第1章　宝石基本概念、分类、属性及价值

1.1 宝石的概念及所必须具备的条件

1.1.1 宝石的概念
 宝石的西文名为gem和gemstone。gem来自于拉丁文Gemma，有宝或宝石的意思。在Gary(1972)编的《地质学词汇》一书中，gem一词主要指经过琢磨加工好的宝石成品；gemstone则指未经加工的宝石材料，包括矿物、岩石或其它自然材料，只要经琢磨抛光后具备美观、耐久等特征，能满足制作饰品的条件即可，因此，gemstone一词实际指未经加工过的宝石材料。但到近代，gem和gemstone的含义区别则越来越模糊。
 据《辞海》，宝石为硬度较大、色泽美丽、受大气和化学药品的作用不起变化、产量稀少而极为贵重的矿物，如金刚石、刚玉等等。
从目前的宝石学看，宝石的概念有广义和狭义之分。广义的概念宝石和玉石不分，泛指宝石，指的是色彩瑰丽、晶莹剔透、坚硬耐久、稀少，并可琢磨、雕刻成首饰和工艺品的矿物或岩石，包括天然的和人工合成的，也包括部分有机材料。狭义的概念有宝石和玉石之分，宝石指的是色彩瑰丽、晶莹剔透、坚硬耐久、稀少，并可琢磨成宝石首饰的单矿物晶体，包括天然的和人工合成的，如钻石、蓝宝石等；而玉石是指色彩瑰丽、坚硬耐久、稀少，并可琢磨、雕刻成首饰和工艺品的矿物集合体或岩石，同样既包括天然的，又包括人工合成的，如翡翠、软玉、独山玉、岫玉等。
在商贸或市场销售时，宝石也称珠宝。顾名思义是指珍珠和宝石，包括珍珠、宝石和玉石等。

1.1.2 宝石必须具备的条件
 不论是广义的宝石，还是狭义的宝石和玉石，都必须具备以下条件：
1美丽（Beauty）
美是宝玉石必须具备的首要条件。具体要求宝玉石颜色艳丽、纯正、匀净、透明无暇、光泽夺目，或呈现猫眼、星光、变彩、变色等特殊的光学效应。如透明无瑕的钻石堪称宝石之王，而不透明的黑色钻石主要具工业用途。这是美与不美的重大差别。
2、稀罕（Rarity）
物以稀为贵，这一法则在宝石上得到了最大体现。越是稀罕的宝石越名贵。例如，几世纪前欧洲首次发现紫晶，个头虽小，但色彩艳丽新颖，颇受人们喜爱，因其数量稀少，当时被视为珍贵之物，但当南美发现优质大型紫晶矿后，紫晶价格猛跌，从此不再享有珍贵之名。
3、耐久（Durability）
宝玉石不仅要求色彩艳丽非凡，还需具有永葆艳姿美色的耐久性，即宝玉石必需坚硬耐磨，化学稳定性高。

1.2 宝石的分类

按照宝石的概念和必须具备的条件，目前世界上能被用作宝石的矿物、矿物集合体和岩石有二百多种。由于这些宝石具明显的商品特性，贵贱悬殊，存在有机与无机、矿物与岩石、单晶与集合体等之分；再者，宝石和玉石的工艺性质各具特色，所以无论从单一宝石学，还是从矿物学观点都难以提出一个统一的、全面的、被各方面公认的分类方案。因此，目前，关于宝石的分类的认识还存在较大分歧。

1.2.1 历史
历史上，人们从不同角度、根据不同的目的提出了不同的宝石分类方案，较典型的有：
1、正宝石和半宝石
这是欧美早期对宝石质量粗略含糊的分类，即将硬度大于8的宝石称正宝石，将硬度小于8宝石的称半宝石。 但由于许多宝石的价值并不主要决定于硬度，如欧泊硬度仅为6，但其价值却高于硬度为8的托帕石，因此正宝石与半宝石的分类方案现已不再沿用。
2、珍贵宝石与普通宝石
（1）珍贵宝石：是在自然界发现的单晶体矿物宝石中十分稀有的绝代瑰宝，其色彩、透明度以及质地等方面都居宝石之冠。属于这类宝石的品种主要有钻石、红宝石、蓝宝石、祖母绿、猫眼石和变石等。
（2）普通宝石：是自然界发现不多的单矿物晶体宝石，但远不及珍贵宝石稀少、坚硬、精美和名贵。这类宝石在市场上常见的有锆石、托帕石、尖晶石、石榴子石、电气石、橄榄石、水晶、海蓝宝石、非蓝色蓝宝石等。
3、宝石与玉石
这是东方习惯的宝石分类方案，即是上述狭义的宝石划分方案。宝石是指色彩瑰丽、晶莹剔透、坚硬耐久、稀少，并可琢磨成宝石首饰的单矿物晶体；玉石是指色彩瑰丽、坚硬耐久、稀少，并可琢磨、雕刻成首饰和工艺品的矿物集合体或岩石。前者主要是矿物学的范畴，后者主要是岩石学的范畴。


我国古代对宝石的药用价值早就有所认识，早在公元前770-720年系统描述矿物原料及其功效的《山海经》中就有记载，民间还留传唐代名医孙思邈用琥珀治好一暴死产妇的故事。而中医书中记载有关于琥珀的药性歌：“琥珀肚膀甘平，散瘀通淋能镇惊，癫痫目疾失眠症，辨血腹痛小便通”，因此，琥珀是一味能安五脏、定魂魄、止惊悸、镇静安神、化瘀活血的良药。
对红宝石和蓝宝石，它们具有医用价值从古一直传至今天。克什米尔的医生用梵文描写了13世纪的医学。其中谈到红宝石能治疗胆汁过多和肠胃胀气。著名的红宝石药剂极为珍贵，是根据秘方炼制而成的，只有富人才用得起。此种流行于13世纪的红宝石医学在今天看来好像是难以置信的。蓝宝石和红宝石一样，传说也有医疗作用，一位古代作家写道：“在蓝宝石上刻一只公羊或一个长胡子的老头，就可以使人免受病痛、监禁和恶魔伤害”。另据传说，蓝宝石可以除去眼中污物或异物。17世纪，德国教徒J.B.Van Helmont 曾教人们用蓝宝石治疗瘟疫。
又如珍珠的药用价值各朝代的医书中都广有记载，例如明代医学家李时珍在《本草纲目》中认为：“珍珠可安魂魄，止遗精百浊，解痘疗毒；能镇定安神，除翳名目，清热解毒，止咳化痰”。现代的分析则表明：珍珠中含有20多种氨基酸，其中六种是人体需要而又无法合成的，因此，珍珠还被广泛制成各种营养品、口服液等，用作高档的化妆品和保健产品。
更有意思的是，某些宝石名称甚至直接来自于其医学效能，例如墨西哥人认为软玉可以用来治腰病，是治腰宝石，而硬玉是治肾的宝石，因而它们的名称分别是腰石和肾石。

1.5.7 物用价值
所谓物用价值就是指宝石可以作为工具器皿或物件使用，从而产生实用价值。宝石的实用价值最早追溯到石器时代的玉斧、玉刀、玉剑、玉矛等。随着历史的发展，物用宝石越来越多，如玉角杯、玉奁、玉灯、玉碗、玉碟、玉瓶、玉砚、玉笔、玉印盒、玉笔筒、玉酒具等等。至今仍有广泛用途。

1.5.8 研究价值
宝石的研究价值包括多方面内容，例如，由于宝石是在特定地质构造背景和特殊的地质作用下，一定的物理和化学条件下的产物，通过宝石的研究可揭示形成宝石的自然过程和物理化学条件，从而为找寻新的宝石资源，为了满足人类生产生活需要进行人工合用宝石及矿物、进行优化处理等提供理论依据。有些宝石的研究还可揭示古代的自然环境及生命的进化过程，如对琥珀中包含的昆虫研究就可以了解地球上某些昆虫几千万年以来的进化过程等。
另一主要方面是宝石可作为研究人类社会变化、文明演化等的实物证据。在各类文物中，宝石是重要的文物品种，记载着人类社会变化、文明演化、一些重要历史事件的重要信息，通过宝石的研究，我们可以恢复已消失的文明，复原人类社会演化的历史。通过对不同朝代宝石品种、款式的研究，可以了解不同时代的生产力发展水平，雕刻艺术风格、风土民俗，社会交往等等诸多社会因素的变化，从而为了解人类文化的过程提供见证。因此，宝石的艺术文化及科学研究的价值是不容忽视的。

