1.5+第一篇+宝石学基础+第五、六章+宝石的物理性质_第一讲宝石学基础

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第五章

宝石的力学性质

第一节

硬

度

宝石抵抗外来压入、刻划或研磨等机械作用的能力称为宝石的硬度。宝石的硬度与其晶 体结构、化学键、化学组成等有关。

宝石的硬度可分为绝对硬度和相对硬度。绝对硬度是通过硬度仪在标准条件下测定的。宝石的相对硬度(或比较硬度)是与规定的标准矿物比对得出的相对刻划硬度，在鉴定宝石 中最有意义。常用的相对硬度表是摩氏硬度(HM)表或称摩氏硬度计。摩氏硬度计是德国矿 物学家FriedrichMohs在1822年根据10种标准矿物的相对硬度确定的定性级别，共分为十个级别，详见表1-5-1。在摩氏硬度中，金刚石最硬(HM=10)，滑石最软(HM=1)。如果一个未知矿物能够刻划正长石(HM=6)，但又能被石英(HM=7)所刻动，这个未知矿物的摩氏硬度就介于6和7之间，近似定为6．5，或记为61／2。

在使用摩氏硬度计时，人们还以下面一些常见物质的相对硬度加以补充。

指甲：2．5 铜针：3 窗玻璃：5～5．5 刀片：5．5～6 钢锉：6．5～7

1935年CharlsWoodel以标准化磨蚀法为基础，对摩氏硬度表提出修正，刚玉的硬度仍 为9，而金刚石的硬度为42．5，称为Mohs-Woodel硬度。虽然修订后的更为合理，但在宝石和矿物鉴定工作中仍沿用了最初的摩氏硬度。

另两种常用的测量硬度标度为Knoop标度(HK)和Winkler标度(HW也称维氏压人硬 度)，以在被测量物体抛光表面产生永久性变形每单位面积所需的力来计算其硬度。它们的硬度值接近物体的绝对硬度(见表1-5-1)。

对某种宝石矿物来说，其硬度是基本固定不变的，可作为鉴定宝石的依据。但需要指出 的是，某些矿物晶体的硬度具一定的方向性差异，即在不同结晶方向上其硬度有不同程度的 变化，这种差异硬度是宝石晶体结构中原子键合面和键合方向的规则排列所致。如金刚石，其平行立方体1100)面对角线方向的硬度最大，平行菱形十二面体(110}面短对角线的方向硬 度最低。金刚石粉末的方向是随机的，可能含有大量硬度较高方向的尖粒。因此，金刚石抛 光粉可以抛磨钻石戒面。又如蓝晶石在平行柱面延长方向上摩氏硬度约为4．5～5，而在垂直延长方向上为约6．5～7。但是，硬度作为宝石矿物的固有性质，其各个方向尽管存在着硬度差异，但这种差异是服从晶体本身的对称性的，如钻石所有八面体方向的硬度特征都是相同的，立方体方向的硬度特征也是相同的。

另外，对摩氏硬度计需要说明的是，其十个标准矿物之间的硬度差异不是等间距的。例

如，硬度为10的钻石和硬度为9的刚玉之间的硬度差异，实际上远远大于刚玉与硬度为1的滑

石之间的硬度差异的总和(见图1-5-1)。

在实际工作中，为了便于硬度的测试，可以

把摩氏硬度的10个标准矿物黏结在笔杆上制成摩氏硬度笔。用硬度笔测试硬度应遵循先软后硬的顺序，以便在被测宝石矿物表面仅留下惟一刻

痕。为了使宝石表面的刻痕尽量小，最好用压刻

方法，然后用放大镜观察是否出现小的压刻痕

迹。刻划硬度属一种破坏性测试方法，一般仅用

于宝石原料的测试，或在成品宝石不显眼的部位

进行测试。此外，硬度在宝石加工中对抛光材料的选择也具有一定的指导意义，例如翡翠、软玉、青金石等是由软硬不同的矿物组成的集合体，使用磨料的硬度须明显高于其中最硬矿物的硬度，否则会在不同硬度矿物表面出现高低不平的微观小坑或突起，如使用金刚石粉末，这种现象就可避免。

空气中灰尘的主要成分是石英，其硬度为7。硬度小于7的宝石抛光面，由于经常受到空气中灰尘的撞击磨蚀，表面会变“毛”而失去其原有光泽，这是一些年久的镶宝首饰的肉眼鉴定特征之一。

第二节

韧

度

韧度是指物质抵抗打击撕拉破碎的性能，与脆性近似对应。受打击易碎裂为脆性，反之，抗打击撕拉碎裂性能强者具韧性，所以也称韧度为打击硬度。

韧度与硬度的关系不具正相关的关系，韧度与矿物的晶体结构构造有关。无色单晶金刚

石晶体的韧度远不如为微晶(连晶)集合体的黑金刚石的韧度大。纤维交织结构的玉石具有

较高的韧度。

常见宝石的韧度从高到低的排序为：黑金刚石、软玉、翡翠、刚玉、金刚石、水晶、海 蓝宝石、橄榄石、绿柱石、黄玉、月光石、金绿宝石、萤石。

钻石是硬度最高的物质，但同时也是脆性宝石，加上其有解理，因此不宜受碰撞。锆石 的硬度也较高(HM =6．5～7．5)，但其脆性也较强，常因与欠柔软的包装材料碰撞而使其刻面棱受损，这种现象称为“纸蚀”。

