1、第五章 礦物的物理性質(zhì) 前言 礦物的物理性質(zhì)取決于礦物本身的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 不同種礦物，由于其成分和結(jié)構(gòu)不同，物理性質(zhì)不同，可以借助物理性質(zhì)的差異來識(shí)別礦物。 不同礦物其形成條件不同，其物理性質(zhì)往往發(fā)生微細(xì)的變化，為此可為人們提供礦物成因方面的信息。,礦物的物理性質(zhì)有著廣泛的應(yīng)用：如利用剛玉的高硬度作為研磨材料；利用石英的壓電性在電子工業(yè)中作振蕩元件，重晶石因密度大可作為鉆井泥漿的加重劑。 隨著近代科學(xué)的發(fā)展，礦物廣泛地進(jìn)入了新的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是某些尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，都需要具有某些具有特殊性能的礦物材料。 如冰洲石因可獲得偏振光而成為激光的偏光材料;石墨因相對(duì)密度小，耐高溫，在航空、航

2、天工業(yè)用作輕質(zhì)材料。因此，研究礦物的性質(zhì)將大大促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和高科技的發(fā)展。,一、礦物的光學(xué)性質(zhì) 礦物的光學(xué)性質(zhì)指礦物對(duì)光線的吸收、反射和折射時(shí)所表現(xiàn)的各種性質(zhì)，以及由礦物晶體裂隙引起的光線干涉和散射等現(xiàn)象。 其光學(xué)性質(zhì)包括礦物的顏色、條痕、光澤和透明度等。 1礦物的顏色 礦物的顏色最明顯、最直觀，對(duì)可見光進(jìn)行選擇性吸收是礦物呈現(xiàn)顏色的主要原因。,可見光波波長約在390一760nm之間，波長由長至短依次顯示紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等色；可見光的混合色就是白色。 不同顏色的光波，用不同波長來表示，單位為納米(nm） ，或用波數(shù)(cm-1)表示；如果以能量表示時(shí)，則用電子伏待(ev)表示。 波數(shù)是

3、每厘米波長的數(shù)目，其數(shù)值等于波長的倒數(shù)。以波數(shù)表示波長時(shí)，可以直接轉(zhuǎn)換為能量單位。 1cm-12.859cal=1.2410-4eV(1cal=4.1868J）; 1ev=8066cm-1=1.60218910-19J)。,2、礦物的呈色機(jī)理 礦物受白光照射時(shí)，對(duì)光產(chǎn)生吸收、反射和透射等各種光學(xué)現(xiàn)象。 如果礦物對(duì)光全部吸收，礦物呈黑色； 如果礦物對(duì)白光中所有波長的色光均勻吸收，則礦物呈灰色，基本上都不吸收則為無色或白色。 如果礦物只選擇吸收某些波長的色光，而透過或反射出另一些色光，則礦物就呈現(xiàn)相應(yīng)顏色。 礦物所吸收的顏色和觀察到的光的顏色之間存在互補(bǔ)關(guān)系（如表H一41）。,3、礦物的呈色機(jī)理

4、（1）過渡金屬離子內(nèi)部的電子躍遷 含過渡型離子的礦物呈色的主要方式。 在過渡金屬元素的晶體結(jié)構(gòu)中，陽離子都具有未填滿的d或f電子亞層。（鐵電子構(gòu)型: 1s2 2s22p6 3s23p63d6 4s2） 過渡金屬離子周圍的配位陰離子(配位體)可視為點(diǎn)電荷，在這些點(diǎn)電荷的靜電場作用下，原來屬于同一能級(jí)的d或f亞層將發(fā)生分裂，使離子外層電子軌道重新排列，為維持新的軌道狀態(tài)，需要吸收一定波長的可見光，晶體因此呈色。,注解： 1.在這個(gè)過程中，電子是在同一個(gè)離子的內(nèi)部軌道間的躍遷(即d-d躍遷或f-f躍遷)，并不是從一個(gè)離子向另一個(gè)離子躍遷，故稱離子內(nèi)部的電子躍遷。 實(shí)例：紅寶石(含鉻的剛玉A12O3)