（1）喷出岩（火山岩）：岩浆喷出地表在空气中或海水里迅速冷凝形成的岩石，如玄武岩、安山岩、流纹岩等。喷出岩由于冷凝速度快，物质来不及充分结晶,因此组成岩石的物质往往呈非晶质（玻璃质）或半晶质（即玻璃质与结晶物质共存）或隐晶质（矿物粒径<0.3mm）。
　　（2）侵入岩：岩浆在地表以下缓慢冷却、凝固而成的岩石，如花岗岩、闪长岩等。由于岩浆是在地下一定深度冷凝，因此岩石中的矿物呈不同粒度的全晶质。浅成侵入岩矿物颗粒较细，深成岩则矿物颗粒粗。
　　根据火成岩的化学成分，特别是其中SiO2的含量多少，又将火成岩分为酸性岩、中性岩、基性岩和超基性岩几种主要类型。它们的主要特征如表1-2-3所列。

　　　　　　　　　　　　表1-2-3　火成岩类型及其特征简表
超基性岩 基性岩 中性岩 酸性岩
SiO2 <45% 45%-52% 53%-65% >65%
主要
矿物 橄榄石、辉石、角闪石 钙长石、
辉石 中长石 碱性长石 钾长石、酸性长石、石英、黑云母
角闪石、黑云母
颜 色  深 → 浅
喷出岩 岩流、岩被，斑状或隐晶结构、气孔状、杏仁状、流纹状构造
苦橄岩
玄武岩
安山岩
粗面岩
流纹岩
浅成岩 斑状、细粒或隐晶质结构 金伯利岩 辉绿岩 闪长玢岩 正长斑岩 花岗斑岩
深成岩 全晶质粗粒或似斑状结构 橄榄岩、辉石岩 辉长岩 闪长岩 正长岩 花岗岩

　　花岗岩是地球上分布最广泛的侵入岩，是人们最常用的建筑石料。玄武岩是地球上分布最广泛的火山岩，地球上的大洋底几乎全部由玄武岩构成。地球上的许多原生宝石矿床都是产于火成岩中，例如蓝宝石、红宝石、石榴石是高压下玄武岩浆早期结晶的产物，以后随岩浆喷出带至地表；又如金刚石与超基性金伯利岩浆有关，目前绝大多数地质学家认为，金刚石是上地幔早期形成的矿物，后被超基性岩浆－金伯利岩浆带到地表。
2、沉积岩
沉积岩是在地表或接近地表的条件下，由风化作用、生物作用或某种火山作用形成的产物，经搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石（碎屑岩），或者由于溶液在正常地表温度下沉淀而成（化学岩）。沉积岩虽只占地球外壳（地表以下4－5km以上的浅处）总重量的3%，但却构成地表岩石面积的75%。沉积岩按其成因可分为碎屑岩和化学岩两大类：
　　（1）碎屑岩：包括砾岩、砂岩、粉砂岩、粘土岩。它们是碎屑物经过搬运、沉积和压实排除水分并产生一定的化学变化，使碎屑颗粒胶结成为岩石。粘土岩的碎屑颗粒直径 <0.06mm，砂岩颗粒直径0.06-2mm，砾岩颗粒直径>2mm。胶结物主要是碳酸盐和SiO2。碎屑岩的特点是具有层理、波痕、泥裂等沉积构造。
　　（2）化学岩:常见的化学岩是由方解石和文石组成的石灰岩，以及由白云石组成的白云岩，它们统称碳酸盐岩，约占沉积岩总量的20%。还有一些不同组分的化学岩，如硅质岩、蒸发岩、磷酸岩等。
　　地质上一般把形成时代最晚的尚未胶结的第四纪“沉积岩层”称为第四纪沉积物。例如，原岩经过风化崩解后残留于原地附近的松散沉积物称为“残积物”，风化产物被暂时性流水冲刷、搬运到山坡坡麓或山前带沉积下来的分别称为“坡积物”和“洪积物”；由经常性流水-河流搬运并在河床中沉积下来的物质称为“冲积物”；有些碎屑物质还可以被搬运到湖泊或海洋里，并在湖滨、海滨地带或者在浅海、深海沉积下来则分别称为“湖相沉积物”或“海洋沉积物”。
　　原始基岩（母岩）中含有的宝石矿物或金属矿物经过风化淋滤作用，可以在原地富集起来，形成风化淋滤矿床。宝石或金属矿物也可以保存在残积物中或者经过流水的搬运和分选作用而在洪积物、冲积物或滨海沉积物中富集起来形成砂矿。如果说存在于火成岩或变质岩等母岩中的宝石矿床称为内生矿床的话，那么富集在风化物中或在矿物中的宝石矿床则称为外生矿床。对于宝石矿物来说，外生矿床比内生矿床更为重要，因为绝大多数宝石都可以形成砂矿，而且它们易于开采，成本较低，土法即可开采，例如，金刚石、红宝石、蓝宝石等大多见于残积或冲积砂矿中；欧泊、绿玉髓（澳玉）多见于风化淋滤矿床中；高质量的玛瑙、玉石也常见于冲积砾石层中。经过长距离的搬运和磨蚀后尚能保存下来的宝石往往多是质地坚硬、品质良好的宝石，例如，翡翠原料有“山料”和“仔料”之分，后者即是以卵石形式赋存于后生成因的冲积矿中，高档翡翠一般产于仔料中。


3、变质岩
原先存在的岩石（火成岩、沉积岩或早期变质岩），在温度、压力作用下，使原来的岩石发生矿物成分、结构构造的变化而形成的岩石即为变质岩，形成变质岩的这种过程称为变质作用，变质作用一般发生在固态条件发生，主要类型有：
　　（1）动力变质作用：它是在构造运动产生的定向压力作用下岩石所发生的变质作用，它与岩石的断裂相伴随，并出现在断裂带两侧。岩石受到压力发生变形破碎，导致其结构、构造的变化。同时，挤压力引起的高温也能引起局部的重结晶作用，使原岩矿物成分变化，动力变质的代表岩石是碎裂岩和糜棱岩。
　　（2）接触变质作用（或热变质作用）：是岩浆侵入体周边的围岩受侵入体的影响发生温度升高而发生的矿物重结晶作用。例如，由石灰岩经过热变质作用使灰岩的CaCO3普遍结晶,就形成了人们熟知的大理岩（汉白玉）。如果是含镁的白云岩变质后会出现含绿色蛇纹石的不规则条带，这便是人们喜爱的建筑装饰材料蛇纹石大理岩。
　　（3）接触交代变质作用：引起变质的因素除温度以外，岩浆中分泌的挥发性物质与围岩发生物质交换，既使围岩发生变质，又使侵入体边缘变质。这种变质作用的典型代表岩石是矽卡岩。矽卡岩是中酸性－中基性侵入岩类与碳酸盐岩接触带上形成的接触交代变质岩，其中常伴有某些金属矿物和宝石矿物，后者如钙铝-钙铁石榴石、尖晶石、红宝石等。
（4）区域变质作用：在大范围内主要由温度、压力普遍升高而引起的变质过程。其变质影响范围可达数千至数万km2，代表的岩石有角闪岩、麻粒岩、绿片岩等。与这些变质岩有关的宝石主要有铁铝榴石、红宝石、蓝宝石、碧玉等。
与三大岩类有关的宝石（见表1-2-4）。
表1-2-4 　与三大岩类有关的典型宝石
火成岩 变质岩 沉积岩(包括第四系沉积物)
绿柱石族宝石，如海蓝宝石 绿柱石族宝石，如祖母绿 钻石
金绿宝石 刚玉族宝石，如红宝石 绿松石
刚玉族宝石，如蓝宝石 赛黄晶 欧泊
钻石 石榴石族宝石，如钙铝榴石 翡翠
石榴石族宝石，如铁铝榴石 堇青石 软玉
长石族宝石，如月光石 青金岩
橄榄石 翡翠
石英族宝石，如水晶 软玉
尖晶石 岫玉
托帕石 独山玉
电气石 鸡血石
锆石 寿山石 

