哪个是临界角,高能科普文——你完全想不到一颗宝石的内部世界是多么神奇

今天为啥观察宝石的内部世界?这需要从一个新词——Vibrant说起。

2020年,Guild将Vibrant 从尖晶石的颜色评价体系中独立出来,作为一个单独参数来评价。

Vibrant 与颜色是两个独立的评级标准,颜色主要从饱和度、明度和色调等方面进行评价,而vibrant-brilliance是对宝石质量的一项综合评价,综合考虑了宝石的净度、透明度、晶体质量和切工等因素。

那么问题来了

究竟什么样的宝石才能获得Vibrant的评级呢?

要回答这个问题,我们需要不得不从一颗宝石的前世今生说起。

高能科普文——你完全想不到一颗宝石的内部世界是多么神奇

图 1.地球的基本组成部分,宝石常可形成于上地幔与地壳之间

一个晶体,从TA的雏晶诞生的那一刻起就背负了一个使命,那就是长成一个完美的晶体。

然而,周围环境的复杂性、物质来源的不稳定性、生长空间的有限性等,都在宝石生长路上的绊脚石。

我们以祖母绿为例来说明一下这段充满艰辛而又奇特的冒险之旅。

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图 2. 祖母绿的地质形成过程示意图(Gaston et al 2019)

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图 3. 一颗八角形刻面祖母绿

肉眼观察时,我们可以观察到切割后的祖母绿刻面展现出了明亮的外观,浑身散发着“珠光宝气”。

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10倍放大镜下,我们通常可以看到一些轻微的裂隙和少量的气液包体。

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图4. 10倍放大镜下可见裂隙和气液包体

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50倍放大下,我们可以看到一些比较清晰的三相包裹体,这些包体的外部轮廓呈现锯齿状,是哥伦比亚比较典型的产地特征之一。

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图 5. 50倍放大下可见三相包体。

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100倍左右的放大下,我们可以看一些特别细微的生长结构,比如平直的生长纹,偶尔会有一些比较奇特现象发现,有人说像油滴,也有人说像蝴蝶的翅膀,其实是,这些都是细小的六方柱状的祖母绿雏晶。

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图6. 一些高品质祖母绿中偶尔可见油滴效应(蝴蝶效应)

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图7. 油滴效应(蝴蝶效应)生长原理示意图

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如果再放大一下,200倍以上的放大倍数已经超越了我们常规的宝石学显微镜的观察,需要用到矿物学上的偏光显微镜,这时,一些在低倍数下模糊的的气液包体变得更加清晰(图8)。

如果仔细观察,你可以发现这些包体的轮廓近似于一个长方形。这些气液包体通常分布于祖母绿的管道中。

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图8. 200倍下,清晰的二相气液包体

等等,祖母绿里也有管道吗?能不能再放大一下看看?

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如果要更高的放大倍数,那么矿物学的偏光显微镜已经不能胜任了,需要使用物理学中的扫描电镜(SEM)或透射电镱(TEM),这些设备可以放大到数万倍,直至纳米级别。

宝石的成长之路从TA诞生的那一刻开始就注定充满了艰辛,和荆棘。外表看似完美的晶体,TA的内心也有不少的坎坷和与不易。

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图9. 绿柱石的微观结构 TEM (Arivazhagan et al., 2016)

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图 10 绿柱石的微观结构(Arivazhagan et al., 2016)

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接下来,就到光与宝石的相互作用了,了解一下光与宝石之间的那些事儿。

光与宝石相遇时,幻化出了一幅妙不可言的画面。让我们来细数一下这其中的奥秘。

1.表面反射Surface reflection

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图11.表面反射示意图

表面反射的光越多,宝石的光泽看起来会越强。

2.折射Refraction

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图12.光在宝石中的折射路径演示

这里不得不提到一个非常关键的参数:折射率!

什么是折射率?

