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【正常礦物學推廣】一些關於寶石的基本物理知識

樓主 秘羅地聖戰軍-光山 tcss0612
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大家好 我是光山
本光山喜歡 仙人掌 小馬 金屬  還有我的男朋友-QC
不過其實寶石也是本光山很喜歡的一種東西
今天要來講解一些業餘的寶石/礦物學知識,算是幫日後的人造寶石鋪路。
這次的講解很正常的。
基本上已經含蓋了多數材料學跟礦物學的基本知識,看完這篇你就會了解為甚麼QC這麼讚了。


1.甚麼是寶石?
寶就是有價值
石就是石頭
寶石就是有價值的石頭/礦物。
如果你花了20萬開刀挖腎結石,那顆腎結石也可以當作寶石。
所以黃金不是寶石,因為他是金屬不是石頭。
鵝卵石不是寶石,因為他沒價值。


不過有些石頭雖然很有價值,卻不被當成寶石。大多是因為他長得很醜,或者是硬度不夠。
寶石之所以對硬度有要求,就是怕磨損,如果寶石一碰就壞,一刮就有刻痕,他長的再漂亮再有價值,也會一下就爆掉。
有些東西不是石頭,卻非常漂亮,也會被當成寶石。EX:珍珠、琥珀、珊瑚。

所以,寶石必須要滿足以下幾點(不用全部):
1.是礦物(石頭)
2.很漂亮
3.很貴
4.有基本的硬度和抗性


2.寶石的分類
寶石有很多分類方法,最常見的分法就是分成寶石和半寶石。
寶石:鑽石 祖母綠 紅藍寶
半寶石:其他一切寶石

鑽石、祖母綠、紅藍寶都很稀有,硬度也高。其他半寶石就比較軟比較常見。
不過這不代表半寶石價格就比較低。這是用價錢和市場來區分的方法。




不過本光山要從物理的角度切入,把寶石分成結晶類和隱晶類。
結晶類寶石有明顯的結晶構造,隱晶類寶石的結晶則發育不全(仍然有晶體構造)。
結晶類寶石通常是在水或岩漿中,從溶液的型態慢慢長大的。就跟養鹽巴一樣,只是把水換成岩漿,鹽巴換成寶石。

隱晶寶石的形成條件則複雜許多,每一種隱晶寶石的形成方法都不一樣,也因此隱晶寶石很難人造。

這兩類寶石可以從外表區分,透明一定都是結晶類,不透明的大部分是隱晶。
以下幾種寶石你可以試著區分看看:



答案:
完全沒有結晶構造:珍珠 腎結石 生物類的寶石都會這樣
隱晶:青金石 孔雀石 瑪瑙 蛋白石
結晶:石榴石 鑽石 亞歷山大變色石 海水藍寶 天青石 電氣石 水晶  藍寶石
舒距萊(例外) 天河石(例外) 石英(例外)


例外的這幾種寶石是因為他們由許多小結晶組成,所以才變成不透明的樣子
就像沙糖,雖然會形成晶體,但因為很小,所以看起來仍然是不透明的。

如果你不知道天河石(Amazonite)是甚麼,這應該能幫助你想起來>>>


3.寶石的特性
不同的寶石對於不同的特性要求也不同。
透明度對鑽石來說很重要,但是對珍珠來說卻是屁。鑽石的光澤都一樣,但是珍珠卻有很多種不同的光澤。

常見的特性有這幾種:
硬度
光澤
折射率
色散
透明度
色澤
密度(重量)


罕見的特性(只會出現在結晶寶石上):
亞力山大變色效應
貓眼效應
星光效應
多色性
雙折射



硬度主要和寶石的化學成分有關,分子之間連結越多越強,寶石就越硬。
不過硬不代表不會損壞,只代表不會被磨損。像玻璃比塑膠硬,但是用鐵鎚敲過之後會損壞的卻是玻璃。

光澤指的是寶石反射光線的樣子。像是金屬光澤、臘光澤、灰暗光澤、珍珠光澤、和最閃亮的鑽石光澤。

折射率是光線通過寶石後彎曲的程度,和光速有關。當然啦,只有透明的寶石折射率才有意義。光經過寶石的時候減速的越多,折射率就越高。寶石所含的分子越密集,越容易跟光子反應,就越會拖慢光的速度。

色散是不同顏色的光之間折射率的差異。大家應該知道長波的紅光比較不會偏折,短波的藍光偏折比例比較大。色散高的寶石,光線通過之後產生的彩虹就越明顯。鑽石的色散和跟折射率都很高,所以光澤才會這麼嚇人。

