宝石矿物的热学性质
第四节 宝石矿物的热学性质
不同的宝石矿物传导热的能力相差甚大,对于某些宝石来说,它的热学性质是检测的重要手段之一,如钻石与立锆的区别„。
§1导热性
一、导热性:宝石对热的传导能力。
二、热导率:物理学以热能穿过给定厚度的材料,使材料升高一定温度所需要的能量来度量。 单位W/m·℃(瓦特每米每摄氏度)也有用 Cal/cm·℃·s 卡/厘米·度·秒表示之。
W/m·℃ SI 制单位 Cal/Cm·℃·s 实用制单位
换算公式1Cal/(Cm · ℃·s )=4.186x104
W/m·℃
如 刚玉 40 W/m·℃ Ⅰ型钻 1000 W/m·℃ Ⅱ型钻 2600 W/m·℃ 三、相对热导率
宝石界通常用相对热导率来表示,以尖晶石为1,其它一些宝石的相对热导率为:是以尖晶石的
热导率为“1”作基准。来表示其它宝石矿物热导率的相对性。
F 、G 、A Donald B.Hoover (1982)
四、导热性的方向问题
1. 具各向同性的宝石,在同一种宝石内各方向的热传导能量是相同的。 2. 具各向异性的宝石,在同一种宝石内各方向的热传导能量具有明显的异向性。
五、热导率如何测得-热导仪
确切地讲,现在所用的热导仪实际上是测量宝石的热惰性,可称为热惰性测量仪
手感也可将宝石与玻璃、塑料区别之。后者有温感,前者有凉感,但与大小气温有关。 §2热惰性(热惯性)
在给定时间和给定热量下,宝石或其它材料表面温度变化速度。单位Cal/(Cm 2· ℃·S 1/2) 例 钻石的热惯性为0.82~1.42 Cal/Cm2· ℃·S 1/2,远高于所有仿制品。
§3热膨胀性
矿物的热膨胀性质通常以线热膨胀率(α)表示,即矿物温度升高绝对温度每度,矿物长度增量同原长度之比。
为什么?温度效应增大,结构中原子或离子间相互振动增大,而产生热膨胀。一般化学键力强的方向热膨胀小,化学键力弱的方向热膨胀大。
体积膨胀率是三维线膨胀率只和。
热膨胀率极低的宝石是钻石,所以在改钻戒指圈时,不需要取下钻石,但需要提防石墨化。 钻石的热膨胀系数极低,但若其内含有热膨胀系数高于钻石的包体或裂隙时,不宜加热。
第五节 宝石矿物的电学性质
宝石矿物的电学性质中,仅对导电性、压电性、热电性等做一简单介绍,因它们在宝石学中的应用,截至目前应用较为有限。
§1. 导电性
一、导电性:是指宝石的导电能力。
二、导电能力的大小:主要看宝石矿物中自由电子的多少。
如:金属矿物为导体;半导体的宝石矿物有钻石、金红石、黄铁矿等,大部分宝石矿物为非
导体。
三、导电性能如何?可用仪器测定,表示导电性的物理参数为电导率或电阻率(ρ)、其单位为欧姆·厘米(Ω·Cm )。 电阻率在 10-6~10 导体
10~1010 半导体
>1010 非导体(绝缘体) 有些宝石矿物的导电性具有明显的异向性。如:方解石和石英。 电阻率可因晶体中杂质成分而变化。
良导体一般为金属键矿物 如:自然金、自然铜„。 半导体 如:Ⅱb 型钻石
非导体(绝缘体)一般是离子键,共价键矿物,除Ⅱb 型钻石外。能带理论解释 §2. 压电性
一、压电性:某些晶体在机械压力或张力作用下,可在晶体两端产生正负电荷的性质。 二、压电性(压电效应)出现在那些晶体中?
无对称中心的某些晶体中,如:如石英 α-石英 L 33L 2 L 2为极轴 β-石英 L 66L 2 无对称中心 三、应用 在现代科学技术中广为应用,如:超声波发生器、各种换能器„ §3热电性(焦电性)
一、热电性:宝石晶体被加热时,两端产生正负电荷的性质。 二、热电性出现在那些宝石中?
无对称中心的某些宝石中
如:电气石晶体加热到一定温度时,沿C 轴一端带正电荷,另一种就带负电荷,当晶体被冷却,则晶体两端电荷变号。带电后的电气石可吸引缩小物体。
三、应用 在红外探测仪上。 §4. 静电性
指一些非导电性的材料,因摩擦而表面产生电荷的性质。这些材料因摩擦带电后可吸引细小物体。如:琥珀、塑料„。
第六节 宝石表面的吸附性
宝石表面的吸附性指的是宝石表面对某些流体物质(水、油、试剂)分子的吸附作用(力)。如
金刚石疏水亲油性,表示它的表面有排斥水分子而吸引油液分子的能力。如何用金刚石表面的亲油性选矿-油选法。 为什么?