5、，在其晶體結(jié)構(gòu)中，A13+被Cr3+代替，Cr3+在畸變的八面體中受到配位陰離子O2-的作用，發(fā)生d-d躍遷，其能量差相應(yīng)于籃綠色光所具有的能量，自然光照射時(shí)，吸收藍(lán)綠色光，故呈紅色。 2. 過渡型元素主要是Ti、 Cr、 V、Mn、Fe、Co、Ni)，及Cu、TR和U等離子，都可使礦物呈色，故稱色素離子。,注解：1.同種離子在不同礦物中可呈不同顏色。這是因?yàn)檐壍婪至旬a(chǎn)生的分裂能不僅取決于過渡型金屬離子的種類，而巳與周圍陰離子的種類以及由這些陰離子組成的配位多面體的形狀有關(guān)。 2.惰性氣體型離子所構(gòu)成的礦物，通常無色。這是因?yàn)槎栊詺怏w型離子的P軌道同其最鄰近的空軌道間的能量差值遠(yuǎn)比可見光的能量

6、為大，其電子在可見光能量的作用下，不能被激發(fā)，不發(fā)生躍遷，從而可見光不能被吸收，因此礦物無色。,(2)離子間的電子轉(zhuǎn)移 在礦物晶體結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成共同分子軌道的離子之間在一定能量光波作用下，電子可以從一個(gè)離子軌道躍遷到另一個(gè)離子軌道上，這種發(fā)生在不同離子之間的電子躍遷稱為電子轉(zhuǎn)移(或電荷轉(zhuǎn)移)。 伴隨著電子轉(zhuǎn)移，礦物對(duì)可見光有很強(qiáng)的吸收，使礦物呈現(xiàn)不同的顏色。 實(shí)例： 藍(lán)閃石晶體中存在著金屬離子Fe2+和Fe3+之間的電子轉(zhuǎn)移而呈藍(lán)色；石墨晶體結(jié)構(gòu)中碳原子組成的六方網(wǎng)層，層內(nèi)電子可以或多或少地自由轉(zhuǎn)移，造成強(qiáng)的光吸收呈黑色。,(3)能帶間的電子躍遷-帶隙躍遷 根據(jù)能帶理論，晶體中的電子按照能量高低

7、不同分別位于各能帶中，其描述的能帶模型有兩種： 其一，能帶的下部被電子占滿，為滿帶（或稱價(jià)帶），能量較低； 能帶的上部沒有被電子占滿，為導(dǎo)帶，其中的電子能量較高； 二者之間是禁帶，禁帶的寬度隨礦物的鍵性不同而不同; 其二，價(jià)帶與導(dǎo)帶部分重疊，中間沒有禁帶。,當(dāng)自然光通過礦物時(shí)，礦物吸收能量，電子從滿帶向?qū)кS遷，所需的能量取決于禁帶的寬度，即滿帶頂部與導(dǎo)帶底部間的能量差，（能量間隔），以Eg表示。 不同礦物由于禁帶寬度不同而呈現(xiàn)各種顏色。,當(dāng)?shù)V物禁帶寬度窄(Eg 1.77eV)，甚至價(jià)帶與導(dǎo)帶重疊（Eg 0ev）時(shí)，能量間隔均比可見光的能量小?？梢姽庵械母鞣N色光都可以使電子躍遷，各種波長的可見

8、光被大量吸收，礦物不透明。,躍遷到導(dǎo)帶上的電子不穩(wěn)定，又極易回到滿帶上，返回時(shí)電子的大部分能量以可見光的形式輻射，此時(shí)礦物具有很強(qiáng)的反射能力，使晶體具有金屬顏色和金屬光澤。 如果礦物對(duì)各種色光大致均勻地吸收并再輻射時(shí)，根據(jù)反射率大小不同，分別可呈現(xiàn)銀白、錫白、鋼灰、鉻灰、鐵黑等金屬顏色。 實(shí)例：自然金屬元素的Eg 0ev，如自然金、自然銅；部分硫化物(如黃鐵礦、方鉛礦) Eg 1.7eV。,當(dāng)?shù)V物禁帶寬度中等(1.773.10ev)時(shí)，能量間隔在可見光區(qū)范圍內(nèi)，礦物可選擇吸收能量比自身Eg大的各種色光，使電子躍遷而呈色。 如辰砂Eg 2.0 ev，能選擇吸收黃、綠、青、藍(lán)、紫色光，透過橙、紅色