折射率是指。。。。。。

说人话

折射率越高,光走的越慢。

例如,太空中的环境接近于真空,折射率为1,光走的最快,

地球的空气的折射率约为1.00029, 光走的略慢一些,

我们常见的液态水的折射率为1.33,

水晶:1.54-1.55

碧玺:1.62-1.64

尖晶石:1.71-1.72

蓝宝石:1.76-1.77

钻石:2.417

我还是不太明白折射率到底怎么回事?

那好,你还记得当年的哈利波特吗?对,就是那个空手打败大魔王伏地魔的小男孩儿。

波特家祖传的宝贝—隐身衣是讲解折射率很好的例子。我们可以看见某个物体,是因为物体跟周围的空气的折射率不一致所致。

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冰在空气中容易被观察到,但是把冰放到水里就不那么容易找到了。

所以,再想想看,钻石为什么那么闪?应该是因为光在钻石里面走的慢吧。

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钻石(图源网络)

3.内反射 Internal reflection和全内反射 Total internal reflection

什么是全内反射?

全内反射是指当光从宝石射向空气时,随着入射角的变化,当入射角达到一些临界角时,光不再发生折射,而是以反射光的形式继续传播。临界角的数值在各类宝石中都不太相同,它与宝石的折射率有着直接的联系。

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图13. 一颗火彩极佳的蓝宝石

全内反射对宝石到底有多重要?

没有全内反射,我们就看不到火彩!

没有火彩的宝石,可能失去了一些别致的味道。

当然,还有很多的其它的现象会发生,比如,漫反射、偏振化,选择性吸收等等。尽管光与宝石相遇时所发生的现象已经大部分为我们所知,但仍然有一些未解之迷。例如,Usambara 效应,指的是同样的光,经过宝石时,宝石的颜色会随着光进入宝石的深度为发生改变。

经过以上这一番从地球深部到晶体结构,相信大家对宝石生长的经历有了比较宏观的认识;

从光折射、反射至漫反射和选择性吸级,相信大家已经了解到了宝石切工对光在宝石中传播的重要性。

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图14. 被评级为vibrant的祖母绿

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图15. 被评级为vibrant的尖晶石

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所以,当我们在谈论Vibrant的时候究竟在谈论什么?

有人说是从宝石中返回的光,但又不仅仅是光;

也有人说是宝石的火彩,但又不仅仅是火彩

我们谈论的是宝石的净度,但又不仅仅是净度

我们可能认为是宝石良好的切工,但又不仅仅是切工;

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图17.GUILD祖母绿Vibrant报告模板

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图18.GUILD祖母绿Vibrant报告模板附页

似乎有些像极了爱情,无法用言语言说,但是我们的心却可以强烈感受到。

也罢,这也许正像雷蒙德·卡佛在他的小说集《当我们谈论爱情时我们在谈论什么》中所讲述的那样,人们的生活中总是会充满了窘困和不如意,而宝石的生长又何尝不是?

追求完美的历程,也许会比较艰辛,资深的宝石收藏家更加懂得另外一个道理,没有十全十美的宝石,更多的是取舍。

我们谈论的是宝石材料本身的质量,这些源于宝石整个的生长历程,包括宝石的净度、透明度、晶体生长质量。

我们谈论的是光在宝石传播的路径,而这一些路径需要结合宝石自身的特性(比如折射率等)通过合适的切工来呈现。

参考文献

Giuliani, Gaston & Groat, Lee. (2019). Geology of Corundum and Emerald Gem Deposits: A Review. Gems & Gemology. 55. 10.5741/GEMS.55.4.464.

Arivazhagan, V & Schmitz, Fabian & Vullum, Per Erik & Helvoort, A. & Holst, Bodil & Valluvar Oli, Arivazhagan. (2016). Atomic resolution imaging of beryl: An investigation of the nano-channel occupation. Journal of microscopy. 265. 10.1111/jmi.12493

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