第五节 可见光分光镜
一、分光镜的工作原理
分光镜的工作原理是利用色散元件（三棱镜或光栅）将白光分解成不同波长的单色光，且构成连续的可见光光谱。当入射的白光由分光镜狭缝进入后，经过准直透镜便形成一束平行光。当它进入色散系统时，由于光的色散作用，这束白色的平行光，按照光的波长分解成为连续的可见光谱色带——红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。
宝石中所含的各种色素离子（过渡族元素、某些稀土元素、放射性元素）对可见光光谱具有不同程度的选择性吸收。宝石的光谱中的吸收带、吸收线都具有固定的吸收位置，这一特点可用来鉴定宝石品种，帮助判断宝石致色的原因。
二、分光镜的种类
分光镜（Spectroscope）按其色散元件的不同可分为棱镜式和光栅式两种类型。
棱镜式分光镜特点是：光谱的蓝紫区相对拓宽，红光区相对压缩，红光区的分辨率比蓝光区的差，但是其透光性好，视域较明亮。
衍射光栅式分光镜特点：所产生光谱各色区大致相等；红光区分辨率比棱镜式要高；透光性差，需要强光源照明。
根据其结构特点，可分为手持式分光镜和台式分光镜两种。
1.手持式分光镜
手持式分光镜（Hand-held spectroscope）通常为棱镜式，其外壳为金属管或塑胶管，长约7～10cm，直径1.5～2cm。手持式分光镜中没有光波的刻度尺，所观察到的只是一条连续的可见光光谱带（图4-21、图4-22）。
图4-21 常用的手持式分光镜
图4-22 手持式分光镜及结构示意图
E—眼睛；T—棱镜组；L—透镜；S—狭缝
2.台式分光镜
台式分光镜（Desk model spectroscope）由一组棱镜、透镜、目镜、狭缝板、狭缝调节装置、滑管、波长标尺和光纤玻璃照明光源及其配套装置等组成。包括内藏可调光源，辅助光纤玻璃照明光源、分光器，观察镜筒和固定支架等部分（图4-23）。
图4-23 台式分光镜
三、分光镜的操作方法及步骤
根据宝石的颜色深浅和透明程度调节透射光的照射亮度，或选择不同的照明方式。操作时，将擦拭干净的宝石置于样品台上或用宝石夹子夹住宝石。
1.台式分光镜
对于透明到半透明的宝石，光源的照射方式适用于透射法［图4-24（a）］，具体操作步骤如下。
图4-24 分光镜的照明方式示意图
①将宝石置于锁光圈上，根据宝石的大小调节锁光圈的开孔，仅让透过宝石的光线进入分光镜。若要改变宝石的方向应使用宝石夹。
②调节光源的位置和距离以使更多的光线透过宝石。
③通过变阻开关调节光源的强度。浅色宝石用低强度，深色或半透明的宝石用高强度。
④完全闭合分光镜的狭缝，然后慢慢打开，直至能看到完整的光谱。通常在狭缝近于完全闭合的瞬间最易观察吸收光谱。对于透明宝石，狭缝要近乎完全闭合；而对于半透明宝石，狭缝则要开大些。
观察时先调节分光镜的焦距，下降滑管，紫光波段吸收谱清晰；反之红光范围波段吸收谱明显。调节分光镜进光狭缝和显微镜筒焦距，观察短波长的紫光区吸收光谱时，慢慢升镜筒；若观察长波长的红光区的吸收谱线时，则缓缓下降镜筒。
⑤调节观察目镜，使光波刻度尺准确聚焦。观察、记录宝石的吸收光谱。
对于不透明或透明度差、颜色深的宝石，光源的照射方式适用于表面反射法［图4-24（b）］，具体操作步骤如下。
①将宝石样品置于锁光圈或宝石夹上，应以无反射的黑色为背景。
②调节光源的位置和距离以使从宝石表面反射出来的光线更多地进入分光镜中。
③按透射法所述步骤，调节分光镜的狭缝和滑管的焦距。
④观察、记录宝石的吸收光谱。
对于颜色浅、颗粒小的透明宝石，光源的照射方式适用于内反射法［图4-24（c）］，具体操作步骤如下。
①将宝石样品台面向下置于锁光圈或无反射的黑色背景上。
②调节光源的位置和距离，使光线从宝石的斜上方射入并从宝石台面的内表面反射出来后再进入分光镜中。
③按透射法所述步骤调节分光镜的狭缝和滑管的焦距。
④观察记录宝石的吸收光谱。
2.手持式分光镜
使用手持式分光镜，测定宝石吸收光谱的操作步骤如下。
①采用强光源——光纤灯对透明的宝石，使光透过宝石后进入分光镜狭缝；若宝石颜色深、透明度差，也可以将光源斜照宝石，使光从宝石表面反射后进入分光镜狭缝。
②用手平稳地持住分光镜（或者用1个支架分别固定分光镜和光源），置于所测宝石前几毫米处。
③眼睛从窗口观察记录宝石的吸收光谱并记录。
四、分光镜的主要用途及局限性
1.分光镜的主要用途
分光镜所观察的宝石吸收光谱对宝石鉴定有很大的作用。主要表现在以下几个方面。
①帮助确定具有典型吸收光谱的宝石名称。如锆石653.5nm典型吸收线具有鉴定意义。
②帮助确定宝石中的致色元素，宝石中微量的致色元素产生的吸收带、吸收线都有较为固定的位置，可根据宝石显示的吸收光谱特征来判断宝石的致色元素。如红宝石、祖母绿显示由铬致色的谱线：橄榄石显示由铁致色的谱线；磷灰石显示由稀土元素致色的谱线；合成蓝色尖晶石显示由钴致色的谱线等。
③帮助区分某些天然宝石与合成宝石。如合成蓝色尖晶石显示典型钴的吸收谱线；合成祖母绿中铬含量大于天然祖母绿中的铬元素含量，导致合成祖母绿在477nm具有明显的吸收线。
④帮助区分某些天然宝石与人工处理宝石。如天然绿色翡翠红区690nm、660nm、630nm显3条阶梯状吸收谱；染色翡翠（人工处理）则在红区显示模糊的吸收带。
⑤帮助区分某些宝石与仿宝石。如红宝石显示铬的吸收谱线，而红玻璃显示稀土元素的吸收谱线；祖母绿显示铬的吸收谱线，而绿色钇铝榴石显示稀土元素的吸收谱线。
2.分光镜的局限性
在宝石鉴定中，虽然使用分光镜观察宝石的吸收光谱，可以帮助区分某些天然宝石和合成宝石，但不是对所有的天然宝石与合成宝石的鉴定都有效。如天然红宝石与合成红宝石具有相似的吸收光谱。此外，观察宝石的吸收光谱，需要有很强的光源照明，在某些场合也限制了分光镜的使用。