第3章 结晶学基础

 宝石是一种坚硬耐磨的固体物质，宝石材料经过精心设计和人工琢磨，形成规则的几何形态，发出奇光异彩，映出奇妙花纹，所有这些首先归功于人类的艺术创造，但本质上是归功于宝石材料的结晶学性质，因此，结晶学是宝石学重要的基础学科之一，结晶学知识对于宝石学家是必不可少的。

3.1 晶体和非晶体
　　
在古代，人们把石英晶体称为水晶，这是因为石英晶体透明如水，故误认为是由水结晶而成。后来，人们又找到了石盐、方解石、萤石和金刚石等具有规则几何多面体形态的结晶体，于是开始深入研究晶体的本性。从近代地质学研究看，把水晶当作是水的结晶体显然是不对的。同样是石英，它既可呈具有几何多面体形态的水晶晶体，亦可呈不规则颗粒形态而广泛存在于各种岩石和河、海滩地的砂粒中。这两种形态的石英虽然外形不一样，可在微观结构、化学组分上却是一样的，表现在外部的物理性质上也是一样的。
　　通过X-射线分析表明，一切晶体，不论其外部形态如何，其内部质点（原子、离子、或分子）都是有规律排列的。这种规律表现为同种质点作周期性的重复，构成了所谓的格子构造。因此，晶体的定义应当是：晶体是具有格子构造的固体，晶形的充分发育可导致其外部晶面呈规则的几何形态。绝大多数宝石矿物是单矿物晶体，如钻石、红宝石等。
 与晶体的上述特征相反，有些形状似固体的物质（如玻璃、琥珀和松香等），它们内部组成质点不作规则排列，不具格子构造，因而没有规则的几何外形，这类物质称非晶质或非晶质体。从内部结构的角度看，非晶质体中的质点分布类似于液体。这类宝石材料包括欧泊和火山玻璃等。
 除晶体和非晶体外，尚有一些矿物，虽然其内部原子结构作有序排列，但不具外部规则的几何形态，它们由无数的微晶组成，但这些微晶是如此之小，以致于用普通显微镜都无法观察到，也就是说是超显微的，这些矿物称隐晶质，如玉髓、软玉等。另外还有一些矿物也是由细小的晶体组成，然而其组成晶体可用放大镜、甚至肉眼观察到，这些矿物称多晶质，如翡翠、独山玉等。

3.2 空间格子
 
晶体内部构造的最基本特征是质点在三维空间作有规律的周期性重复。空间格子是表示晶体内部构造的一种模拟几何图像。以氯化铯（CsCl）晶体为例（图1-3-1），分析其内部构造变化的规律性。





图1-3-1　 为氯化铯的晶体构造和空间格子模拟图形
（左图中双图与黑点分别表示Cl-和Cs离子的中心点）

 从图1-3-1中可以看出，无论Cl-还是Cs+离子，在图形的三维方向上均作等距离的重复排列。为进一步揭示这种重复规律，我们可以对它作某种抽象（图1-3-1b），可选取其中任一个元素的离子（Cl-或Cr+）作为相当点，显然，相当点的分布规律可以体现晶体构造中所有质点的重复规律。三度空间中相当点的这种格子状排列就称为空间格子。为了研究晶体内部构造中质点的重复规律时不受晶体大小限制，可设想相当点在三度空间上的排列是无限的，因而，空间格子是一种无限图形（图1-3-2）。








图1-3-2　 晶体的空间格子

 从三维空间格子图形中，可以划出一个最小的单位，这就是平行六面体，即晶体中的最小基本组成单位。因此，晶体是由平行六面体“砖块”毫无间隙地重复堆垒而成，这一“砖块”称为“晶胞”。晶胞的形状和大小，取决于平行六面体三向彼此的棱长及其棱间夹角的大小。

3.3　晶体的基本性质
 
晶体的内部构造是由单位晶胞组成的立体空间格子。同一晶体由相同的晶胞组成，晶体种类不同，组成空间格子的形状和大小也不同，这样，就形成了千姿百态、物理和化学性质不同的天然晶体世界。研究和统计表明，晶体有以下五种基本性质：
1、晶体的自范性（或称自限性）
指一切晶体在生长过程中，只要具备充分的空间条件，都能自发地形成规则的几何多面体外形的性质。晶体的自范性为我们确定晶体的内部结构、进行晶体分类和鉴定宝石原石晶体提供了宏观依据。如黄铁矿为立方体，祖母绿为六方柱状，金刚石为八面体等。


2、光在非均质体中的传播特征
自然界全部非晶质体物质（包括经受过应力作用的均质体）都具有双折射性质。晶体的光学现象都与双折射有关。实验证明，当一束平行光射入非均质体时，除特殊方向（光轴方向）外，都要发生双折射，即分解成两条振动方向相互垂直、传播速度和折射率不等的偏振光。
晶体的双折射性质与其内部结构的非均一性有关。对于一轴晶晶族所属的三个晶系的晶体来说，它们只有两个折光率值：一个是常光（或O光），常光在晶体中的分布规律是振动方向永远垂直于光轴（或结晶C轴），常光在晶体中传播时，其速度和折射率n不随入射方向或振动方向的改变而变化，严格遵守折射定律。另一个是非常光（或e光），非常光在晶体中的分布规律是：振动方向永远包含在入射线（波法线）和光轴组成的平面内，并随振动方向的改变而变化。若│ne-no│=B值（这个B值是绝对值），其数值大小因不同晶体而异。如石英，ne=1.553,no=1.554,｜ne-no｜=0.009。又如方解石，ne=1.486，no=1.658，｜ne-no｜=0.172。对石英来说，B值因光波入射方向不同而连续变化于0-0.009之间。对于方解石来说，B值因光波入射向不同而连续变化于0-0.172之间。若ne>no，称为一轴晶正光性，石英就是一轴晶正光性；若ne<no，称之为一轴晶负光性，方解石就是一轴晶负光性。
 对于属于二轴晶三个晶系的晶体，则具有三个折射率值，即最大者（ng）、中间者（nm）和最小者（np），它们的固定公式是：ng>nm>np。其中ng和np是随入射线方向的变化而连续变化的，nm对于某一晶体来说是不变的，并且当ng-nm>nm-np时为二轴晶正光性；当ng-nm<nm-np时为二轴晶负光性。

3.5.2 光率体
　　为使晶体光学性质的分析形象化，富莱契（1891）创立了光率体的概念，他把晶体的折射率值与其相应的光波振动方向联系起来，用圆和椭圆的几何图形变化规律予以表示，成功地解释了晶体在偏光系统下呈现的现象、晶体的光性特征及其规律性。
 光率体又称光性指示体，它是一种将光波振动方向与该方向上的折射率值相联系起来的空间几何图形。其作法是，在各个光波的振动方向上，将相应的折射率值按一定比例截取线段，自中心以这些线段为半径，将这些线的端点连接起来，就构成了光率体。
 光率体的几何形态变化规律是：球体代表全部非晶质体和等轴晶系矿物的光学性质；旋转椭球体代表全部中级和低级晶族的光学性质。
 1、均质体光率体
 均质体光率体的几何形态是一个圆球体，可表示全部均质体物质的光性特征，即从任何方向射入均质体物质的光波，其振动性质不变，其折射率值只有一个。不同均质体物质光率体的唯一差别是球半径大小，它取决于物质的折射率，如金刚石的折射率为2.4175，铁铝榴石为1.830，萤石为1.434等（见图1-3-15）。