透明度 BJ4 透明度和光線能不能直線通過寶石有關,如果中間有東西擋住,或是有缺陷讓光線折射,都會讓寶石變的不透明。



色澤 就是寶石的顏色,顏色分成兩大類:化學色和物理色。
因為分子的化學(電子特性)產生的,是化學色。
因為物理結構產生的顏色,是物理色。

通常來說,結晶寶石的顏色是化學色,非結晶寶石則是化學/物理混合。
珍珠/蛋白石因為化學成分而呈現白色的基調,但是因為他們的物理結構而有了特殊的光澤。

大多數純的寶石是無色的,但如果理面參雜了些微金屬離子之後就會擁有顏色。比方說鉻離子通常會讓寶石變綠色,鈦離子通常會讓寶石偏藍色。

不光只是離子種類,電荷也會影響。黃水晶跟紫水晶都含有鐵離子,但Fe +3會變黃,Fe+2卻會變成紫水晶。

黑色和白色的寶石比較特別,主要是物理色。黑色是因為含有奈米級的雜質把光吸收掉了,白色則是因為有很多奈米空洞把光散射掉。剛好對應到上面講的兩種不透明。
色澤的成因在人造寶石中非常重要,控製微量元素,調控色澤是造出好看寶石的關鍵。
(這項技術後來發展成了半導體中的N/P參雜)

密度(重量)一般來說我們指的很重,意思是他密度很大。鐵很重,棉花很輕,但是一公斤的鐵跟一公斤的棉花一樣重。寶石的密度與成分、結晶構造有關。
結晶構造完全相同時,含有越重的原子密度就越大。
結晶構造相同,但是晶胞大小不一樣時,晶胞越小,密度就越大。
結晶構造不同時,單位晶胞中含有越多原子就越重。

以鐵來說,普通鐵的結晶構造屬於體心立方,但是加熱(910c)之後會變成面心立方。
稍為算一下單位晶胞理面的原子含量,
體心立方:6*1/8+1*1   =14/8
面心立方:6*1/8+8*1/2=46/8
我們可以知道,面心立方的鐵比體心立方的鐵密度還要大很多。

另一個例子是氟化鈣跟氟化鋇,兩者結晶構造一樣,晶胞大小也一樣,但是鋇比鈣重,所以氟化鋇密度(4.9)比氟化鈣(3.18 )還要高。

反例是氯化鈉跟氯化鉀,你可能以為氯化鉀密度比較高。但別忘了,鉀離子整整比鈉離子還要大上了一圈,讓晶胞也跟著變大很多。



特殊效應:



亞力山大變色效應
指的是在太陽光和白熾燈光之下的顏色會不一樣。太陽光下是綠色,白熾燈下會變成紅色。
是因為他會強烈吸收紅/綠以外的所有光。太陽光被吸完之後會剩下紅跟綠,混起來仍然是綠色。
白熾燈的光譜偏紅,被吸完之後只剩下紅光,就會變紅色了。BTW,日光燈下是綠色。



貓眼效應指的是寶石上會出現像貓眼的特殊光芒。這是因為晶體內部有許多排列整齊的雜質。
通常是另外一種折射率低的寶石長在折射率高的寶石裡面,這些小的雜質寶石順著主要寶石的結晶方向,整齊的長成一排一排的欄杆狀構造。

http://en.wikipedia.org/wiki/Asterism_(gemology)
星光效應指的是寶石上會出現像6芒星的特殊光芒,原裡貓眼一樣,只是有更多排。
排之間互相夾60度角,就會變6芒星,夾90度角則是4芒星。雜質只能順著主要寶石的結晶方向生長,因為大多數寶石的結晶是6角對稱的,所以6芒星比較常見
晶體學基本定理表示沒有5角對稱的晶體,所以不可能有五芒星。(別跟我扯準晶,準晶都是不透明的)


雙折射 雙折射的成因已經超越光山的理解範圍了,麻煩物理系出來支援。
簡單來說就是光折射之後變成兩條,透過有雙折射的晶體看東西會變兩個。
拿來鑑定寶石非常好用的特性。
不過從某個特殊角度進入的光不會發生雙折射(這個角度稱為光軸),可以利用這點把有雙折射的寶石為裝成普通折射的寶石。特別是已經鑲在台座上的寶石,沒辦法換角度觀察,只要延著光軸鑲上去,就沒辦法用雙折射鑑定了。


多色性前面說到不同波長/顏色的光,折射率會不同。其實他們的雙折射率也會不同。
從光軸的方向看會看到普通的光,從其他角度看則會看到因為雙折射而被分離出來的光。
多色性有時加分,有時扣分。




4.晶體學概論
這篇文章是要幫人造寶石打底的。所以得來談點晶體學。
所謂晶體,指的是分子排列規律/半規律的固體(半規律指的是準晶體,我會在最後解釋)。
因為排列整齊,所以晶體的性質很均勻完美,是物理學家腦中的那種理想固體。
想要研究固體的性質,通常都會先把這種物質結成晶體再研究。
你想測糖的折射率,是要用一塊方糖,還是一塊冰糖呢?


