矿，外表与石英很相似，有时易混淆，当利用紫外光灯照射时，由于白钨矿能发出浅蓝色荧光，而石英不发荧光，二者就很容易地区分开来。 免责声明：本网部分内容来自互联网媒体、机构或其他网站的信息转载以及网友自行发布，并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。本网所有信息仅供参考，不做交易和服务的根据。本网内容如有侵权或其它问题请及时告之，本网将及时修改或删除。凡以任何方式登录本网站或直接、间接使用本网站资料者，视为自愿接受本网站声明的约束。