9、光而呈紅色。 當(dāng)?shù)V物禁帶寬度大(Eg 3.10ev)時(shí)，其能量間隔比可見光的能量大。 在正常情況下，可見光范圍內(nèi)的能量都不能使電子躍遷，光不能被吸收而大部分透過，礦物呈無色透明， 如無色透明的金剛石，其Eg 5.5ev。,辰砂,辰砂世界,注解：對(duì)于某些純凈的礦物，由于能帶間隔較大，本身不呈現(xiàn)顏色，但如果含有雜質(zhì)元素(激活劑)，在禁帶中可形成局部能級(jí)，降低其能帶間隙，使礦物顏色發(fā)生變化。 實(shí)例：如金剛石含N時(shí)呈黃色，含B時(shí)則呈藍(lán)色。 (4)色心 由于各種物理-化學(xué)因素的影響，在晶體局部范圍內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)的排列偏離嚴(yán)格的周期性重復(fù)規(guī)律，形成晶格缺陷。 色心概念：晶體中能選擇吸收可見光而使晶體呈色的點(diǎn)缺陷

10、稱色心。色心的類型很多，最常見是F心和V心。,F心 F心是晶體結(jié)構(gòu)中由于陰離子缺位而引起的。陰離子缺位時(shí)，空位成為一個(gè)帶正電荷的中心，它能捕獲電子，并將之束縛于該空位，該種電子呈激發(fā)態(tài)，能吸收某種波長的色光而使晶體呈色。 因此，F(xiàn)心是由一個(gè)陰離子空位和一個(gè)受此空位電場束縛的電子構(gòu)成，又稱電子心。,F心是由一個(gè)陰離子空位和一個(gè)受此空位電場束縛的電子組成，又稱為電子心。螢石就是由于存在F心而呈紫色。,螢石,V心 晶體結(jié)構(gòu)中由于陽離子缺位而產(chǎn)生。 晶體中缺少一個(gè)陽離子，等于附近增加了一個(gè)負(fù)電荷，附近一個(gè)陰離子必須成為“空穴”才能保持靜電平衡。 因此，V心是由一個(gè)陽離子空位捕獲一個(gè)“空穴”所組成，又稱

11、空穴心，是F心的反型體。 注解1 ： 在同一種礦物晶體中，如果同時(shí)存在不同的色心，且數(shù)量亦不相同時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生不同的顏色，故一些晶體可呈現(xiàn)多種顏色，如螢石。,螢石,注解2 由于礦物的成分、結(jié)構(gòu)、鍵型非常復(fù)雜，引起礦物顏色變化的因素也是非常復(fù)雜，礦物的顏色往往是多種呈色機(jī)理所產(chǎn)生的總效應(yīng)。 實(shí)例：藍(lán)寶石的藍(lán)色（含少量鐵、 鈦的剛玉），其藍(lán)色機(jī)理是d-d躍遷和離子間的電子轉(zhuǎn)移綜合作用引起的。,(5)物理光學(xué)效應(yīng) 由于光的反射、干涉等物理因素能使礦物呈色，包括暈色、錆色、變彩等。 暈色 某些透明礦物的表面常呈現(xiàn)出一種彩虹般的色帶稱為暈色； 實(shí)例：云母、方解石、石英。這主要由于透明礦物內(nèi)部的解理面或裂隙

