矿物的物理性质-光学性质.ppt

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1、第五章 矿物的物理性质前言 矿物的物理性质取决于矿物本身的化学成分和内部结构。不同种矿物，由于其成分和结构不同，物理性质不同，可以借助物理性质的差异来识别矿物。不同矿物其形成条件不同，其物理性质往往发生微细的变化，为此可为人们提供矿物成因方面的信息。,矿物的物理性质有着广泛的应用：如利用刚玉的高硬度作为研磨材料；利用石英的压电性在电子工业中作振荡元件，重晶石因密度大可作为钻井泥浆的加重剂。随着近代科学的发展，矿物广泛地进入了新的技术领域，尤其是某些尖端科学技术的发展，都需要具有某些具有特殊性能的矿物材料。如冰洲石因可获得偏振光而成为激光的偏光材料;石墨因相对密度小，耐高温，在航空、航天工业用作

2、轻质材料。因此，研究矿物的性质将大大促进国民经济和高科技的发展。,一、矿物的光学性质 矿物的光学性质指矿物对光线的吸收、反射和折射时所表现的各种性质，以及由矿物晶体裂隙引起的光线干涉和散射等现象。其光学性质包括矿物的颜色、条痕、光泽和透明度等。1矿物的颜色 矿物的颜色最明显、最直观，对可见光进行选择性吸收是矿物呈现颜色的主要原因。,可见光波波长约在390一760nm之间，波长由长至短依次显示红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等色；可见光的混合色就是白色。不同颜色的光波，用不同波长来表示，单位为纳米(nm），或用波数(cm-1)表示；如果以能量表示时，则用电子伏待(ev)表示。波数是每厘米波长的数目，其

3、数值等于波长的倒数。以波数表示波长时，可以直接转换为能量单位。1cm-12.859cal=1.2410-4eV(1cal=4.1868J）;1ev=8066cm-1=1.60218910-19J)。,2、矿物的呈色机理 矿物受白光照射时，对光产生吸收、反射和透射等各种光学现象。如果矿物对光全部吸收，矿物呈黑色；如果矿物对白光中所有波长的色光均匀吸收，则矿物呈灰色，基本上都不吸收则为无色或白色。如果矿物只选择吸收某些波长的色光，而透过或反射出另一些色光，则矿物就呈现相应颜色。矿物所吸收的颜色和观察到的光的颜色之间存在互补关系（如表H一41）。,3、矿物的呈色机理（1）过渡金属离子内部的电子跃迁

4、含过渡型离子的矿物呈色的主要方式。在过渡金属元素的晶体结构中，阳离子都具有未填满的d或f电子亚层。（铁电子构型:1s2 2s22p6 3s23p63d6 4s2）过渡金属离子周围的配位阴离子(配位体)可视为点电荷，在这些点电荷的静电场作用下，原来属于同一能级的d或f亚层将发生分裂，使离子外层电子轨道重新排列，为维持新的轨道状态，需要吸收一定波长的可见光，晶体因此呈色。,注解：1.在这个过程中，电子是在同一个离子的内部轨道间的跃迁(即d-d跃迁或f-f跃迁)，并不是从一个离子向另一个离子跃迁，故称离子内部的电子跃迁。实例：红宝石(含铬的刚玉A12O3)，在其晶体结构中，A13+被Cr3+代替，C

5、r3+在畸变的八面体中受到配位阴离子O2-的作用，发生d-d跃迁，其能量差相应于篮绿色光所具有的能量，自然光照射时，吸收蓝绿色光，故呈红色。2.过渡型元素主要是Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni)，及Cu、TR和U等离子，都可使矿物呈色，故称色素离子。,注解：1.同种离子在不同矿物中可呈不同颜色。这是因为轨道分裂产生的分裂能不仅取决于过渡型金属离子的种类，而巳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。2.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