图1-3-15 　均质体光率体示意图

2、一轴晶光率体
一轴晶光率体的几何形态是一种旋转椭球体，旋转轴方向与光轴方向一致，椭球的长、短半径分别代表两个偏光振动方向及其相应的最大和最小折射率值。与旋转轴方向相互垂直的椭球半径方向代表常光的振动方向，其长度代表其折射率值。根据两个主折射率值的相对大小，又可把一轴晶光率体分成正光性和负光性两类：当ne>n（如石英），其光率体指示图形为一长形旋转椭球体，这就是正光性光率体（见图1-3-16）；当ne<n0（如方解石），其光率体指示图形为一扁形旋转椭球体，这就是负光性光率体（见图1-3-16）。











图1-3-16 　一轴晶光率体示意图

3、二轴晶光率体
二轴晶光率体的几何形态也是旋转椭球体，旋转轴的方向也与光轴方向一致，椭球体的长、中和短轴分别代表三个振动方向及相应的最大、中间和最小折射率。同样根据三个主折射率值可将二轴晶光率体分为正光性和负光性两类（见图1-3-17）。二轴晶有三个折射率值（ng、nm、np），当ng-nm>nm-np时为正光性；当ng-nm<nm-np时为负光性。


3.6.2 晶体的规则连生
上述所讨论是单晶体的光学特征，但自然界中由于受各种因素影响，有时，同一宝石晶体两个或更多个单体按对称方式生长在一起，这些由两个或更多个单体所组成的晶体由于受内部结构的控制表现出一定的规则，因此称为晶体的规则连生。晶体的规则连生可分为两种基本类型，即双晶和平行连生。
1、双晶
双晶是由两个或两个以上的同种晶体按一定的对称规律形成的规则连生，相邻两个个体的相应的面、棱、角并非完全平行，但它们通过一定的对称操作——反映、旋转或反伸，使两个个体彼此平行或重合。双晶按生长的方式可分为下例几种类型（见图1-3-18）：
（1）接触双晶：即仅由两个个体组成的双晶，如尖晶石的双晶；
（2）聚片双晶：多个双晶个体以同一双晶律连生，接合面相互平行，如钠长石的聚片双晶；
（3）环状双晶：多个双晶个体彼此以同样的双晶律连生，但结合面互不平行，而是依次以等角相交。晶体连生的个数有三连晶、四连晶，等等。金绿宝石的三连晶双晶就是环状双晶的典型例子；
（4）穿插双晶：又称贯穿双晶，是单晶个体相互穿插而形成的双晶，十字石双晶和萤石双晶就是典型例子。














图1-3-18 双晶及主要类型

2、平行连生
是同种晶体的个体彼此平行地连生在一起，连生着的每一个晶体相对应的晶面和晶棱相互平行（见图1-3-19）。平行连生从外形来看是多晶体的连生，但它们内部的格子构造都是平行而连续的，从这点来看，它与单晶没有差别。









图1-3-19 晶体的平行连生

3.7 实际晶体的形态和表面特征

3.7.1 实际晶体的形态
在此之前所讨论的宝石晶体形态，都是以理想晶体为对象。但实际上晶体的生长环境很复杂，同时还受内部和外部各种因素的影响，以致晶体不能按理想晶体发育。而且，在晶体形成以后，还会继续受外界因素的影响，这更会增加晶体的非理想程度。可以说，绝大多数晶体是非理想的，所不同的只是它们偏离理想晶体的程度存在差异而已。
1、歪晶
在实际晶体中歪晶是极其常见的。歪晶是在非理想环境下形成的、偏离本身理想晶形的晶体，其通常的表现形式为同一单形的各晶面不等发育，有的晶面甚至可能缺失，但它们的晶面夹角与理想晶体的晶面夹角是一致的。
2、弯晶
指整体呈弯曲形态的晶体，如白云石的马鞍状弯曲晶体（见图1-3-20）。
3、凸晶
与弯晶相反，是指各晶面中心均相对凸起而呈曲面、晶棱弯曲而呈弧线的晶体（见图1-3-20）。

3.7.2 晶体表面特征
 不同矿物的晶体受内部原子结构控制，呈现上述一系列独特的特征，有时这些晶体内部原子结构也反映到晶体表面，呈现一系列受内部原子结构控制的表面特征。它们对于宝石晶体原石的鉴定具有重要的意义，以下对一些常见的表面特征作简要介绍。
1、晶面条纹
晶面上由一系列邻接面构造构成的直线条纹，称为晶面条纹。晶面条纹是晶体在生长过程中形成的，在许多晶体上可以看到，例如石英晶体柱面上的横纹，电气石晶体上的柱面纵纹，黄铁矿立体上三对相互垂直的条纹等（见图1-3-21）。
2、三角座
一些晶体上见到的呈三角形的特殊图案，称三角座。一些晶体的三角座是由几组解理面组合构造的，如金刚石的三角座就是由八体解理的几组解理面交切构造的；一些晶体则与裂理面与双晶面有关，如刚玉。
3、蚀痕

4、螺纹

4.4 化合价和化合物

4.4.1 基本概念及基本特征
原子核外的层状结构称为电子层，其中分布的电子为价电子。元素中有一组气体称为“惰性气体”，它们是氩、氖、氦、氙和氡，这些元素的原子比较稳定，一般不与别的元素发生化学反应，而总以元素的形式存在，从这些元素原子的电子排列来看，氦为2个，其余为8个。对大多数元素的原子来讲，它们的核外最外层电子数既不为2，也不为8，为了在其外层电子层形成2个或8个的稳定排列，一些元素将失去多余的电子，而另一些原子将得到电子，并相互结合形成化合物。那些既不易失去又不易得到电子的元素将靠各自提供的电子共用以达到形成这种稳定电子层的目的，这种被给出、得到或共用电子对数目称为元素的化合价，失去者为正价，得到者为负价。
例如刚玉类宝石，它们的化学成分为Al2O3，铝的外电子层有3个电子，而氧有6个，2个铝原子每个给出3个电子，这6个电子为3个氧原子各提供了2个电子。利用这种方法，铝原子保留了8个电子的第二层，而氧原子则组成具有8个电子的外电子层，二者都形成了稳定排列。有能力给出3个价电子的铝被认为具有3个化合价或者说是正3价的，而氧因能接受2个电子而具有2个化合价或者说是负2价的。萤石的情况是钙提供2个电子，而2个氟各提供1个电子来补偿外电子层，因而钙是正2价，氟是负1价。
　　然而，一些元素具有一种以上的价态，例如铁有正二价和正三价之分，为正2价时,与氧结合形成氧化亚铁，为正三价时，形成三氧化二铁，即赤铁矿。在这些元素中，组成内层的电子也同样能参加到化学反应中以形成化合物。
　　但总的来说，化合价就是为形成2个或8个电子的稳定核外电子层结构而被给出、接受及共用的电子的数目。
　　元素可通过化合作用以简单的比例相结合形成新的物质。这些新的物质具有与母体元素完全不同的物理和化学性质，以铝为例，这种金属密度为2.7g/cm3，呈银白色，硬度不大，但它与氧结合形成刚玉后，其摩氏硬度为9，密度为3.99 g/cm3，并因含少量其它元素而呈多种不同的颜色。
化合物，简言之就是两个或两个以上元素按一定比例通过化学作用形成的结合物，它具有能用化学分子式表示的固定组分，如绿柱石，主要是由Be、Al、Si、O元素结合形成的化合物，其固定组分可表示为：Be3Al3(SiO3)6。
研究化合物时，要注意与混合物的区别。化合物通过化学作用形成，同时也只能通过化学作用来分离；而混合物是通过物理过程混合而形成，同样可通过物理过程来分离。最简单的实例是盐和铁屑的混合物可通过二种简单的物理作用来将它们分开：①利用磁铁可吸起铁屑而留下盐；②用水可溶解盐而留下铁屑。
宝石学中，由混合物构成的宝石是很多的，许多玉石就是由各种矿物混合胶结而成的混合物，这也是区分宝石和玉石最重要的特征之一。