如果整個固體里面的分子都完美的排列,就會被稱為單晶(Single Crystal)。(一顆冰糖就是一塊糖單晶)
但是這麼好的事情很少發生,大多數的固體都是多晶(Polycrystal)的形式。
內部分成了許多區塊,每個區塊各自排列,一個區塊是一個單晶,整塊固體由非常多的單晶組成。
還有一種是完全不規律的物質,叫做非晶質(Noncrystal)。分子完全混亂,這東西在物理上等於是不會流動的液體。最常見的就是玻璃。
前面說的結晶類寶石就是指單晶和多晶。

這三類在物理性質上有很大差異

單晶因為分子排列整齊,會有一個方向特別脆弱,從這邊切下去切到的分子最少。
非常容易延著這個方向劈開。
多晶當然也有解裡面,但是解裡面太多了,每個小區塊的解理方向都不一樣,ˋ整體來看根本找不到劈開的方向。
非晶就BJ4了。

有些性質是有方向性的,像是磁力、壓電性、雙折射。
圍觀來看,分子要沿著特定方向才會表現出磁力,如果每個分子磁力指的方向都不一樣,根本就量不到磁力。因為太弱了,整塊固體中的分子必須要全部朝向同一方向才會在巨觀尺度上表現出磁力。
所以囉,這類有方向性的性質只有單晶體才能擁有,因為只有單晶才能把微小的方向性累積起來變的大到能被觀察到。


科羅拉多州為了防止湖水優氧化,把大量的黑塑膠球倒進 Ivanhoe湖裡。
球浮在湖水表面,形成了類似二維晶體的構造。根本是從晶體學教科書裡蹦出來的吧?
請問這是多晶塑膠球,非晶塑膠球,還是單晶塑膠球呢?
ans:這是個多晶的塑膠球,你甚至還能看到所謂的差排缺陷和點缺陷.....


5.晶體的幾何學

5-1晶體的對稱
為甚麼晶體只有3 4 6對稱,沒有5和8的對稱呢?

我一直強調,晶體內部的分子排列得很整齊,但實際上,排列整齊的不是分子。
而是晶胞,一個晶胞代表的是在晶體中重複出現的最小單位。只要把一個晶胞複製貼上複製貼上,就能夠成一個完整的大晶體。
我前面舉的例子中,一個晶胞都只含一個原子。但大多數固體的單一個晶胞都含有數個原子。

這張圖可以明顯看出,只用一種形狀(晶胞)的話,346能把空間全部填滿。
5會變成一團混亂,8根本只是換一種長相的4對稱。
所以晶體一定只有346對稱,因為只有346才能只用一種晶胞就填滿所有空間。



在2維平面上只有這三種晶胞能形成晶體。但是在三維空間中的晶胞就有很多種了,切卻來說是230種。

5-2晶胞的觀念
晶胞的定義,指的是能用當作積木,重現整個晶體構造的最小單位。
只要知道了晶胞的大小和原子分布狀況,就能預測這個物質的密度、折射率、甚至是融點跟電阻。

在礦物學上,把晶胞依照邊長和角度,分成這6大類(230種的那種分類是給瘋子用的):
除了六方跟三方之外,都是4對稱。

立方:所有邊都一樣長,所有角都是90。
四方:兩個邊長一邊長,所有角都是90。
正交:三個邊長不一樣,所有角都是90。

三方:邊長一樣,兩個角相同,不是90度。
六方:兩邊長一樣,夾角120度
單斜:邊長不同,
三斜:通通不一樣
以上是晶胞的形狀分類,按照晶胞理面的原子排法,還可以分成簡單立方、面心立方,體心立方。高中理組的應該都有學過。
只包含一種原子,最簡單的幾種4對稱3維晶胞。http://jhaj.net/jasjeet/tcad/Learn1/l1b.htm


左邊是鑽石,右邊是砷化鉫。兩者的結晶構造是一樣的,差別在鑽石的晶胞中,組成原子全都一樣,砷化鎵含有兩種原子。氮族+硼族的化合物都會形成這種類似鑽石的晶體,氮化硼連硬度都很接近鑽石,很常用來作鑽頭。

猜猜看,鑽石和砷化鉫誰的密度比較高?
結晶方式一樣,砷化鉀晶胞邊長是5.65A,鑽石晶胞邊長是3.57。
ANS:是砷化鍺,兩者邊長差不多,但是砷鍺原子重量卻是碳原子的好幾倍。