6、迁，从而可见光不能被吸收，因此矿物无色。,(2)离子间的电子转移 在矿物晶体结构中，构成共同分子轨道的离子之间在一定能量光波作用下，电子可以从一个离子轨道跃迁到另一个离子轨道上，这种发生在不同离子之间的电子跃迁称为电子转移(或电荷转移)。伴随着电子转移，矿物对可见光有很强的吸收，使矿物呈现不同的颜色。实例：蓝闪石晶体中存在着金属离子Fe2+和Fe3+之间的电子转移而呈蓝色；石墨晶体结构中碳原子组成的六方网层，层内电子可以或多或少地自由转移，造成强的光吸收呈黑色。,(3)能带间的电子跃迁-带隙跃迁 根据能带理论，晶体中的电子按照能量高低不同分别位于各能带中，其描述的能带模型有两种：其一，能带的下

7、部被电子占满，为满带（或称价带），能量较低；能带的上部没有被电子占满，为导带，其中的电子能量较高；二者之间是禁带，禁带的宽度随矿物的键性不同而不同;其二，价带与导带部分重叠，中间没有禁带。,当自然光通过矿物时，矿物吸收能量，电子从满带向导带跃迁，所需的能量取决于禁带的宽度，即满带顶部与导带底部间的能量差，（能量间隔），以Eg表示。不同矿物由于禁带宽度不同而呈现各种颜色。,当矿物禁带宽度窄(Eg 1.77eV)，甚至价带与导带重叠（Eg 0ev）时，能量间隔均比可见光的能量小。可见光中的各种色光都可以使电子跃迁，各种波长的可见光被大量吸收，矿物不透明。,跃迁到导带上的电子不稳定，又极易回到满带上

8、，返回时电子的大部分能量以可见光的形式辐射，此时矿物具有很强的反射能力，使晶体具有金属颜色和金属光泽。如果矿物对各种色光大致均匀地吸收并再辐射时，根据反射率大小不同，分别可呈现银白、锡白、钢灰、铬灰、铁黑等金属颜色。实例：自然金属元素的Eg 0ev，如自然金、自然铜；部分硫化物(如黄铁矿、方铅矿)Eg 1.7eV。,当矿物禁带宽度中等(1.773.10ev)时，能量间隔在可见光区范围内，矿物可选择吸收能量比自身Eg大的各种色光，使电子跃迁而呈色。如辰砂Eg 2.0 ev，能选择吸收黄、绿、青、蓝、紫色光，透过橙、红色光而呈红色。当矿物禁带宽度大(Eg 3.10ev)时，其能量间隔比可见光的能量

9、大。在正常情况下，可见光范围内的能量都不能使电子跃迁，光不能被吸收而大部分透过，矿物呈无色透明，如无色透明的金刚石，其Eg 5.5ev。,辰砂,辰砂世界,注解：对于某些纯净的矿物，由于能带间隔较大，本身不呈现颜色，但如果含有杂质元素(激活剂)，在禁带中可形成局部能级，降低其能带间隙，使矿物颜色发生变化。实例：如金刚石含N时呈黄色，含B时则呈蓝色。(4)色心 由于各种物理-化学因素的影响，在晶体局部范围内，质点的排列偏离严格的周期性重复规律，形成晶格缺陷。色心概念：晶体中能选择吸收可见光而使晶体呈色的点缺陷称色心。色心的类型很多，最常见是F心和V心。,F心 F心是晶体结构中由于阴离子缺位而引起的

10、。阴离子缺位时，空位成为一个带正电荷的中心，它能捕获电子，并将之束缚于该空位，该种电子呈激发态，能吸收某种波长的色光而使晶体呈色。因此，F心是由一个阴离子空位和一个受此空位电场束缚的电子构成，又称电子心。,F心是由一个阴离子空位和一个受此空位电场束缚的电子组成，又称为电子心。萤石就是由于存在F心而呈紫色。,萤石,V心 晶体结构中由于阳离子缺位而产生。晶体中缺少一个阳离子，等于附近增加了一个负电荷，附近一个阴离子必须成为“空穴”才能保持静电平衡。因此，V心是由一个阳离子空位捕获一个“空穴”所组成，又称空穴心，是F心的反型体。注解1：在同一种矿物晶体中，如果同时存在不同的色心，且数量亦不相同时，将