4.4.2 宝石中常见的化合物
1、硫化物及其类似化合物
为一系列金属元素与S、Se、As等元素相结合而形成的化合物，代表的宝石有：白铁矿FeS2、黄铁矿FeS2和辰砂HgS等。
2、氧化物类
由一系列金属和非金属元素与氧结合而形成的化合物。代表宝石有刚玉Al2O3、赤铁矿Fe2O3、欧泊SiO2•nH2O、水晶SiO2、金红石TiO2、锡石SnO2等。属于复杂氧化物的宝石有尖晶石（Mg,Fe）Al2O3和金绿宝石BeAl2O4。
3、卤化物类
由金属元素与卤族元素相结合而形成的化合物。代表的宝石有萤石CaF2。
4、碳酸盐类
由金属元素与碳酸根离子相结合而形成的化合物。代表的宝石有孔雀石CuCO3Cu(OH)2、汉白玉CaCO3、珍珠CaCO3、珊瑚CaCO3等。
5、磷酸盐类
由金属元素与磷酸根结合形成的化合物。代表宝石有绿松石CuAl6(PO4)4(OH)8•5H2O、天河石(Fe,Mg)Al2(OH)2(PO4)等。
6、硅酸盐类
是由一系列金属元素与硅酸根结合形成的化合物，代表宝石有：锆石ZrSiO4、橄榄石（Mg,Fe）2SiO4、石榴子石L3M2(SiO4)3（在铝榴石系列中，L可能是Mg、Fe、Mn，M永远是Al；在钙榴石系列中，L永远是Ca，M可以是Cr、Al和Fe）、托帕石Al2SiO4F2、榍石CaTi(SiO4)O、十字石Fe2Al9(SiO4)O6(O,OH)、绿柱石Be3Al2(SiO3)6、堇青石Al3(Mg,Fe)2(AlSi5O18)、电气石Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6(SiO3)6(BO3)3(OH,F)4、硬玉NaAl(SiO3)2、软玉CaMg5(OH)2(Si4O11)2、月光石(K,Na)AlSi3O8，等。


4.5 类质同象、同质多象及其对宝石的影响

4.5.1 类质同象
类质同象是宝石矿物化合物中的一种或多种元素被另一种或多种元素部分或全部置换，晶体结构或晶形没有发生明显变化，而晶体的物理性质可能有很大变化的现象。形成类质同象的条件，一方面取决于宝石矿物化合物中元素的性质，如原子或离子的半径大小、化合价、离子类型、化学键性等；另一方面也决取于外部条件，如温度、压力和介质条件等。
类质同象对宝石有着非常重要的影响，在很大程度上控制着宝石颜色的成因，在一定程度上决定着宝石的物理性质，并在一些情况下决定着某些宝石的宝石种。
1、宝石的颜色
类质同象对于宝石矿物颜色的成因具有非常重要的意义，因为大部分宝石矿物的颜色成因都归结于组成宝石的化合物中混合了少量的类质同象杂质。典型的例子有：刚玉类宝石，它的化学分子式为：Al2O3，当其中少量Al被微量杂质Cr类质同象置换后，呈红色至玫瑰红色，称红宝石；当少量Al被微量杂质Fe或Ti类质同象置换后，呈蓝色，称蓝宝石。又如翡翠，主要是硬玉矿物的集合体，硬玉的化学成分为：NaAl(SiO3)2，当不含杂质元素时，为白色，但当其中少量Al被微量杂质Cr类质同象置换后，翡翠呈绿色；当少量Al被微量杂质Fe类质同象置换后，呈翡翠可显暗绿色、紫色等。
2、宝石的折射率、密度和硬度
类质同象不但使宝石矿物的化学成分发生一定程度的改变，而且也在一定程度上影响宝石矿物的折射率、密度、硬度等物理性质。例如石榴子石，其化学组成通式为L3 M2 (SiO4 )3。其中在铝榴石系列中，L可以是Mg、Fe和Mn，即三者可以发生类质同象置换，形成不同的宝石种；在铬钙铁榴石系列中，M可以是Cr、Al和Fe，即三者可以发生类质同象置换，形成不同的宝石种。不同宝石种间折射率、密度和硬度均存在一定差别（见表3-8-2）。
3、宝石种
许多宝石的宝石种实际上是由类质同象决定的，典型的例子有：石榴子石族宝石、长石族宝石、刚玉族宝石、绿柱石族宝石等，其宝石划分本质上均主要是类质同象规律决定的。

4.5.2 同质多象
　　相同的成分，在不同的物理化学环境中，能形成结构不同的几种晶体，这种现象称为同质多象。成分相同而结构不同的几种晶体，称为该成分的同质多象变体。例如金刚石和石墨就是碳（C）的两个同质多象变体，两个同质多象变体具有完全不同的物理化学特征（见表1-4-7）。
表1-4-7　金刚石和石墨同质多象变体的特征比较
主要特征 金刚石 石墨
晶系 等轴晶系 六方晶系
形态 八面体、立方体等 六方片状
颜色 无色或浅色 墨色
透明度 透明 不透明
光泽 金刚光泽 金属光泽
解理 完全的八面体解 完全的底面解石
硬度 10 1
密度g/cm3 3.52 2.09－2.23
导电性 半导体 良导体
　　
宝石中的同质多象变体还有：成分同为SiO2的α石英、β石英和γ石英；成分同为Al2SiO6的红柱石、夕线石和蓝晶石等。

图1-5-4 利用滤光片产生的平面偏振光

2、反射及反射效应
 光的反射是指落到宝石表面的一部分光由表面折回的现象。光的反射受反射定律支配，表达为：①光线的反射角等于它的入射角；②入射线、反射线及法线在同一平面内（图1-5-5）。







图1-5-5　光在抛光面上的反射和反射定律

　　光从宝石的抛光面上反射可产生下列重要的光学效应：
　　（1）光泽：是一种表面光辉，在很大程度上取决于宝石的折射率，也取决于宝石的抛光程度，宝石中常见的光泽类型有：
　　金刚光泽：是金刚石所显示的光泽类型；
　　亚金刚光泽：具较高折射率宝石（稍比金刚石低，如锆石等）所显示的光泽类型；
　　玻璃光泽：具中等折射率宝石，如祖母绿、红宝石及大多数透明的宝石所显示的光泽类型；
　　树脂光泽：质软且折射率低的宝石（如琥珀）所显示的光泽类型；
　　丝绢光泽：某些具纤维状结构的宝石（如石膏、孔雀石等）所示的光泽类型；
金属光泽：某些金属单质（如金等）及矿物（如抛光的赤铁矿）所显示的非常强的光泽类型。
除上述光泽类型外，宝石中还可见一些特殊变异的光泽类型：如油脂光泽（如羊脂玉）、珍珠光泽（如珍珠）、土状光泽（如劣质绿松石）等。
　　宝石的光泽也称反射率，可通过反射仪来测定。
　　（2）光彩：是由宝石内部包裹体或结构反射出的光所产生的一种漫反射效应。光彩可以看作是由宝石表面以下的颗粒或结构对光的反射所致。下面列举光彩效应的一些典型实例。
　　月长石中所见的光彩（闪光）是光从由正长石与钠长石的互层中反射的结果。当这样的互层是超薄的，看到的是淡蓝色的光彩，这是月长石最佳的光彩。当互层较厚时，看到的则是银白色，这是普通月长石所显示的光彩。
　　天然玻璃（黑曜岩）的某些品种含有显微针状体或因气泡逸出而形成的微洞穴，光可被它们反射而形成银白色光彩。
　　天然的和人工养殖的珍珠均由半透明的晶质层组成，光从这些晶质层反射并形成一种光彩。这种细的结构有时能引起干涉色（晕彩），这种效应通常称为珍珠光彩。但这并不是严格的光彩效应。
（3）猫眼效应：是在某些弧面型宝石的表面出现的从这一头到另一头的明显光带效应。形成猫眼效应必须具备下列条件。
　　①宝石中含有极其丰富的呈一个方向定向排列的包裹体；
　　②切磨宝石的底面平行于包裹体组成的平面；
　　③宝石必须切磨成弧面型，其长轴方向垂直于包裹体延伸的方向（如图1-5-6）。