第三节

解理、裂开、断口

解理、裂开和断口都是矿物在外力作用下发生破裂的性质，但它们破裂的特征及与之有关的因素各有不同。三者均是鉴定宝石和加工宝石的重要参考要素之一。

一、解理

解理是指宝石晶体在外力作用下，沿一定的结晶学方向裂开成光滑平面的性质。这些裂 开的平面称为解理面。

由于晶体具异向性，在不同的结晶方位上键力存在差异，解理往往是沿面网化学键力 最弱的方向产生。具体为：①解理面一般平行于面网密度最大的方向，因面网密度大，面 网间距相应也大，面网间的引力就小，故解理易沿此方向产生，例如金刚石的{111)完全解 理；②当相邻面网为同号离子的面网时，其间易产生解理，同号离子的斥力使其相邻面网 间的连接力减弱，如萤石沿{111)方向是由F-1组成的两个相邻面网，故沿{111)方向易产生 完全解现③平行化学键力最强的方向，如石墨为层状结构，层内C—C离子间距为0．142nm 时具共价键，而层间距离为0．335nm时具分子键，显然层内键力大于层间键力，故沿{0001} 层方向产生极完全解理。

根据形成解理的难易程度和解理面发育的特点把宝石常见的解理分为极完全解理、完全 解理、中等解理和不完全解理四类(见图1-5-

2、表1-5-2)。

宝石的解理不但可以作为鉴定宝石矿物的依据，同时在宝石加工等方面也具有重要的指 导意义。宝石的解理发育情况，在某种程度上影响宝石的抛光效果。如黄玉底面解理发育，故在加工时应尽量避免刻面与解理面方向平行，否则会出现粗糙不平的抛光面。金刚石的八面体解理有助于工匠沿解理方向劈开金刚石；冰洲石的菱面体解理也是工匠常用的劈开方向。解理是宝石可能具有的固有性质，不管它是否遭受力的作用，它总是存在或不存在的。它的存在服从于宝石的对称性，常用与解理平行发育或可能发育的单形符号表示。如钻石，结晶完美的钻石尽管它不存在任何裂隙，但它平行{111}方向的完全解理总是存在的，即一旦遭受力的作用，它就会平行{1111}方向破裂产生解理面。

二、裂开

裂开(又叫裂理)也是晶体受力后沿一定结晶方向裂开的性 质。(见图1-5-3)其与解理的区别在于形成裂开多沿双晶结合面 发生，尤其是沿聚片双晶结合面或内部包体出溶面发生，裂面的 平整光滑程度不如解理面。例如刚玉具有平行菱面体的聚片双 晶，故常沿菱面体发育裂理，其另一组常见裂理发育于与底面平

行的方向。

裂开不是晶体的固有性质，只有当晶体中存在双晶结合面或包体出溶面时才有可能存在，另外，裂理的存在可以不服从宝石本身的对称性。

三、断口

宝石受外力作用随机产生的无方向性不规则的破裂面称为断口。(见图1-5-4)任何晶体 和非晶体宝石矿物都可以产生断口，但容易产生断口的宝石矿物，由于其断口常具有一定的形态，因此可以作为鉴定宝石矿物的辅助

特征。常见有以下几种类型的断口。

贝壳状断口：断口呈圆形的光滑曲面，面上常出现不规则的同心条纹，形似贝壳 状，如玻璃、水晶、锆石等的断口为贝壳状 断口(见图1-5-4(a))。

不平坦状断口：断口表面近平面，但 粗糙不平，常出现于一些粒状结构的岩石 中，如石英岩、翡翠等玉石和磷灰石的断 口(见图1-5-4(b))。

土状断口：为似土状矿物所具有的粗 糙断口，多出现在次生矿物中，如质量较差的绿松石和高岭石等(见图1-5-4(c))。

第四节

密

度

在物理学中，密度指某种物质单位体积的质量，用符号ρ表示。通常以物质的质量m与其体积v的比值来度量，定义式为：

ρ=m／v 密度的计量单位为g／cm3。密度是宝石重要的性质之一，并与宝石的晶体化学和晶体结构密切相关，如原子量、离(原)子半径的大小和结构堆积的紧密程度等。晶体结构与其形成过程的物理化学环境有关。石墨与金刚石同为碳元素组成，但二者结晶环境不同，晶体结构各异，密度也相差甚远：石墨的密度为2．09～2．23g／cm3，金刚石的密度为3．47～3．56g／cm3。尽管度量密度有助于鉴定宝石，但在实际测试过程中，许多刻面宝石、不规则晶体及形态各异雕件的体积是难以精确测定的。