12、面對(duì)光連續(xù)反射，引起光的干涉而產(chǎn)生的。 錆色 某些不透明礦物，因風(fēng)化表面產(chǎn)生氧化薄膜，引起反射光的干涉作用，使礦物表面呈現(xiàn)各種顏色稱為錆色。 實(shí)例：斑銅礦具有獨(dú)特的、色彩斑駁的藍(lán)、綻、紫色，可作為鑒定特征。,變彩 某些透明礦物由于內(nèi)部有微細(xì)的葉片狀包裹體，對(duì)光發(fā)生反射和干涉，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)或沿不同角度觀察，可呈現(xiàn)不同顏色的變化稱為變彩。 注解： 1.在礦物學(xué)中，礦物的顏色分為自色、他色、假色。 自色是指由礦物本身固有的成分、結(jié)構(gòu)所決定的顏色。 他色是由礦物中含的機(jī)械雜質(zhì)、氣液包裹體（紅色方解石）等所引起的顏色。 假色是由物理光學(xué)效應(yīng)而產(chǎn)生的顏色，如上所述的暈色、錆色、變彩等。,你知道么？ 石英（紫色

13、、煙黃色、煙褐色、玫瑰色 煙灰色黑色）石英因粒度、顏色、包裹體等的不同而有許多變種。 無色透明的石英稱為水晶， 紫色水晶俗稱紫晶， 煙黃色、煙褐色至近黑色的俗稱茶晶、煙晶或墨晶，玫瑰紅色的俗稱芙蓉石； 呈腎狀、鐘乳狀的隱晶質(zhì)石英稱石髓， 具不同顏色同心條帶構(gòu)造的晶腺叫瑪瑙， 瑪瑙晶腺內(nèi)部有明顯可見的液態(tài)包裹體的俗稱瑪瑙水膽， 細(xì)粒微晶組成的灰色至黑色隱晶質(zhì)石英稱燧石，俗稱火石。,2礦物的條痕 礦物的條痕是指礦物新鮮表面在白色無釉瓷板上刻劃后，留下的粉末顏色。 注解1 礦物的條痕可以消除假色，減弱他色，比礦物顏色更穩(wěn)定。在鑒定各種彩色或金屬色礦物時(shí)，條痕色是重要的鑒定特征之一。 注解2 對(duì)淺色礦

14、物，條痕色皆為白色或灰白色，則毫無鑒定意義。 注解3 有些礦物由于類質(zhì)同象混入物影響，會(huì)使條痕發(fā)生變化。 根據(jù)條痕色的微細(xì)變化，可大致了解礦物成分。,礦物的顏色,3. 礦物顏色的描述方法 1）采用標(biāo)準(zhǔn)色譜描述 使用紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫以及白、灰、黑色描述礦物的顏色，或根據(jù)實(shí)際情況加上形容詞，如淺綠色、墨綠色等； 2）類比描述法 與常見實(shí)物的顏色相類比： 如描述具有非金屬光澤礦物的顏色時(shí)用桔紅色、橙黃色、孔雀綠。 描述具有金屬光澤的礦物顏色時(shí)，常與金屬的顏色類比：如錫白色、鉛灰色、銅紅色、金黃色等；,3）混合色描述法（二名法） 因有很多礦物往往呈現(xiàn)兩種顏色的混合色，可用兩種色譜的顏色來命名，主

15、要顏色寫在后面，次要色調(diào)寫在前面，如黃綠色，以綠色為主。 注意： 在顏色描述過程中，應(yīng)注意區(qū)分新鮮面與風(fēng)化面的顏色，應(yīng)著重觀察和描述新鮮面上的顏色：區(qū)分金屬色與非金屬色。,4礦物的透明度 礦物的透明度是指礦物透過可見光的程度。 礦物透射系數(shù)（Q）：設(shè)投入礦物的光線強(qiáng)度為I，當(dāng)透過1cm厚的礦物后，其透射光強(qiáng)度為I0，則I。I的比值稱為透射系數(shù)。 注解：關(guān)于礦物的透明度 透射系數(shù)大，礦物透明；反之，礦物半透明或不透明。 礦物的透明與不透明是相對(duì)的；在研究礦物透明度時(shí)，應(yīng)以同一厚度為準(zhǔn)。 根據(jù)礦物在巖石薄片(其標(biāo)準(zhǔn)厚度為0.03mm)中的透光程度，礦物的透明度可分為：,透明 ： 礦物在0.03mm