图1-5-6　猫眼效应及产生原因示意图

　　金绿宝石中的一个品种可提供典型的猫眼效应，这种宝石通常被称为“猫眼石”。除此之外，能提供猫眼效应的宝石还有许多，如石英、电气石、绿柱石、磷灰石等，但无论是宝石学中、还是商业上，都不能将这些宝石称为猫眼石。正确的称谓是：“宝石名称+猫眼”，如“石英猫眼”、“电气石猫眼”等。
　　（4）星光效应：是在切磨成弧面型的某些宝石中见到的通常为四射或六射（偶尔十二射）的星状闪光效应。形成星光效应必须具备下列条件。
　　①包裹体必须含有极丰富的致少呈二个方向定向排列的包裹体；
　　②切磨宝石的底面平行于包裹体排列方向所组成的平面；
③宝石必须切磨成弧面型（见示意图1-5-7）。






图1-5-7 星光效应及产生原因示意图
由D1产生的光带；由D2产生的光带；由D3产生的光带

　　能显示星光效应的宝石很多，如红宝石、蓝宝石、铁铝榴石、尖晶石、绿柱石、水晶和辉石等。当星光是由宝石内部包裹体反射所致时，这种星光叫表星光（epi-asterism）。若星光是由透过宝石并照亮包裹体所致时，这种星光效叫透星光（di-asterism）。许多宝石，如刚玉类宝石，具有定向排列的包裹体，但其数量不足以显示星光，当这些宝石被切磨成刻面琢型时，偶尔可见到从所含包裹体反射出的光，这种光称为丝光。
　　（5）亮度：是光从宝石亭部小面反射而导致的明亮程度。亮度取决于宝石的透明度，也取决于琢型宝石正确的比例（图1-5-8）。











图1-5-8 琢型比例对宝石亮度的影响

　　（6）晕彩（变彩）：是指当光从薄膜或从贵蛋白石所特有的结构反射时，由于光的干涉或衍射作用而产生的颜色或一系列颜色。光的干涉原理（见图1-5-9）。












图1-5-9　光的干涉
AB=入射光；BC=光射光
ABC+ABDEF 若相差为波长的整数倍，即同相位时，则出现增强
ABC+ABDEF 若相差为半波长的奇数倍，即异相位时，则出现干涉

　　当入射光照射到具薄膜状的物质时，一部分光将从薄膜的表面直接被反射，即BC，另一些光通过薄膜折射后再反射，即BDEF。当两条光线在同一方向上传播并相遇，若其波峰与波峰重合时，它们相互增强，因而光的强度增大。相反，若是波峰与波谷相遇，则彼此间相抵消，光完全消失。由于可见光由不同波长的单色光组成，这样，必会发生其中一部光被增强，一部分光被干涉抵消。因此，被增强的残余光便产生颜色或一系列颜色。
　　引起晕彩的另一途径便是衍射。该现象的确切起因不易解释，但已知当光波通过折射率不同的物质之间或透明与不透明物质之间的边界时，便产生了色散。当光线通过微小裂隙（相当于光栅）或非常小的空洞时，也可产生相类似的效应。组成欧泊的二氧化硅球体彼此间的空隙，提供了这种微小的空洞，产生了通常与欧泊伴生的晕彩。

5.1.4 光的折射及双折射
　　1、折射
 指光穿过两个不同光密度的介质时（入射线与分界呈90度除外），其传播方向发生变化的现象（图1-5-10）。光的折射是荷兰科学家斯涅耳发现的，他还阐述了折射定律。内容是：










图1-5-10　当一条光线进入和离开介质时所发生的折射现象

　　①对给定的任何两种相接触的介质及给定波长的光来说，入射角的正弦与折射角的正弦之比为一常数，sinｉ/sin r=n。ｉ为入射角，r为折射角，对于给定的任何两种介质来说，n为一常数，称第二介质（折射介质）对第一介质（入射介质）的相对折射率。如果入射介质为真空，n称为折射介质的绝对折射率，简称折射率。
　　②入射线、折射线以及法线均位于同一平面内。
　　当光从光疏介质进入光密介质时，光线是偏向法线而折射的；当光线从光密介质进入光疏介质时，光线是偏离法线而折射的，这时所产生的折射角总比入射角要大。当光从光密介质进入光疏介质，并当入射角增大到足以使折射线沿两介质之间的分界面通过，即折射角等于90度时，这个角称为临界角（图1-5-11）。













图1-5-11 当光从光密介质进入光疏介质时由折射转为全内反射的现象

以临界角为基准，所有以小于临界角的角度与分界面相遇的入射光，将离开光密度较大的物质而进入光疏介质中；所有大于临界角的入射光与分界面相遇时，将发生全内反射（遵循反射定律）并留在光密度较大的物质中。
　　若光密介质的折射率为N，光疏介质的折射率为n，Φ为临界角，则
　　sinΦ/sin90=n/N
 n = N×sinΦ
　　由此可见，如果当光密介质的折射率N为已知时，则光疏介质（宝石）的折射率n可由全内反射的临界角计算出来，这便是设计和制作宝石折射率仪所依据的基本原理。
　　属于各向异性的宝石具有使入射光分解成两条单独的光线的原子结构，当光进入这些宝石时，原子结构就使入射线分解成在相互垂直的平面上振动的两束独立光线，这叫双折射（图1-5-12）。















图1-5-12　入射光线通双折射宝石分解成两条相互垂直的平面偏振光示意图

　　在被分解而成的两束平面偏振光中，折射最小的是传播速度较快的光线，也就是折射率较低的光线；折射率较大的是传播速度较慢的光线，也就是折射率较高的光线。例如，石英有两个折射率，经测定分别为1.544和1.553，分别表示折射较小和折射较大的光线。
　　双折射一般用双折射率来表示，其数值等于最大区别的折射率之间的差值，例如，石英最大区别的折射率分别为1.544和1.553，因此，其双折射率等于1.553-1.544=0.009。

5.1.5 颜色
颜色是宝石“美”的重要体现，是宝石鉴定的重要单项指标，是决定宝石品级、确定宝石价值的重要因素。因此，宝石颜色成因的研究一直是宝石学的重要课题。
1、颜色的本质和形成条件
从光学的角度上讲，颜色不是物质固有的特征，它只是光作用于人的眼睛而在人的头脑中产生的一种感觉。形成颜色必须具备下列三个缺一不可的条件：
　　（1）白光源：白光源的类型主要有两类，一类是自然光，主要来自太阳；另一类是人造光，来自于白炽灯等。尽管各种光源的强度有所差别，但白光源都是由七种不同颜色的单色光所组成的混合光。这七种颜色的单色光相应的波长范围可参考电磁波谱。牛顿将一束普通日光通过一个玻璃棱镜，于是便产生了红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫这些颜色的光谱（彩虹）。这种将白光分解成它的若干组成色（若干波长）的现象称为色散。
牛顿还反证了这种效应。他切了一个圆盘，并把7种光谱色按等量涂在圆盘上，当快速旋转这个圆盘时，这时7种颜色重新汇合成白色（图1-5-13）。





图1-5-13　牛顿圆盘

　　大多数透明宝石（包括各种物质）之所以呈现颜色，是因为来自白光源中的混合光一部分被吸收，一部分透过。我们看到的是透过的那部分残余光的混合色。而不透明宝石（包括各种物质）的颜色则取决于反射出来的那一部分残余光谱，即是白光源中的一部分被吸收，另一部分被反射，反射残余光谱的混合色即是不透明宝石的颜色。