11、会产生不同的颜色，故一些晶体可呈现多种颜色，如萤石。,萤石,注解2 由于矿物的成分、结构、键型非常复杂，引起矿物颜色变化的因素也是非常复杂，矿物的颜色往往是多种呈色机理所产生的总效应。实例：蓝宝石的蓝色（含少量铁、钛的刚玉），其蓝色机理是d-d跃迁和离子间的电子转移综合作用引起的。,(5)物理光学效应 由于光的反射、干涉等物理因素能使矿物呈色，包括晕色、锖色、变彩等。晕色 某些透明矿物的表面常呈现出一种彩虹般的色带称为晕色；实例：云母、方解石、石英。这主要由于透明矿物内部的解理面或裂隙面对光连续反射，引起光的干涉而产生的。锖色 某些不透明矿物，因风化表面产生氧化薄膜，引起反射光的干涉作用，使矿

12、物表面呈现各种颜色称为锖色。实例：斑铜矿具有独特的、色彩斑驳的蓝、绽、紫色，可作为鉴定特征。,变彩 某些透明矿物由于内部有微细的叶片状包裹体，对光发生反射和干涉，在转动时或沿不同角度观察，可呈现不同颜色的变化称为变彩。注解：1.在矿物学中，矿物的颜色分为自色、他色、假色。自色是指由矿物本身固有的成分、结构所决定的颜色。他色是由矿物中含的机械杂质、气液包裹体（红色方解石）等所引起的颜色。假色是由物理光学效应而产生的颜色，如上所述的晕色、锖色、变彩等。,你知道么？石英（紫色、烟黄色、烟褐色、玫瑰色 烟灰色黑色）石英因粒度、颜色、包裹体等的不同而有许多变种。无色透明的石英称为水晶，紫色水晶俗称紫晶，

13、烟黄色、烟褐色至近黑色的俗称茶晶、烟晶或墨晶，玫瑰红色的俗称芙蓉石；呈肾状、钟乳状的隐晶质石英称石髓，具不同颜色同心条带构造的晶腺叫玛瑙，玛瑙晶腺内部有明显可见的液态包裹体的俗称玛瑙水胆，细粒微晶组成的灰色至黑色隐晶质石英称燧石，俗称火石。,2矿物的条痕 矿物的条痕是指矿物新鲜表面在白色无釉瓷板上刻划后，留下的粉末颜色。注解1 矿物的条痕可以消除假色，减弱他色，比矿物颜色更稳定。在鉴定各种彩色或金属色矿物时，条痕色是重要的鉴定特征之一。注解2 对浅色矿物，条痕色皆为白色或灰白色，则毫无鉴定意义。注解3 有些矿物由于类质同象混入物影响，会使条痕发生变化。根据条痕色的微细变化，可大致了解矿物成分。

14、,矿物的颜色,3.矿物颜色的描述方法1）采用标准色谱描述 使用红、橙、黄、绿、蓝、紫以及白、灰、黑色描述矿物的颜色，或根据实际情况加上形容词，如浅绿色、墨绿色等；2）类比描述法 与常见实物的颜色相类比：如描述具有非金属光泽矿物的颜色时用桔红色、橙黄色、孔雀绿。描述具有金属光泽的矿物颜色时，常与金属的颜色类比：如锡白色、铅灰色、铜红色、金黄色等；,3）混合色描述法（二名法）因有很多矿物往往呈现两种颜色的混合色，可用两种色谱的颜色来命名，主要颜色写在后面，次要色调写在前面，如黄绿色，以绿色为主。注意：在颜色描述过程中，应注意区分新鲜面与风化面的颜色，应着重观察和描述新鲜面上的颜色：区分金属色与非金

15、属色。,4矿物的透明度 矿物的透明度是指矿物透过可见光的程度。矿物透射系数（Q）：设投入矿物的光线强度为I，当透过1cm厚的矿物后，其透射光强度为I0，则I。I的比值称为透射系数。注解：关于矿物的透明度 透射系数大，矿物透明；反之，矿物半透明或不透明。矿物的透明与不透明是相对的；在研究矿物透明度时，应以同一厚度为准。根据矿物在岩石薄片(其标准厚度为0.03mm)中的透光程度，矿物的透明度可分为：,透明：矿物在0.03mm厚的薄片上能透光，如石英、长石、角闪石。半透明:矿物在0.03mm厚的薄片上透光能力较弱，如辰砂、锡石。不透明:矿物在0.03mm厚的薄片上不能透光，如方铅矿、黄铁矿、磁铁矿。