16、厚的薄片上能透光，如石英、長石、角閃石。 半透明 : 礦物在0.03mm厚的薄片上透光能力較弱，如辰砂、錫石。 不透明 :礦物在0.03mm厚的薄片上不能透光，如方鉛礦、黃鐵礦、磁鐵礦。 礦物的透明度取決于礦物的化學(xué)成分和內(nèi)部價(jià)鍵類型。 礦物中的包裹體、氣泡、雜質(zhì)、裂隙及礦物的集合方式等也影響礦物的透明度。,對(duì)于不透明礦物；,對(duì)于透明礦物，吸收系數(shù)(K)很小，可略去不計(jì)，故,5礦物的光澤 指礦物表面對(duì)光的反射能力，用反射率（R）表示。反射率：指反射光強(qiáng)度(IR)與垂直入射到礦物光面時(shí)的光強(qiáng)度(I。)的比值，即R=IRI。 1）礦物反射率的計(jì)算方法 其大小主要取決于折射率(N)和吸收系數(shù)(K)的

17、大小,2） 礦物光澤的分級(jí) 根據(jù)反射率的大小，光澤分為四級(jí)，即金屬光澤、半金屬光澤、金剛光澤和玻璃光澤，后三者又統(tǒng)稱為非金屬光澤。 各光澤等級(jí)的具體特征如下： 金屬光澤 R25，呈金屬般光亮。條痕黑色、灰黑、綠黑或金屬色，不透明。,半金屬光澤 R2519，呈弱金屬般的光亮，不透明。條痕深彩色(棕色、褐色)。如鉻鐵礦、黑鎢礦。 金剛光澤 R1910，如同金剛石般的光亮。條痕為淺色(淺黃、桔黃、桔紅)或無色，透明-半透明。 如金剛石、辰砂、雌黃。 玻璃光澤 R10-4，如同玻璃般的光亮。條痕無色或白色，透明。如石英、長石、方解石。,注解：礦物表面的光滑程度和集合方式不同，會(huì)使光澤發(fā)生變化。如果礦物

18、表面不平整或因集合體的影響，使光產(chǎn)生多次的折射和散射，形成一些特殊的光澤，其光澤類型一般可與一些實(shí)物類比。如： 珍珠光澤 礦物光澤如同珍珠表面或蚌殼內(nèi)壁那種柔和的光澤，如石膏、云母的極完全解理面上具有珍珠光澤。 絲絹光澤 透明礦物呈纖維狀集合體時(shí)，表面呈絲絹狀光澤。 如石棉、纖維石膏等。,油脂光澤、松脂光澤和瀝青光澤 無色透明的礦物其斷口具油脂光澤，如石英； 黃色-黃褐色礦物其斷口為松脂光澤，如雄黃； 黑色礦物的斷口則為瀝青光澤，如鈾礦。 土狀光澤 一般是粉末狀或土狀集合體的礦物，表面光澤暗談如土 如高嶺石、褐鐵礦等。,6.礦物的發(fā)光性 發(fā)光性是指礦物受外來能量激發(fā)，發(fā)出可見光的性質(zhì)。 根據(jù)發(fā)

19、光激發(fā)源不同，分為： 光致發(fā)光，如可見光、紅外光和紫外光等激發(fā)； 陰極射線發(fā)光，如電子束激發(fā)； 輻射發(fā)光，如x射線、射線等激發(fā)； 熱致發(fā)光，如熱能激發(fā)； 其它激發(fā)源：電致發(fā)光，摩擦發(fā)光，化學(xué)發(fā)光等。 根據(jù)發(fā)光持續(xù)時(shí)間長短分為熒光和磷光。 發(fā)光體一旦停止受激，發(fā)光現(xiàn)象立即消失，稱為熒光； 如果停止激發(fā)后，發(fā)光體仍持續(xù)發(fā)光則稱為磷光。 能發(fā)出熒光或磷光的物體分別為熒光體或磷光體。,發(fā)光機(jī)理 礦物發(fā)光機(jī)理主要與礦物中的晶體缺陷和雜質(zhì)元素有關(guān)。 晶格缺陷稱之為“陷井”；能引起礦物發(fā)光的雜質(zhì)元素稱激活劑。 注解： 1.激活劑大都是過渡金屬元素，其中尤以稀土元素和某些錒系元素最為重要。表示方法：如CaCO

