第四节　宝石的特殊光学现象

部分宝石由于其结构或成分的特殊性，或存在着纤维状、针状包裹体、空穴等，与入射光发生作用，形成光的反射、干涉、衍射、散射等，使宝石呈现出特殊的光学效应。如猫眼效应、星光效应、变彩效应、变色效应、月光效应和砂金效应等。常见具有猫眼效应的宝石品种有猫眼石、水晶、海蓝宝石、磷灰石、矽线石、碧玺、方柱石、软玉、木变石等。具有星光效应的宝石品种有红宝石、蓝宝石、石榴石、辉石、水晶等，具有变色效应的宝石品种有变石、变石猫眼、石榴石、蓝宝石、尖晶石等。

特殊光学效应的存在，使得宝石的魅力增加而变得更加具有观赏和收藏价值，也可以帮助初步鉴别宝石品种。

一、猫眼效应

一些透明或半透明宝石，在其抛光的弧面上，会呈现出一条丝绢状亮带，且此亮带随着入射光角度的改变而可以平行移动，称之为猫眼效应（Chatoyancy）。

猫眼效应的产生是因为宝石中存在着平生且密集排列的纤维状、针状、长管状包裹体或空穴。当光线照射到这些纤维状、针状、长管状包裹体或空穴时，它们就成了反射面。由于宝石被切磨成弧面型，平行投射的光线与界面的夹角是渐变的，因而射到平行排列的包裹体上的光线的入射角也是随宝石的翼部到弧顶而渐变的。对于弧面型两翼而言，经包裹体或空穴反射的光线会如图3-3中所示那样，在宝石与空气的内界面发生全反射，而使大部分光线不能到达观察者的眼睛。与之相反，射入近弧顶部分的光线，被包裹体或空穴反射后，不发生全反射，而进行折射，并在顶部会聚，形成一条亮线（图3-4）。当人眼改变视点，会聚光线的位置，也会作相应的变化。

能产生猫眼效应的宝石有金绿宝石、碧玺、海蓝宝石、磷灰石、石英、方柱石、透辉石、红柱石等，而猫眼石是特指具有猫眼效应的金绿宝石。其他具有猫眼效应的宝石，须在“猫眼”前，冠以相应的宝石名称（如海蓝宝石猫眼、磷灰石猫眼、方柱石猫眼、透辉石猫眼等）。

二、星光效应

1.星光效应

一些弧面型宝石，在光线的照射下，其表面呈现出相互交会的四射、六射或十二射星状亮带，类似夜空中的星光，称之为星光效应（Asterism）。

这是由于宝石内部存在有多个方向的定向排列的纤维状、针状或管状包裹体或空穴，其排列方向与宝石本身的对称特点一致。

当平行纤维状物质的展布面截取宝石原料，即宝石的底面平行于包裹体相交的平面，并加工成弧面型时，光线进入宝石后，这些纤维状物质对入射光进行反射，这些反射光交汇到一起，即呈现星光效应。图3-5为红宝石和蓝宝石晶体中的六射星光的成因及定向示意图。

红宝石和蓝宝石属三方晶系，包裹体的三个方向与晶体的对称特点相一致；每条星光带与相关包裹体的排列方向呈90°交角。其原理与猫眼效应产生的原理是一致的。显示星光效应的宝石有红宝石、蓝宝石、尖晶石、铁铝榴石、透辉石、芙蓉石等（图3-6，图3-7）。

2.丝光

有些宝石，虽然含有定向排列的纤维状、针状、长管状包裹体，但由于数量不足而不能显示出猫眼或星光效应，这类宝石经琢磨后，偶尔可见从少量包裹体中反射出的光，这种光称为丝光。

3.透星光效应

穿过透明宝石并朝向观察者的透射光被宝石内微细定向的纤维状包裹体所聚焦和反射。当光穿过宝石时，纤维包裹体“被照亮”，这样的星光称为透星光效应。

如从底部照亮某些蔷薇石英球体或弧面宝石时可见到特别好的透星光效应，表现为非常细的明亮的星光。

蔷薇石英（芙蓉石）的星光主要是透射光造成的故称为透星光，它不全属于反射效应（图3-8）。

三、变色效应

在不同光源的照射下，宝石呈现不同颜色的现象称为变色效应（Color change）。变色效应的成因是成分中含有微量元素铬（Cr），铬元素在红宝石中形成红色，在祖母绿中形成绿色，在变石中铬元素的能量正好处于红色和绿色之间。因此，宝石的颜色取决于所观察的光源。变石在绿光充足的日光照射下，呈现绿色、蓝色、蓝绿色（图3-9），在红光充足的白炽灯光的照射下，呈现红色、紫红色、褐红色（图3-10），有“白昼里的祖母绿，黑夜中的红宝石”之称，具有猫眼效应的变石，也具有同样的颜色变化（图3-11）。

