二.　宝石的光学性质

1.　光的折射、折射率和全反射

　　当光波从一种介质传到另一种介质时，在两种介质的分界面上将发生反射、折射现象。反射光按反射定律反回原介质，折射光按折射定律进入另一介质。
　　折射定律：光在入射介质中的传播速度与折射介质中的传播速度之比，等于入射角正弦与折射角正弦之比。v1/v2=sini/sinr=n
　　当两种介质一定时，n为一常数，称为折射介质相对入射介质的相对折射率。如果入射介质为真空或空气，n值则为折射介质的绝对折射率。
　　由折射定律可知：介质的折射率值与光波在该介质中的传播速度成反比。界面两边折射率较大的介质称为光密介质，折射率较小的介质称为光蔬介质。
　　光由光密质向光疏质传播，当折射角等于90度时，入射角就是光疏质的“临界角”。如果人射角稍大于临界角，入射光就全部反射回原来的密介质中。这种现象称之为全反射(如图1-10所示)。

                          图1-9 光的折射   i为入射角  r为折射角

                 图1-10 全反射和临界角

2.　自然光和偏振光

　　自然光：从光源直接发出的光，如太阳光、灯光等。自然光的特点是在垂直光波传播方向的平面内，沿各个方向振动的光振幅相等。如图1-11所示。

                                  图1-11  自然光的振动与传播方向　　

　　偏振光：在垂直光波传播方向的某一固定平面内沿一固定方向振动的光波。
       自然光通过折射、反射或偏光片后转变成偏振光，如图1-12所示。

                                      图1-12 通过偏光片的自然光
                         A.自然光 B.偏光片 C.偏振光
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自然光通过偏光片后变为偏振光：
   自然光的特点是在垂直光波传播方向的平面内，沿各个方向振动的光振幅相等。自然光通过偏光片后变为仅在一个方向振动的偏振光。

3.　光波在均质体和非均质体中的传播特点

        根据光学性质不同，将宝石矿物分为均质体和非均质体。
均质体：等轴晶系和非晶质宝石的光学性质各方向相同称为均质体。均质体只有一个折射率值。如尖晶石、石榴石等。
   光波在均质体中传播时，其振动特点和振动方向基本不改变(如图1-13)。
         非均质体：中级晶族和低级晶族宝石的光学性质随方向而异称非均质体。非均质体的折射率值有许多个。如红宝石、黄玉等。
   双折射：光波进入非均质体宝石时(除特殊方向外)一般分解成振动方向互相垂直、传播速度不等、折射率值不等的两束偏振光。这一现象称双折射(图1-13所示，冰洲石的双折射)。
   光轴方向：光波沿非均质体的特殊方向入射时不发生双折射，这特殊方向为光轴方向。中级晶族宝石只有一个光轴方向称为一轴晶；低级晶族宝石有两个光轴方向称为二轴晶。

                                 图1-13 光在均质体和非均质体中的传播
        (1)自然光(A)和偏振光在均质体中的传播  (2)自然光在非均质体中的传播

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                                          冰洲石的双折射

   光率体：为了更好地说明光波在晶体中传播时，其振动方向与折射率值的关系，引入了光率体。光率体的具体作法是：将晶体不同方向的折射率值投影在一个三维坐标系，各投影点的轨迹构成该晶体的光率体。
　　均质体的光率体是一个圆球体，如图通过球体中心任何方向的切面都是圆切面，其半径代表均质体宝石的折射率值，如图1-14所示。均质体宝石仅有一个折射率值。    
       一轴晶光率体是一个以直立轴为旋转轴的椭球体，如图1-15所示。直立轴代表光轴方向，该方向的折射率值为非常光的折射率，用Ne表示。垂直光轴的圆切面各方向的折射率值相等，为常光的折射率，用No表示。No小于Ne时为正光性，No大于Ne时为负光性。双折率等于Ne-No的绝对值。
       二轴晶光率体为一个三轴不等的椭球体，如图1-16所示。椭球体的三个主轴代表二轴晶宝石的三个主要光学方向，称为光学主轴。三个主轴的相应折射率值分别用Ng、Nm、Np表示，其中Ng>Nm>Np。Ng-Nm大于Nm-Np时为正光性，Ng-Nm小于Nm-Np时为负光性。双折率等于Ng-Np的绝对值。

                             图1-14  均质体光率体图

                       图1-15  一轴晶光率体图　(a) 一轴晶正光性 (b)一轴晶负光性
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                                 图1-16  二轴晶光率体图
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