第五节　宝石的折射率和色散值

一、折射与折射率

1.折射

光在真空中的传播速度为299550km/s；但在其他介质中传播时则速度会有不同程度的下降。当光从一种介质传播到另一种介质，其传播方向也会相应发生改变，在两种介质的界面上将产生反射（Reflection）和折射（Refraction）现象，反射光按反射定律返回介质，折射光按折射定律进入另一种介质。将装有水的杯中放一根吸管，光在水的界面上产生折射（图3-22）。

2.折射率

折射定律：由于光在不同的介质中的传播速度不同，介质分界面上光发生不同程度的折射进入第二种介质；对于给定的任何两种相接触的介质及给定波长的光来说，入射角的正弦与折射角的正弦之比为一常数，该比值称为折射率（Refractive index，RI）。折射率对各种材料而言，是一个固定的值。通常把空气折射率Ni近似看作1，因此实际上一般以空气中的光速与某介质中的光速之比作为该介质的折射率，即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。

折射率N=sini/sinr=光在空气中的传播速度Vi／光在介质中的传播速度Vr=常数。

式中　Vi——光在入射介质中（光疏介质Ⅰ）的传播速度，i为入射角；

Vr——光在折射介质中（光密介质Ⅱ）的传播速度，r为折射角；

N——折射介质对入射介质的折射率。

从上式也可以看出，折射率值的大小与光在介质中的传播速度的快慢呈反比关系，光在介质中的传播速度越快，折射率越小。宝石折射率的大小取决于光波在该介质中的传播速度。晶体中光的传播速度总是小于空气中光的传播速度，因而晶体的折射率总是大于1。

在宝石鉴定中，虽然无法测量光在介质中的传播速度，但已知入射角和折射角，通过上述公式的计算，就可得出宝石的折射率。

各种宝石都有其特征的折射率，不同的宝石品种，光进入后的传播速度不同，折射率值就不同，所以，宝石的折射率是宝石鉴定的最重要特征之一。折射率可以精确地直接用折射仪测定，镶嵌在首饰上的宝石也能测定。

二、光的全反射和临界角

当光线从光密介质进入光疏介质时，光线偏离法线折射，折射角大于入射角；当光线的入射角继续增大，折射角等于90°时，折射光线沿两介质的界面通过，此时相应的入射角称为全反射临界角（θ），得出下列公式：

当光线的入射角继续增大，大于临界角时，入射光不再发生折射，而是全部反射回到入射介质中，且遵循反射定律，反射角（r）=入射角（i），这一现象称为光的全反射（图3-23）。

三、色散和色散率

1.色散

当白光通过一个透明材料的倾斜小面时，分解成光谱色（七种波长不同的单色光——红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色）光的现象（图3-24），称为色散（Dispersion）。

透明的宝石都会不同程度地产生色散，因色散而产生的七色彩虹俗称“火彩”（Fire），一些宝石的色散现象较为明显，容易让人感知，而有些宝石的色散现象不明显，不容易让人感知，这是由于宝石的色散能力不同所致。

2.色散率

表示宝石色散能力强弱的物理量称为色散率（Dispersion power）。

在宝石学中，把宝石放在波长为686.7nm的红光和波长为430.8nm的紫光下进行折射率测定，这两种波长分别为弗朗霍夫（Fraunhofer）谱线中的B线和G线，其折射率之差称为色散度（或色散值）。它表示宝石的色散强弱，一般色散值在0.03以上者，其色散就非常明显。如钻石的色散值为：2.451-2.407＝0.044，差值越大色散越强。色散作为宝石肉眼鉴定的特征之一，在高折射率的无色宝石鉴定中有着重要的作用。如有经验的宝石鉴定师可以通过色散的强弱区分钻石和合成立方氧化锆。除了帮助鉴别宝石之外，高色散使宝石增添了无穷的魅力。彩色宝石的色散往往被自身的颜色所掩盖，而表现得并不十分明显，但是高色散值同样可以为彩色宝石增添光彩。常见宝石的色散值，见表3-3。