16、矿物的透明度取决于矿物的化学成分和内部价键类型。矿物中的包裹体、气泡、杂质、裂隙及矿物的集合方式等也影响矿物的透明度。,对于不透明矿物；,对于透明矿物，吸收系数(K)很小，可略去不计，故,5矿物的光泽 指矿物表面对光的反射能力，用反射率（R）表示。反射率：指反射光强度(IR)与垂直入射到矿物光面时的光强度(I。)的比值，即R=IRI。1）矿物反射率的计算方法 其大小主要取决于折射率(N)和吸收系数(K)的大小,2）矿物光泽的分级 根据反射率的大小，光泽分为四级，即金属光泽、半金属光泽、金刚光泽和玻璃光泽，后三者又统称为非金属光泽。各光泽等级的具体特征如下：金属光泽 R25，呈金属般光亮。条痕黑

17、色、灰黑、绿黑或金属色，不透明。,半金属光泽 R2519，呈弱金属般的光亮，不透明。条痕深彩色(棕色、褐色)。如铬铁矿、黑钨矿。金刚光泽 R1910，如同金刚石般的光亮。条痕为浅色(浅黄、桔黄、桔红)或无色，透明-半透明。如金刚石、辰砂、雌黄。玻璃光泽 R10-4，如同玻璃般的光亮。条痕无色或白色，透明。如石英、长石、方解石。,注解：矿物表面的光滑程度和集合方式不同，会使光泽发生变化。如果矿物表面不平整或因集合体的影响，使光产生多次的折射和散射，形成一些特殊的光泽，其光泽类型一般可与一些实物类比。如：珍珠光泽 矿物光泽如同珍珠表面或蚌壳内壁那种柔和的光泽，如石膏、云母的极完全解理面上具有珍珠光

18、泽。丝绢光泽 透明矿物呈纤维状集合体时，表面呈丝绢状光泽。如石棉、纤维石膏等。,油脂光泽、松脂光泽和沥青光泽 无色透明的矿物其断口具油脂光泽，如石英；黄色-黄褐色矿物其断口为松脂光泽，如雄黄；黑色矿物的断口则为沥青光泽，如铀矿。土状光泽 一般是粉末状或土状集合体的矿物，表面光泽暗谈如土 如高岭石、褐铁矿等。,6.矿物的发光性 发光性是指矿物受外来能量激发，发出可见光的性质。根据发光激发源不同，分为：光致发光，如可见光、红外光和紫外光等激发；阴极射线发光，如电子束激发；辐射发光，如x射线、射线等激发；热致发光，如热能激发；其它激发源：电致发光，摩擦发光，化学发光等。根据发光持续时间长短分为荧光和

19、磷光。发光体一旦停止受激，发光现象立即消失，称为荧光；如果停止激发后，发光体仍持续发光则称为磷光。能发出荧光或磷光的物体分别为荧光体或磷光体。,发光机理 矿物发光机理主要与矿物中的晶体缺陷和杂质元素有关。晶格缺陷称之为“陷井”；能引起矿物发光的杂质元素称激活剂。注解：1.激活剂大都是过渡金属元素，其中尤以稀土元素和某些锕系元素最为重要。表示方法：如CaCO3：Mn2+。2.大多数组分纯净的矿物不发光，只有在含有微量(小于1)的杂质元素时才能发光。矿物发光机制可以用能带理论解释。,发光机理组分纯净的矿物，由于晶体的价带和导带间能量间隔较大，大于可见光的能量，因而电子受激跃迁所需的跃迁能较大，都大

