第五节 光率体与宝石的光性方位

一、光率体
为了说明宝石晶体的光学性质，需引进光率体的概念。光率体是表示光波在晶体中传播时，光波的振动方向与相应折射率值之间关系的光学立体图形(光性指示体)。具体作法是： 以晶体中心为起点，平行于在晶体中传播的光波的振动方向作一条直线，直线的长度按该振 动方向光波的折射率值为大小截取，每一振动方向的光波都可作出一条与其折射率值大小相 对应的线段，把无数条这样即代表光波振动方向又代表相应折射率值的线段的端点连接起来 便构成该晶体的光率体。 光率体可使宝石晶体的许多光学现象得以解释，不同晶体结构的宝石，光率体形状不同， 现分述如下。
1．均质体光率体
非晶质体和高级晶族的宝石均为光性均质体。光波在均质体宝石中传播时，其速度不因振动方向的改变而改变，即各个方向振动的光波在晶体中的传播速度是相同的，相应的折射率值也相等。因此，均质体的光率体是一个圆球体，通过球体中心任何方向的切面都是圆切面，其半径代表均质体宝石的折射率值(n)。对于均质体宝石来说仅有一个折射率。

2．一轴晶光率体
中级晶族的三方、四方、六方晶系的宝石均为非均质体，其光率体的形状已不再是一个球体，而是一个以Z晶轴为旋转轴的旋转椭球体，称为一轴晶光率体(图1-3-18)。直立轴是旋转椭球体的旋转轴，它代表了一轴晶光率体的光轴方向。当光波沿光轴方向入射时，不发生双折射，此时光波在垂直该轴的圆切面内作水平振动，在垂直Z轴各个振动方向的折射率都相等，此为常光的折射率值，用符号n。表示。
当光波垂直光轴方向入射时，光发生双折射，分解成振动方向互相垂直的两种偏光，此时，在一轴晶光率体中，垂直入射光方向的切面为一包含了光轴的椭圆切面。入射光分解后的一个偏光的振动方向平行于光轴，为非常光的折射率，用符号n。表示；另一偏光的振动方向与光轴垂直，折射率与常光折射率相等(n。)。
当光波斜交光轴方向入射时，在光率体中垂直光波入射方向的切面仍为一椭圆，该椭圆的一个轴的方向的折射率值用符号ne’表示，其大小介于常光与非常光之间；该椭圆的另一个轴方向仍然代表了常光的振动方向，折射率值等于常光折射率值n。
综上所述可知，具一轴晶光率体的宝石矿物具有ne、n。两个主折射率值，这两个折射率差的绝对值称为双折射率，它是最大和最小两个折射率的差值。
在一轴晶光率体中，根据轴的相对长短，即ne值与n。值的相对大小，又可将一轴晶光率体分为正负两种光性。当ne>n。时，即直立轴是相对长轴时，称为一轴晶正光性；当ne

3．二轴晶光率体
低级晶族的斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系的宝石晶体，其光率体形状较为复杂，为一个三轴不等的椭球体(即三轴椭球体)(见图1-3-20)，称二轴晶光率体。二轴晶光率体的三轴椭球体中的三个互相垂直的主轴代表了二轴晶宝石的三个主要光学方向，称为光学主轴，即ng轴、nm轴、np轴。其中ng>nm>np。具二轴晶光率体的宝石矿物应有三个主折射率值，其中最大主折射率值ng与最小主折射率值np的差值为其双折射率包括两个主轴的面称为主轴面(主切面)，二轴晶光率体有三个互相垂直的主轴面，即ng-nm面，ng-np面和nm-np面。

在二轴晶光率体中，直立轴两侧通过nm轴，有两个以nm为半径的圆切面，当光波垂直这两个圆切面入射时，不发生双折射，基本不改变入射光的振动特点及振动方向，这两个方向即为二轴晶的光轴。通过二轴晶光率体中心，只能画出两个圆切面，即只有两个光轴方向(以符号OA表示)，故称为二轴晶。包括两个光轴的面称为光轴面，光轴面与主轴面ng-np一致。两光轴之间所夹的锐角称光轴角，以符号“2V”表示。
根据ng、nm、np值的相对大小，可以确定二轴晶光率体的光性符号，当ng-nm>nm-np时
为正光性，当ng-nm 在二轴晶宝石中，当光波沿垂直于以nm为半径的圆切面方向入射时(沿光轴方向)，不发生双折射，相应的折射率值为nm；当光波垂直主轴面ng-np入射时(即沿nm轴入射)，发生双折射，分解形成两种偏光，相应的折射率分别为ng与np；当光波沿任意斜交切面(主轴面以外的切面)方向入射时，相应的折射率值为ng' 、np'。

二、光性方位
光率体主轴与晶体结晶轴之间的关系称为光性方位
1．高级晶族晶体的光性方位
等轴晶系是高级晶族中唯一的晶系，等轴晶系的宝石为均质体，其光率体是一个圆球体，所以通过光率体中心的任意三个互相垂直的直径都可以与三个结晶轴相当。球体半径代表折射率大小。
2．中级晶族晶体的光性方位
中级晶族包括三方、四方、六方三个晶系，中级晶族宝石晶体的光率体是一个旋转椭球体，即一轴晶光率体，光率体的旋转轴(光轴、ne轴)与晶体中的高次对称轴(Z轴—L3、L4、L6)一致。显然，方解石(一轴晶负光性)晶体中的光率体位置和石英晶体(一轴晶正光性)的光性方位相同。
3．低级晶族晶体的光性方位
低级晶族包括斜方、单斜、三斜三个晶系。低级晶族宝石晶体的光率体是二轴晶光率体，为一个三轴不等长的椭球体。在斜方晶系的宝石晶体中，光率体的三个主轴与晶体的三个结晶轴一致，但究竟哪一个主轴与哪一个晶轴一致，要视具体宝石晶体而定，如在斜方晶系的黄玉晶体中，代表最大折射率方向的ng轴与黄玉的Z轴一致，即ng=Z，nm=Y，np=X；单斜晶系宝石晶体的对称程度降低，只有一个二次对称轴Y晶轴，其光性方位表现为：二次对称轴Y与光率体的三主轴之一重合，其余两个结晶轴与光率体中另外两主轴斜交，至于二主轴与二结晶轴斜交的角度，因宝石矿物种类而异。如图中的透闪石。

三斜晶系晶体的对称程度最低，仅有一个对称中心，与光率体的中心相当，光率体轴与晶体的三个结晶轴斜交，斜交的角度因宝石矿物而异。
了解了宝石晶体中光率体的特点和光率体在宝石晶体中的位置，就可对宝石的光学性质有较深刻的理解，比如宝石的折射率、双折射率值随方向、方位有变化，折射率值的测定、宝石的偏光性的观察、最大双折射率的方向、宝石晶体的方向性对颜色的影响等都与光性方位有关，也要结合光率体方位给予描述。