1、宝石折射仪的原理及操作方法学前引导宝石的化学成分和晶体结构决定了宝石的折射率，折射率是宝石最稳定的性质之一。利用折射仪可以测定宝石的折射率值、双折射率值、光学特征等性质。学习目的和要求1、 掌握折射仪的工作原理及结构。2、 学会折射仪的使用方法，测定宝石的折射率、双折射率及光性特征。预备知识：1、折射率的定义某种的介质的折射率 n 亦等于光在真空中的速度 c 跟光在介质中的相速度 v 之比：折射定律：n1sin1= n2sin2, 其中， 1 与 2 分别是光在介质界面上的入射角和折射角，两种介质的折射率分别是n1 与 n2。 图 2-1 光的折射2 光率体及宝石的光性方位光率体是表示光波在晶
2、体中传播时，光波振动方向与相应折射率值之间关系的一种几何图形。设想自晶体的中心起，沿光波各个振动方向，以线段的方向表示光波的振动方向，以线段的长短按比例表示折射率值的大小，然后将各线段的端点连接起来构成一立体图形，即为光率体。均质体光率体为圆球形，各个方向折射率值唯一，都是 N。一轴晶光率体为以 Ne 轴为旋转轴( 平行 c 轴)、No(垂直 c 轴)为半径组成的旋转椭球体。Ne 是非常光的折射率，No 是常光的折射率。当 NeNo 时称为一轴正晶，反之称为一轴负晶。图 2-2 一轴晶光率体二轴晶光率体为三轴不等椭球体，三个主折射率：Ng、Nm、Np。大小关系NgNmNp。 当 Ng-NmNm
3、-Np，为正光性， 当 Ng-Nm-Np，为负光性。图 2-3 二轴晶光率体3 双折射非均质体宝石不同方向上折射率不一样，光线的传播速度也不一样，白光在非均质体宝石中发生双折射，分解成两条振动方向相互垂直的偏振光，两者之间存在一定的光程差。图 2-4 光的双折射知识结构图观 察 现 象 及 结 论均 质 体 一 轴 晶 二 轴 晶 其 它 特 殊 状 况折 射 仪 的 操 作 步 骤刻 面 法 点 测 法 闪 烁 法折 射 仪 的 工 作 原 理工 作 原 理 仪 器 结 构授课内容折射仪的工作原理宝石折射仪就是根据折射定律和全反射原理制造的。全反射：光由光密介质进入光疏介质时，要离开法线折射
4、。当入射角 i 增加到某种情形时，折射线延表面进行，即折射角为 90，该入射角 ic 称为临界角。若入射角大于临界角，则无折射，全部光线均反回光密媒质，此现象称为全反射。当光学从一种未知介质射入空气中时，根据折射定律可知，只要测出入射角 ic 就可求出未知介质的折射率。n=1/sini c。折射仪的结构折射仪主要由高折射率棱镜、棱镜反射镜、透镜和标尺及偏光片等组成。图 2-6 折射仪的结构高折射率棱镜该棱镜材料需满足两个条件：单折射和高折射率。大多数棱镜选用铅玻璃。 （1.86-1.96）接触液其作用是使待测宝石与高折射率棱镜产生良好的光学接触。一般接触液选用溶解饱和硫的二碘甲烷。 （1.78
5、 ）光源由于宝石存在色散，为获得清晰的读数，选用波长为 589.5nm 的黄光，光源为钠光灯。待测宝石必须有抛光的平面或弧面。宝石为光疏介质，棱镜和接触液为光密介质。入射角小于临界角时，光线发生折射进入宝石，入射角大于临界角时，光线发生全反射。如图所示，最终视域内发生全反射的区域较亮，而发生折射的区域较暗。亮暗交接的边界即与临界角相对应。以此可测定宝石的折射率。折射仪的操作步骤刻面法适宜于有良好抛光的大刻面的宝石。1)接通电源、打开仪器；2)用酒精清洗宝石和棱镜；3)在折射仪棱镜上点一滴接触液（ 约 2mm） ，使用钠光照明，可见油的阴影边界；4)将宝石最大的台面放在棱镜上，浸油使宝石和棱镜之
6、间形成良好的光学接触；5) 眼睛靠近目镜可观察阴影区和明亮区并读数，读数保留小数点第三位； 6)按顺序转动宝石 360，经验丰富者可转动宝石 0、45、90进行观察和读数；7)测试完毕，将宝石轻推至金属台上，取下宝石； 8)清洗宝石和棱镜。图 2-7 刻面法测定折射率的操作方法点测法应用于弧面型宝石、小刻面宝石和抛光不好的宝石，得到宝石的近似折射率值。步骤：1). 清洗棱镜和宝石；2). 在金属台上点一滴接触油；3). 用宝石弧面或小刻面接触金属台上的接触油，以油滴直径为 0.2mm 为宜,轻置于棱镜中央；4). 眼睛距目镜头 25-45cm,平行目镜前后移动头部；5). 观察油滴半明半暗交界