由于密度的测定与计算十分复杂，在宝石学中并不测量宝石的密度，而是测定其相对密 度。相对密度是指宝石的质量与同体积4℃水的质量的比值，属无量纲。由于相对密度容易 测定，而其值与密度值十分接近，二者换算系数仅0．0001，完全可以把相对密度值作为密度的近似值，因而相对密度在宝石鉴定中得到了广泛的应用。相对密度的测定方法有多种，宝石学中常用静水称重法，其计算公式为：

宝石在空气中的质量

相对密度(d)= ————————————————————

宝石在空气中的质量-宝石在4。C水中的质量

相对密度是宝石的重要物理参数之一，在鉴定和分选上具重要的意义。必须指出，同 一种宝石，由于化学成分的变化、类质同象的替代和包体、裂隙的存在均会影响宝石的相 对密度。

第六章

宝石的热学、电学性质

一、热电效应

物理学中的热电效应，是指受热物体中的电子随着温度梯度由高温区向低温区移动时，产生电流或电荷堆积的一种现象。温度梯度的变化可使某些宝石晶体产生热电效应。如电气 石晶体具有明显的热电效应，在受热或冷却时，沿电气石晶体两端产生数量相等、符号相反 的电荷，同时具有静电吸尘现象。这可能是由于受到差异温度作用时，晶体产生膨胀或收缩、晶格中被热激发出电荷发生运移所致，如电气石。

二、静电效应

静电并不是静止不动的电，而是在空间缓慢移动的电荷，或说是一种相对稳定状态的电 荷。其磁场效应比起电场的作用可以忽略不计。由于这种电荷和电场的存在而产生的一切现 象称为静电现象。一般照明用电是由电磁感应原理产生的，而静电大部分是因接触、摩擦、分离而起电的。某些有机化合物，如琥珀、塑料等，当受到皮毛的反复摩擦时，各自产生数量相同、极性相反的电荷，可吸附起较轻的小纸片、羽毛和塑料薄膜等。

三、压电效应

当某些宝石材料受到外界压力时，两面会产生电荷，电荷量与压力成正比，这种现象称 为压电效应。宝石材料在机械力作用下产生变形，会引起表面带电的现象，而且其表面电荷 密度与应力成正比，这称为正压电效应。反之，在某些材料上施加电场，材料会产生机械变 形，而且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应。如果施加的是交变电场，材料将随 着交变电场的频率作伸缩振动。施加的电场强度越强，振动的幅度越大。正压电效应和逆压 电效应统称为压电效应。压电效应多属一种机械能与电能之间的能量转换现象。

净度较高的石英单晶受到压力作用时会产生电荷；相反，当受到电压作用时，又会产 生频率很高的振动。压力不同，产生电荷的多少也不一样；反之，电压不同，振动频率也 不同。天然单晶水晶和合成单晶水晶均具良好的压电性能，因而被广泛应用于无线电和遥 控谐振器上。

四、导热性

物体能传导热量的性质叫导热性。这是因大量分子、原子、离子或自由电子相互撞击，使热量由温度较高一端传递到温度较低一端的缘故。往往导电性强的物质导热性也强，不导热的物体称为热绝缘体。

不同宝石传导热的性能差异甚大，所以导热性可作为宝石的鉴定特征之一。导热性能以 热导率(入)表示，单位为W／(m·K)。热导率须在特定实验环境用特定仪器测定。宝石学一 般以相对热导率表示宝石的相对导热性能。相对热导率的确定常以银或尖晶石的热导率为基 数。钻石的热导率比其他宝石高出数十倍至数千倍，如表1-6-1所示，以尖晶石的热导率为1时，钻石的相对热导率是56．9～170．8，金的相对热导率是44，银的相对热导率是31，而刚玉的相对热导率是2．96，其他多数非金属宝石的相对热导率多小于1。因此，使用热导仪能迅速鉴别钻石。

五、导电性

矿物对电流的传导能力称为导电性。矿物的导电性能很早便受到研究和重视。不同种类 的宝石矿物，其导电性能不同。与金属矿物相比，许多非金属矿物的导电性微弱。宝石矿物 中的赤铁矿、针铁矿和合成金红石是较好的导电体。钻石是电的不良导体，但Ⅱb型浅蓝色钻石晶格中，微量的硼原子取代碳原子，使局部电位失衡，便产生了自由电子，从而造成该型钻石具有微弱的导电性能，属半导体。但受辐射作用而改色的淡蓝色钻石，其不良的导电性能并未改变，所以可用导电性能的差别来鉴别天然蓝色钻石和辐射致色的蓝色钻石。

矿物物理学家对矿物的热学、电学性质早有深入的研究，但其在宝石学中的应用仍相当 局限。随着宝石测试技术的进步，应用热学、电学性质鉴别天然宝石、处理宝石(尤其是充 填和镀膜处理过的宝石)、合成宝石和人造宝石等具广阔的前景