具变色效应的宝石除变石外，还有蓝宝石、尖晶石、石榴石、碧玺、人造尖晶石变石、人造刚玉变石和人造玻璃变石等。

四、砂金效应

一些透明的宝石内部含有许多星点状的细小固态包裹体，如赤铁矿、铬云母等。由于这些包裹体对光的反射作用较强，而呈现出许多星点状的反光点，酷似水中的砂金，称之为砂金石效应（Aventuresence）。如日光石（图3-12，图3-13），内部包含有大量红色或褐红色的赤铁矿和针铁矿包裹体，且呈长条片状、团块状和不规则状分布，这些内含物在光的照射下反射能力强，随着宝石的转动，能反射出金黄色至褐色调的闪光。

五、变彩效应

宝石特殊的内部结构对光的干涉、衍射作用产生多种颜色，且颜色随着光源或观察角度的变化而变化，这种现象称为变彩（Play-of-Color）。具变彩效应的宝石以欧泊最为典型（图3-14）。

欧泊的化学式为SiO2·nH2O，成分中的SiO2形成直径为150～300nm的圆球，这些圆球在三维空间作规则排列，球粒之间为空气、水或硅质所充填。

由于球体大小与可见光波属同一数量级，形成所谓的空间光栅，当白光进入该空间光栅时，被均匀而规则的球体干涉、衍射，呈现出颜较纯净的光谱色，当转动宝石，即改变入射光角度时，其颜色亦随之改变，产生变彩现象。变彩产生的原因有如下几方面。

1.SiO2球体均匀性

欧泊内部二氧化硅胶体球粒的大小相同，在三维空间紧密地堆积排列。

2.变彩的颜色与SiO2球体大小有关

SiO2球体十分微小，直径约150～460nm之间，其中变彩最佳的SiO2球体直径在220～360nm之间。不同球体直径，呈现的变彩颜色是不同的。

（1）球体直径介于160～200nm之间，出现蓝绿色变彩。

（2）球体直径介于220～360nm之间，出现从红色至蓝色的可见光谱的多色变彩。

（3）球体直径介于370～460nm之间，出现红色变彩。

（4）球体直径小于160nm或大于460nm时，则无变彩出现。

3.光的干涉和衍射产生变彩

光在通过球体间的狭缝时发生衍射，形成一系列颜色。同时当光射入到球体层上时，要发生反射作用，同时在相邻的层面上的反射光也同样反射，这两束反射光线就会由于光程的差异产生光的干涉。一些波长的光加强，另一些波长的光减弱，形成色光的定向反射。随着入射角不同，被加强的光波波长不同，即颜色也不同。因而造成对同一区域，观察角度不同时所显示的颜色不一样，光的干涉和衍射的结果形成了欧泊五颜六色的变彩效应。

六、月光效应

当少数弧面型切工透明或半透明宝石转动到一定角度时，可见宝石表面呈现蓝色、白色的乳白色浮光，类似朦胧的月光，称为游彩蛋白光，又称月光效应（Opalescence）。

月光石具有典型的月光效应（图3-15，图3-16），月光石的月光效应是钾长石中存在的超细钠长石出溶所致，钾长石和钠长石二种矿物成分层状隐晶平行相互交生，两种长石的折射率稍有差异，这种交互的薄层结构对可见光产生散射，当有解理面存在时，可伴有干涉或衍射，长石对光的综合作用使长石表面产生一种蓝色的浮光，而形成月光效应。

如果宝石内含有极细小的分散显微针状包裹体、微洞穴等，当可见光照射宝石后，产生漫反射，也可以所引起的类似的浮光，如天然玻璃（黑曜石）表面的浮光（图3-17）。

七、晕彩效应

由于宝石内部的结构造成宝石表面呈现色彩的现象，称为晕彩效应（Iridecence）。具有典型晕彩效应的宝石有拉长石和珍珠。

（1）晕彩拉长石（图3-18，图3-19）是由两种长石超显微连生体构成的，一种是钠长石；另一种是富钙的斜长石。其特征是当把宝石转动到一定角度时，可见整块样品亮起来，产生蓝色、红色、绿色或橙色的晕彩，即拉长石晕彩（Labradorescence）。最常见的是灰白色的拉长石显示蓝色和绿色晕彩，还可见到橙色、黄色、紫色和红色晕彩。晕彩产生的原因，是由于拉长石聚片双晶薄层之间的光相互干涉所形成的，或由于拉长石内部包含的细微片状赤铁矿包裹体及一些针状包裹体使拉长石内部的光产生干涉形成的。

（2）珍珠呈现的颜色，是其体色、伴色、晕彩三者的中和颜色。珍珠的晕彩指珍珠表面或表面下层形成的可飘移的彩虹色，是叠加在其体色之上的，从珍珠表面反射的光中观察到的，由珍珠次表面的内部珠层对光的反射干涉等综合作用形成的特殊晕彩（图3-20）。

八、薄膜干涉效应

宝石内部有极薄的裂隙面，光线通过裂隙面产生干涉，使裂隙表面呈现七彩色光的光学效应，称为薄膜干涉效应（图3-21）。