20、于可见光的能量，因而不发射可见光。当晶体中存在激活剂时，它们将在价带和导带之间产生新的局部能级，这时，如同在禁带中架起一个能级“阶梯”，使跃迁电子得以逐级回跳。在回跳过程中，电子所具有的额外能量以可见光的形式释放出来，晶体便产生发光现象。,荧光磷光的产生机理 荧光产生机理 如果矿物中含有激活剂，晶体在禁带中靠近满带顶部附近形成一个附加能级(如图a）。当晶体受高能辐射时，在满带或局部能级的部分电子因受激进入导带(跃迁1和2)。受激电子在导带中不稳定，很快又跳回满带或局部能级，并释放出相当于可见光的能量，产生一种很短时间的发光现象，这就是荧光。,磷光 某些矿物中的激活剂，在禁带中靠近导带附近形成一

21、个附加能级(44b)。当晶体受激时，满带电子除跃入导带外(跃迁1)，还有可能跃入局部能级中(跃迁2)，被晶体缺陷(陷井)所滞留；被滞留的电子受到热和光的激发，可以从陷井中释放出来，再跃进导带(跃迁3)。当辐射停止后，由于陷井类型和一些杂质的影响，位于导带的电子还持续不断地回到满带，并与其空穴复合(跃迁4)，伴随着这种复合,不断发射出一定波长的可见光，这就是磷光。,满带,导带,导带,满带,禁带,禁带,你知道么？关于“夜明珠”的小知识 自然界的矿物种类数以千计，其中有二十多种矿物，在外来能量的激发下，能发出可见光。所谓“夜明珠”是指在外来能量的激发下，能发出可见光的一种物质，发出的光称“磷光”，其

22、发光原理与矿物晶体中微量杂质有密切关系。夜明珠的主要材料有萤石、方解石和一些钻石，其中萤石最为常见。,夜明珠”指在黑暗中，人眼能明视的，天然的、能自行发光的珠宝。在古代“夜明珠”又称“夜光璧”，“明月珠”等。著名“夜明珠”有“随珠”、“悬黎”、“重棘之璧”、“石磷之玉”等。我国民间流传的“夜明珠”，都有着奇异的发光性能，能在无光的环境中发出各种色泽的晶莹光辉。“夜明珠”在中国5000年文明史中是最具神秘色彩，最为稀有，最为珍贵的珍宝，并为皇权私有。“夜明珠”有着很深厚的历史底蕴和文化内涵。,据史籍记载，春秋战国时代，“夜明珠”已被视为“天下名器”，其珍贵价值同“和氏壁”并驾齐驱，价值连城。夜明

23、珠为历代文人墨客作为一种选写文章的妙笔，历代帝王将相又将拥有夜明珠视为权贵的象征，慈禧太后口含夜明珠归天西去，也要与之永世相伴。,夜明珠之最 古代的夜明珠，质量是用“两”和“钱”计算的，近期报道的夜明珠大到以千克计算。例如，清代慈禧藏宝库一颗夜明珠213.5克，而2002年在南京和广州发现的夜明珠分别为12.96千克、20.5千克等。迄今为止，最大的一颗夜明珠重达 345千克，直径为60厘米，得几个人抬才能把它移动。这颗巨型夜明珠是2002年春在河南南阳发现的一块1.5吨的大萤石，经过4个多月的琢磨加工而成的。,夜明珠的检测与评价1、紫外萤光强度 紫外萤光强度分为强(醒目)、中(一般)、弱(暗淡)。2、磷光亮度(辉度)磷光亮度(辉度)为每平方米磷光的余辉度。相传古代磷光亮度以物观察，在其光下1市尺，见小米为优，见绿豆为良，见黄豆为一般而对比。,关于 MUSIC FANS手中荧光棒 荧光棒中的化学物质主要由三种物质组成：过氧化物、酯类化合物和荧光染料。荧光棒发光的原理是过氧化物和酯类化合物发生反应，将反应后的能量传递给荧光染料，再由染料发出荧光。目前市场上常见的荧光棒中通常放置了一个玻璃管夹层，夹层内外隔离了过氧化物和酯类化合物，经过揉搓，两种化合物反应使得荧光染料发光(从高能态回到较稳定的低能态)，从而把化学能转换为光能。,