（2）改变光的物质（致色元素）：宝石是怎样影响光的运动状态以至产生颜色的呢? 研究发现其主要原因是宝石中含有某些致色元素，主要是第一序列的过渡元素。它们既可以是宝石的基本组成成分，也可以是微量元素。以此为依据，可以将宝石划分成：
①自色宝石：是由作为宝石化学成分主要部分的元素所致色的宝石，如铁铝榴石；
②他色宝石：纯净时为无色，其颜色是由不构成其化学结构中主要部分的微量元素所致色的宝石，如红宝石。
　　宝石中所含的过渡元素，无论是作为宝石的主要成分，还是次要成分，它们都是宝石颜色形成的物质基础。其不寻常之处在于电子在轨道层上的分布形式，即其自由离子具相同能量的5个d轨道处于未充满状态。在晶格中，由于d轨道上电子同其周围配位体的电子云相互作用，致使d轨道的能级分裂为具有不同能量的能级轨道。对于第一系列过渡元素的离子，它们的能量差与电磁波谱中可见光或近可见光波谱的能量相同，当白光射入晶格时，晶格中d电子能够被一定波长的光所激发，从基态跃迁到较高能量的轨道（激发态），该波长光的能量被转移给被激发的电子而被吸收，未被吸收的光将继续透射或反射，残余光便混合产生我们所看到的颜色，下面以元素铬为例作进一步说明。
　　作为微量元素的铬是宝石中最重要的致色元素，它使许多宝石致色，如红宝石、祖母绿、变石等。在这几种宝石中，铬原子取代了某些铝原子（即占据了铝原子的位置）。铬原子有6个未成对电子，其中3个为价电子，它在红宝石、祖母绿、变石的晶体结构中与其它原子形成化学键，其中3个电子能自由地改变能级，从而导致宿主宝石致色。
红宝石：在红宝石的原子结构中，三个未成对的电子能占据多个能级，其中有一些能级要求吸收可见光光谱范围以外的能量，对此我们不作更多的考察。其余的能级如下：
在图1-5-14中，电子可跃迁到能级C和D，从能级A跃迁至能级C所需的能量约为2.25eV，这与黄-绿光相当，即电子吸收黄-绿光。电子从A跃迁到D所需的能量约为3.00ev，这与紫光相当，即电子吸收紫光。无数电子卷入这一过程，一些吸收紫光，一些吸收黄-绿光，故红宝石作为整体，这两种颜色均被吸收，其它未被吸收的残余光组合就形成红宝石的红色。








图1-5-14 红宝石中铬电子的能级

 祖母绿：绿柱石的原子结构与刚玉相似，但包围铬离子的力和限制电子运动状态的力都较弱，所以，能级的位置有所变化。能级C下降到2eV左右，因而在红宝石中影响光谱黄-绿部分的吸收作用在此迁移到红区。这样，白光通过祖母绿被吸收后的残余光混合所组成的残余色即为漂亮的翠绿色。
　　变石：在变石的结构中，作用于铬离子的力的强度介于红宝石和祖母绿之间。因而，能级C也介于二者之间，对红光和绿光的吸收作用如此精确地平衡，以致透过宝石的颜色取决于用来观察宝石的光源。钨丝灯光或烛光中与红光相当的能量多，故宝石显红色。日光和荧光灯中与绿光相当的能量占优势，故宝石显绿色。
元素致色的另一重要机理是它们在晶体结构中间，并在外来能量（光）作用下产生电子转移，即发生电荷转移。造成离子间电荷转移所需要的能量比上述电子跃迁所需的能量大千百倍。在许多化合物中是由高能的紫外线所诱发的，所产生紫外区吸收带可延展到可见光区域，而造成带色的透射光，使矿物呈现颜色。许多过渡元素具有一个以上的价态，如铁有2价和3价，锰有2价和3价，钛的3价和4价等等。在晶体结构中具有这种不同价态的离子是最有利于电荷转移的，因而使宝石呈现不同的颜色。下面以堇青石的成色为例作进一步说明。与堇青石的颜色有关的致色元素铁可能存在一种或二种价态，与氧结合可形成不同价态的化合物，即FeO和Fe2O3。在堇青石中，Fe2+和Fe3+同时存在，并占据不同的晶格位置。在外部能量的作用下，电荷将从Fe2+离子到Fe3+离子又返回作重复的运动（见图1-5-16）。在此过程中，离子本身并未移动，只是电子带着电荷从一个离子运动到另一个离子。电子在两个离子之间不断运动需要吸收能量，所以白光源中的一部光波被吸收，剩余的那部分光波就可使宝石产生颜色。


图1-5-16 堇青石的电荷迁移机制示意图

　　宝石晶体结构缺陷造成电子转移也是元素致色的一个原因，即色心。在这种机制中，颜色的产生还是电子运动的结果，但这一状态不是晶体学与结构的自然结果，而是与晶体的缺陷有关。在宝石颜色形成过程中，有两种可能的晶体缺陷：
①如果一个电子被捕获到晶格中在正常情况下不存在电子的位置上，该电子具有占据不同能级和吸收光线的能力，其方式与过渡元素的未配对电子相同，这种类型称电子色心；　
②如果在一个本该存在电子的位置上缺少一个电子，就留下一个空隙和一个能吸收光的未配对电子，这是第二种缺陷，称空穴色心。
以钻石为例，如果钻石的中C元素被N所取代，就会多出一个电子，于是产生电子色心，使钻石产生黄色调；如果钻石中C元素被B所取代，就会少一个电子，于是产生空穴色心，使钻石产生珍贵的蓝色调。
宝石中常见的致色元素有Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu，此外，还有部分放射性元素和稀土元素，如U和Th等。这些元素致色宝石的例子（如表1-5-1；1-5-2）：

　　　　　　　　　表1-5-1 　自色元素及典型宝石（自色宝石）
元 素 典型宝石 所呈现的颜色
铬（Cr） 钙铬榴石 绿色
锰（Mn） 锰铝榴石
菱锰矿
蔷薇辉石 橙色
粉红色-红色
粉红色-红色
铁（Fe） 橄榄石
铁铝榴石 绿色
红色
铜（Cu） 孔雀石
硅孔雀石
绿松石 绿色
淡绿色
天蓝色-绿色

表1-5-2　他色元素及典型宝石（自色宝石）
元 素 典型宝石 所呈现的颜色
钛（Ti） 蓝锥矿 蓝色
钒（V） 绿色绿柱石
坦桑黝帘石 绿色
淡黄色-蓝色


铬（Cr） 红宝石
祖母绿
翡翠
变石
红色尖晶石
翠榴石
玉髓 红色
绿色
绿色
红色或绿色
红色
绿色
绿色
锰（Mn） 红色绿柱石 玫瑰红色


铁（Fe） 蓝色蓝宝石
海蓝宝石
电气石
蓝色尖晶石
软玉 蓝色
蓝色
绿色或褐色
蓝色
绿色
钴（Co） 蓝色尖晶石
玻璃 蓝色
蓝色
镍（Ni） 黄色蓝宝石
绿玉髓 黄色
绿色

　　由于宝石的颜色是由所含致色元素对光的不同吸收作用所引起，因此，不同宝石具有不同的吸收光谱，这是用分光镜检测吸收光谱以对宝石进行鉴定和评价的理论基础。
　　除致色元素外，宝石的颜色还可能由下列因素引起：
　　①色散：色散就是白光分解成它的组成色（波长）的现象，常见的是用玻璃棱镜来分解白光。实践证明，透明物体倾斜面也可产生相同的效果，还有就是白光从微小的狭缝（相当于光栅）通过时也发生分解（衍射），形成组成光波的光谱色。色散是宝石的重要特征之一，通常用与氟朗霍菲光谱B线（红光中的686.7nm）和G线（紫光中的430.8nm）相当的光所测得的折射率的差值表示，如钻石的色散为0.044，锆石的色散为0.039等。
　　色散（火彩）在某些程度上说，与宝石琢型正确的比例有关，因而一双训练有素的眼睛，通过观察宝石的火彩，便可以在一定程上区别各种宝石的真假，也可以在一定程度上确定宝石加工质量的好坏。
　　②干涉与衍射：宝石所见的一些颜色（不是它们的体色）或是由干涉作用引起，或是由于衍射作用引起。光发生干涉和衍射需要特殊的条件，因而要求宝石具有特殊的结构，如月长石中由正长石和钠长石相互组成的细薄层状结构和欧泊中规则排列的二氧化硅球体间的细小空隙。所见到的颜色通常称为晕彩或变彩。
（3）接收残余光的人眼和解释它的人脑：正常的人，只要不患色盲以及其它大脑疾病，都能对接收到的有色光作出正确反应，看到正确的颜色。
　　值得强调的是：属于一轴晶和二轴晶的宝石，由于光进入这些宝石中将被分解成振动方向不同、波长、振幅不同的偏振光，因而在不同方向上，致色元素对光的吸收也会不同，于是产生不同的颜色，这种性质称为多色性，通常一轴晶宝石具有二色性，二轴晶宝石具有三色性，多色性也是宝石鉴定中的重要性质之一。