20、3：Mn2+。 2.大多數(shù)組分純凈的礦物不發(fā)光，只有在含有微量(小于1)的雜質(zhì)元素時(shí)才能發(fā)光。礦物發(fā)光機(jī)制可以用能帶理論解釋。,發(fā)光機(jī)理 組分純凈的礦物，由于晶體的價(jià)帶和導(dǎo)帶間能量間隔較大，大于可見光的能量，因而電子受激躍遷所需的躍遷能較大，都大于可見光的能量，因而不發(fā)射可見光。 當(dāng)晶體中存在激活劑時(shí)，它們將在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間產(chǎn)生新的局部能級(jí)，這時(shí)，如同在禁帶中架起一個(gè)能級(jí)“階梯”，使躍遷電子得以逐級(jí)回跳。 在回跳過程中，電子所具有的額外能量以可見光的形式釋放出來，晶體便產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。,熒光磷光的產(chǎn)生機(jī)理 熒光產(chǎn)生機(jī)理 如果礦物中含有激活劑，晶體在禁帶中靠近滿帶頂部附近形成一個(gè)附加能級(jí)(如圖a）

21、。 當(dāng)晶體受高能輻射時(shí)，在滿帶或局部能級(jí)的部分電子因受激進(jìn)入導(dǎo)帶(躍遷1和2) 。 受激電子在導(dǎo)帶中不穩(wěn)定，很快又跳回滿帶或局部能級(jí)，并釋放出相當(dāng)于可見光的能量，產(chǎn)生一種很短時(shí)間的發(fā)光現(xiàn)象，這就是熒光。,磷光 某些礦物中的激活劑，在禁帶中靠近導(dǎo)帶附近形成一個(gè)附加能級(jí)(44b)。當(dāng)晶體受激時(shí)，滿帶電子除躍入導(dǎo)帶外(躍遷1)，還有可能躍入局部能級(jí)中(躍遷2)，被晶體缺陷(陷井)所滯留； 被滯留的電子受到熱和光的激發(fā)，可以從陷井中釋放出來，再躍進(jìn)導(dǎo)帶(躍遷3)。 當(dāng)輻射停止后，由于陷井類型和一些雜質(zhì)的影響，位于導(dǎo)帶的電子還持續(xù)不斷地回到滿帶，并與其空穴復(fù)合(躍遷4)，伴隨著這種復(fù)合,不斷發(fā)射出一定波長的可見光，這就是磷光。,滿帶,導(dǎo)帶,導(dǎo)帶,滿帶,禁帶,禁帶,你知道么？ 關(guān)于“夜明珠”的小知識(shí) 自然界的礦物種類數(shù)以千計(jì)，其中有二十多種礦物，在外來能量的激發(fā)下，能發(fā)出可見光。 所謂“夜明珠”是指在外來能量的激發(fā)下，能發(fā)出可見光的一種物質(zhì)，發(fā)出的光稱“磷光”，其發(fā)光原理與礦物晶體中微量雜質(zhì)有密切關(guān)系。 夜明珠的主要材料有螢石、方解石和一些鉆石，其中螢石最為常見 。,夜明珠”指在黑暗中，人眼能明視的，天然的、能自行發(fā)光的珠寶。 在古代“夜明珠”又稱“夜光璧”，“明月珠”等。著名“夜明珠”有“隨珠”、“懸黎”、“重棘之璧”、“石磷之玉”等。 我國民間流傳的“夜明珠”，都