6.寶石的種類與亞種
為甚麼一樣都是氧化鋁(Al2O3),要分成紅寶石、藍寶石、剛玉呢?
在礦物學上,主成分是氧化鋁的礦物就是剛玉。
但他們會有一些參雜的金屬雜質,造成顏色的不同。有鉻雜質就會變紅,鈦雜質則會變藍。

不是所有寶石的化學成分都像剛玉這樣乾淨俐落。
綠柱石的成分是:Be3Al2(SiO3)6
依照雜質不同會變成:祖母綠、海水藍寶。

這些寶石亞種含有的雜質的量都很少,不會取代晶胞中原子本來的位置,而是以缺陷的形式被卡在晶胞中間。因此不會影響到晶體的物理性值。

常見的雜質寶石家族:
剛玉家族(Al2O3) 紅寶石 藍寶石 剛玉
綠柱石家族(Be3Al2(SiO3)6):祖母綠、海水藍寶、綠柱石、金綠柱石。
金綠寶石家族(BeAl2O3):亞山三大變色石、金綠寶石、貓眼石(狀況比較特殊)



礦物學家的夢魘-石榴石,則不一樣,石榴石的亞種之間有相同的晶體構造和晶胞。
但是晶胞裡面填的原子卻不一樣。
基本上石榴石屬於X3Y2(SiO4)3,X是任何一種2價元素,Y是任何一種3價元素。
光是維基百顆上列出的,就有這麼多種石榴石亞種,每個亞種還可以因為雜質有更多小亞種。
你完全可以想像這鬼東西為甚麼會被尊稱為寶石界的依布
Mg3Al2(SiO4)3 鎂鋁石榴石 血紅色
Ca3Al2(SiO4)3 鈣鋁石榴石 紅色
Mn2+3Al2(SiO4)3錳鋁石榴石 咖啡色
Ca3V2(SiO4)3鈣釩石榴石 草綠色
Ca3Fe2(SiO4)3 鈣鐵石榴石 依照雜質有 黑 綠 黃三個亞種
以下省略100種.....

你可以猜到,因為亞種太多了,而每一種亞種的晶體培養條件都不同。所以沒有人造的石榴石,每合成一種就要換條件,成本太高了。不過有幾種石榴石有很特殊的光學效應,可以作成雷射的核心,因此有開發人造技術。


這些全都是石榴石亞種,他們之間的顏色差異不是因為雜質,根本就是不同的礦物。
屬於同晶型,同族元素取代的礦物家族。雖然密度、折射率是有差異的,英文也有不同的對應名稱,但是中文通通都是叫依布。
http://www.gia.edu/garnet-quality-factor
別裝了,我一看就知道這是等軸晶系的依布。

取代寶石家族只有石榴石一種。
底下可以被細分成好幾百種亞種。顏色範圍插不多涵蓋了整個可見光光譜了。

7.QC到底是誰?
狹義來說,QC是我男朋友。(吃我的甲甲啦)
但是從晶體學角度來看,QC指的是準晶體QuasiCrystal。
前面已經提到,只用1種晶胞堆積的話,只有346對稱能把空間全部填滿。

但是。
你有沒有想到,如果允許使用2種以上的晶胞,會怎麼樣呢?。
結果就是會得諾貝爾獎。

這個2維準晶體,有兩種晶胞,能完全堆滿空間,但卻沒有對稱性。
仔細看就會發現,他是由許多看起來很像,但是卻有些微差異的小區塊組成的。

普通的晶體,會有平移對稱(位移一單位晶胞後,看起來還是一樣),旋轉對稱(旋轉某個角度後,看起來會一樣)。晶胞的組成比例一定是整數。

但是,準晶體卻不一樣,只有在小範圍內才有平移對稱,整個晶體只有一條旋轉對稱軸,晶胞的組成比例是1:1.618(黃金比)。


準晶體的排列是半規律的,所以被叫作準晶體。
準晶體的發現打破了晶體學基本定理,晶體可以有5軸準對稱。
發現他的科學家還得了諾貝爾獎呢!
不過那就是另外一個奇妙非凡的不正常故事了。


伊斯蘭教表示:我們在500年前就發現2維準晶體了。還拿來作成清真寺的磁磚。
偉哉幕斯林的晶體學整整領先了臭異教徒500年。


前面都是講2維準晶體,這張圖片是三維準晶體的晶胞。由兩種不同的晶胞排列組成的。
還有其他準晶是由更多種晶胞組成的,所以我才說QC很讚阿。
http://www.pnas.org/content/103/37/13589.figures-only


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