5.1.6 条痕
　　宝石的条痕是宝石粉未的颜色，一般是指宝石在白色瓷板上划擦时留下的粉未的颜色，是宝石呈粉未状态时对白光中不同波长光波吸收的结果。宝石的条痕可以与其本来的颜色一致，也可以不一致。条痕在某些情况下有助于鉴定宝石，它的一些实例（见表1-5-3）。

表1-5-3　一些宝石和体色和条痕色
宝 石 体 色 条痕色
赤铁矿
黄铁矿
白铁矿
孔雀石
青金石
方钠石 光亮的金属状黑色
光亮的金属状金色
光亮的银黄色
淡绿-深绿色
艳蓝色
深蓝色 红色
绿黑色
暗灰色
淡绿色
蓝色
白色

5.1.7 透明度
　　宝石的透明度是指宝石透过可见光的能力，主要与宝石对光吸收的强弱有关。由前面的介绍可知，当光与宝石相遇时，一部分光将被反射而折回，另一部分光将进入宝石中。光波进入宝石后其传播方向和速度都将发生改变，即折射。光进入宝石后，除了向各个方向散射很少一部分光能外，主要将克服前进阻力而转化为热能（吸收），因而，光波穿过宝石越深就衰减越甚。宝石透明度的大小主要决定于矿物的成分和内部结构。例如具金属键的矿物（金和银等），由于其中含有较多的自由电子，对光波的吸收较多，因而透过的光就少，透明度很低，称为不透明。反之，一些具离子键或共价键的矿物（如金刚石、冰洲石等），由于不存在自由电子，它们对可见光吸收较少，因而透过光就多，透明度较高，称为透明。
　　自然界没有绝对透明或绝对不透明的物质。例如极薄的金箔亦能透能过一部分光，极深的水也可以表现为不透明。在宝石鉴定中，通常将宝石的透明度划分为以下几个级别：
（1）透明：当隔着宝石观察后面的物体时，能清楚地看到物体的轮廓和细节，如水晶、冰洲石、钻石；
　　（2）半透明：当隔着宝石时观察其后面的物体时，仅能看到物体轮廓的阴影，不能看到细节，如翡翠、玉髓等可视为半透明宝石；
　　（3）不透明：基本上不允许光线通过，隔着宝石不能看见其后面的物体，如黄铁矿、赤铁矿等可视为不透明宝石。

5.1.8 发光性
发光性是指宝石在外部高能辐射线影响下发射可见光的性质（或现象）。宝石学感兴趣的是荧光和磷光两种类型。
1、荧光
指宝石在高能射线辐照下发射可见光的现象。宝石鉴定中常用的辐射线由可见光、紫外线及X-射线提供。宝石的荧光色与其在白光下的正常颜色可以相同，也可以不同。且在不同的光源下也可有很大变化。以红宝石为例（图1-5-17），它的颜色是由于电子从能级A跃迁
到能级C和D时吸收能量而产生的。一般说来，当这些电子迁回能级A时，它们并不直接到达，而是先落到能级B。当发生这种情况时，它们发射的是相当于红外线的能量，所以是不可见的。但当它们从能级B迁回能级A时，发射的能量相当于红光。这种可见光的发射即为红色荧光。
2、磷光
指被辐射的宝石在外部辐射源关闭后，具荧光的宝石仍能继续发光的现象，即余光现象。磷光的成因是：被激发的电子从能量较高的能级向较低能级转化过程中由于受能垒所阻所致（见图1-5-18）。即电子经辐射而从基态A到激发态D，但在返回过程中，不是直接返回到






图1-5-18　磷光产生机理示意图

能级A，而是先掉落到一个能量较低的能级B，这样，该电子必须吸收一定的能量以克服能垒C后，才能返回到能级A。电子“跳”过能垒，这一效应即使在外部辐射源关闭后，发光仍可持续一段时间，即形成磷光。一般特续时间较短，不超过几分钟。但在少数情况下可持续较长的时间，例如极少数钻石在白天被太阳光辐射后，其荧光就可持续很长时，有时可持续至晚上。古时有人在夜间看到宝石的磷光，并据此将这样的宝石称为夜明珠。
　　一般来讲，宝石矿物发光性的实质是宝石晶格吸收了较高的外加能量，然后以较低能量（可见光）再发射出造成的。在发光过程中，能量的再发射可分为两个阶段，其一是在可见光区域内发射，其发生的机理为：可见紫光、紫外光和X-射线的光量子具较高的能量，它能将宝石矿物结构中的原子或离子的外层电子，从基态激发到较高能量的激发态。如果激发态与基态间有另外一些激发态存在，当被激发到高能级的激发态电子落回到较低激发时则发射光。若两个激发态能级间的能量差相当于某可见光子的能量，则发射出具有该能量差能量的可见光。因而发射的光子呈现一定的颜色。
　　其次，另外一些宝石晶体结构中激发电子被晶体缺陷所捕获，一般捕获是暂时的，激发电子将依一定速度落回到基态，能持续地发出一定能量的可见光。故在外加能量停止后仍继续发光，此缓慢衰退的发光就称为磷光。

5.2 力学性质
　　
 宝石的力学性质是指宝石在外力（包括地球引力）作用下所表现出来的各种物理性质，包括比重、硬度、韧度、解理、裂开和断口等，在这些性质中，某些对宝石的耐久性影响极大，是评价、鉴定宝石的重要依据。

5.2.1 密度和比重
　　由于宝石内部组成原子的排列方式不同，因而每种宝石的重量与其体积的比值不同。现给出了1cm3的几种宝石或物质的质量或重量（图1-5-18），可以看出，立方氧化锆最大，




图5-19　1cm3 不同宝石或物质的重量

然后依次是红宝石、水晶、欧泊和水。表示立方氧化锆最致密，红宝石次之，其下是水晶、欧泊和水。
物理学中将物质或质量的密集程度定义为密度，并以一个单位体积内所含的物质的单位数来度量。表达式为：密度=质量/体积。质量和体积都有各自的单位，因此，宝石密度是有单位的，而且所用单位不同，密度的数值也不同，例如，当单位用g/ cm3和lb/ft3时，水的密度值分别是1和62.4。但在宝石中，常使用公制g/ cm3。
密度是宝石的重要特征，也是鉴定宝石重要的参数和依据。但是宝石密度的求取较为困难，因而引出了宝石相对密度，即比重的概念。
宝石的比重定义为：在4℃温度及标准大气压条件下，宝石的重量与等体积水的重量之间的比值。
按照定义，求宝石的比重需预先知道两个基本数值，一个是宝石的重量，一个是等体水在4℃和标准大气压下的重量。
　　宝石的重量可直接用克拉天平称得，等体积水的重量可根据阿基米德定律求得，即当宝石浸入水中时水作用于宝石的上浮力等于所排开水的重量。这样，比重可由下列公式求得：
比重（S.G）=宝石在空气中的重量/（宝石在空气中的重量－宝石在水中的重量）
在物理学中已给定，水在4℃温度及标准大气压条件下的密度为1 g/ cm3，因此，任何宝石的密度均可采用上述比重计算公式求得，即只要在某宝石的比重值后加密度单位g/ cm3就是该宝石的密度值。