7、处，读数并记录，读数保留小数点后两位；6）换一个刻面重复以上步骤；7). 将宝石轻推下测台，清洗宝石及棱镜。闪烁法对于具有高双折射率且抛光不良的宝石或弧面宝石，可用此法估测宝石的双折射率。步骤：1). 清洗棱镜和宝石；2）取下折射仪的偏光片和放大镜；3）按点测法放置宝石，观察其在折射仪上的液滴影像；4）将偏光片在目镜上方来回 90转动，按点测法观察方法上下移动视线，注意液滴影像的明暗或颜色变化，双折射率大的宝石的影像会出现由亮到暗，或者不同颜色的变化；5）如果液滴影像无变化，转动宝石 90，重复上个步骤，仍然无变化可推断宝石无高双折射率；6）如果有变化，记录开始变化和结束变化的位置的两个数值，
8、其差值为双折射率的估计值（非准确值） 。注意事项：1. 接触液不宜过多，否则将导致阴影边界不清；2. 小心轻放；3. 检查宝石是否抛光。观察现象及结论1). 各向同性宝石：待测宝石在折射仪上转动 360时始终只有一条阴影边界(固定不变)，说明该宝石为各向同性宝石（单折射宝石） 。2). 一轴晶宝石： 待测宝石在折射仪上转动 360时，出现两条阴影边界，一条阴影边界固定不变，另一条发生移动，说明该宝石为一轴晶宝石。如动值为大值，则为一轴晶正光性宝石如水晶； 如动值为小值，则为一轴晶负光性宝石如祖母绿。3) . 二轴晶宝石： 待测宝石在折射仪上转动 360时，两条阴影边界都移动，说明该宝石为二轴晶
9、宝石。如高值移动超过中间值，说明 值接近 值为二轴晶正光性；如低值阴影边界移动超过中间值，说明 值接近 值为二轴晶负光性。图 2-8 折射仪的读数4）高折射率宝石：待测宝石在折射仪上转动 360时，整个视线域较暗，仅能看到折射油形成的阴影边界，表明宝石的折射率大于折射液的折射率值。难点分析：1） 待测宝石在折射仪上转动 360时，好像只有一条阴影边界，但快速转动偏光片可见边界上下跳动。这种现象表示宝石为非均质体，双折射率很小。2） 待测宝石在折射仪上转动 360时，好像一条阴影边界不动而一条移动，但快速转动偏光片可见固定边界上下跳动。这种现象表示宝石是二轴晶。3） 待测宝石在折射仪上转动 36
10、0时，两条阴影边界都不动，宝石为一轴晶，两个读数的差值为宝石的双折射率。4） 待测宝石在折射仪上转动 360时，出现两条阴影边界，一条阴影边界固定不变，另一条发生移动。换一个刻面重新测量时两条阴影边界都移动，宝石为二轴晶。局限性1). 所测宝石一定要有抛光面；2). 宝石的 RI1.81 都无法读数；3). 不能区分某些人工处理宝石，如天然蓝宝石与热处理蓝宝石；4). 不能区分某些合成宝石，如天然红宝石与合成红宝石。小结（1） 折射仪的工作原理：利用全反射的原理，选择高折射率的棱镜和折射液，根据折射定律测定宝石的折射率，双折射率和光性特征。（2） 刻面法适宜于有良好抛光的大刻面的宝石，可测定宝
11、石的折射率，双折射率和光性特征。（3） 点测法应用于弧面型宝石、小刻面宝石和抛光不好的宝石，得到宝石的近似折射率值。（4） 闪烁法对于具有高双折射率且抛光不良的宝石或弧面宝石，可用此法估测宝石的双折射率。（5） 各向同性宝石：待测宝石在折射仪上转动 360时始终只有一条阴影边界 (固定不变)，说明该宝石为各向同性宝石。（6） 一轴晶宝石： 待测宝石在折射仪上转动 360时，出现两条阴影边界，一条阴影边界固定不变，另一条发生移动，说明该宝石为一轴晶宝石。（7） 二轴晶宝石： 待测宝石在折射仪上转动 360时，两条阴影边界都移动，说明该宝石为二轴晶宝石。（8） 高折射率宝石：待测宝石在折射仪上转动 360时，整个视线域较暗，仅能看到折射油形成的阴影边界，表明宝石的折射率大于折射液的折射率值。自测练习填空1 折射仪的光源是，常用折射液的成分是，折射率是。2 折射仪可以测定宝石的3 待测宝石在折射仪上转动 360时，两条阴影边界都移动，则宝石为 ，如高值移动超过中间值，则宝石光性为。4 视域内全暗，宝石的折射率为判断1 视域内只有一条阴影边界，则宝石为单折射宝石。2 视域内可见两条阴影边界， 则宝石的双折射率是两条阴影边界的最大差值。3 视域内可见两条阴影边界且都不移动，两个阴影边界读数的差值为宝石的双折射率。简答画出折射仪的基本结构图，并解释其工作原理。