第六节 宝石矿物的表面性质
矿物的表面性质与矿物的表面晶体结构有关。
在矿物晶体内部,组成矿物的阴阳离子是按一定规律重复排列的,并且电荷平衡。但在矿物晶体
结构表面上的离子对晶体外部来说出现排列不连续和电价的不平衡状态,这种不平衡的趋势存在着两种明显的相反效应:
一种是分布在结构表面的阳离子尤其高电荷的阳离子趋向于为阳离子所屏蔽而不直接暴露在表
面。
第二种是由于表面离子为了排列和电荷的平衡,及上述效应,使表面离子的位置同原规律排列的
晶格位置发生偏离,造成表面结构的变形,这种变形深达几个离子半径。
矿物表面结构随矿物种的不同而不同,由表面结构的不同所决定的表面性质也必然存在差异。 矿物的表面性质突出地表现在对外界物质的吸附作用上,尤其是广泛存在的对水分子的吸附。一
般是晶体近表面的阳离子电荷越高,对屏蔽的要求越强。晶体表面的极性越大,键的离子键性越强,晶体表面的极性也越大。
对于矿物表面吸湿性来说,由于H 2O 分子是极性分子,矿物的极性表面比非极性表面更易于吸
附水,油是非极性的,所以极性低的表面吸附油比吸附水更容易些。
第七节 (宝石)矿物的放射性
含有放射性元素的矿物叫放射性矿物,当含量甚微时为具有放射性的矿物。
放射性元素能自发地从原子核内部放出粒子或射线,同时释放能量,这种现象叫做放射性,这一过程叫做放射衰变。
放射性元素有很多种,原子序数在84以上的元素都具有放射性,原子序数在83以下的某些元素如K (19)、Rb (37)等也具放射性,在含有放射性元素K 40和Rb 87的矿物中,这些离子径衰变后所产生的稳定元素离子的大小和电价都发生了变化,必然使矿物的结构遭到了破坏,但由于K 40仅占自然界K 的0.01%,K 矿物的结构破坏不易观察到。Rb 87虽然占自然界的1/3, 但由于Rb 是呈分散状态且半衰变期特别长,所以矿物结构破坏也不明显。
一、含天然放射性元素的宝石
自然界中天然放射性元素共有3个:U 、Tn 、K 40,某原子核不稳定,能够自行蜕变放射出三种射线。
含有天然放射性元素的宝石有:
长石类 包括月光石、日光石、亚马逊石(天河石)等品种 含K 40 锆石(风信子石) 含U
K 40为钾的放射性同位素,其含量占钾含量的0.012%,长石类宝石中钾总含量约14% 放射性K 40仅占0.00168%,可以说微乎其微。何况K 40放出的射线能量最弱。因此,含K 40的宝石不会对人体产生任何不良影响。
自然界中含U 、Tn 的矿物约128种,其中可做宝石的仅锆石一种,天然锆石中含有少量(0.035%~2.33%)U ,锆石的颜色随U 含量增高而变深,也就是说,深色(棕、棕黑)锆石含U 高,
浅色锆石含量低。适合做宝石的锆石只有无色-浅色锆石。不会对人体造成危害。
二、辐照改色和放射性
目前国际市场上用辐照改色处理的宝石不仅种类多,而且数量大。如:水晶、锆石、绿柱石、锂辉石、钻石、黄玉等„。
例:托帕石的辐照改色 辐照源有两种:
1. 伽玛射线(γ)辐照。γ源由C 060、高能电子束、高能电子加速器、回旋加速器产生。这种方法的优点是被辐照的宝石不会产生诱发放射性,但着色力弱,改色效果差,所以用的较少。
2. 中子辐照。中子源由核反应堆窗口提供。由于中子能量高、穿透力强,所以改色效果显著。其缺点是被辐照的宝石将不可避免地诱发产生一定数量放射活动性物质,导致原来无放射性的天然宝石带上放射性,成为一个小小的放射源,这就是问题要害所在。
托帕石 Al2(SiO4)(F,OH )2并常常含Ta 、Sc 、Cr 、Fe 、Mn 、Cs 、Co 等微量元素。这些微量元素经热中子(慢中子)辐照后被活化而变成具有放射性的核素,它们会不停的放射出不同能量的射线(α、β、γ),其自行衰减的半衰期也不一样,长的几年,短的仅及分钟。构成黄玉的基本成分为Al 、Si 、O ,它们被中子辐照后产生的诱发放射性,在短短1~2天内即可自行衰竭而恢复到安全状态。放射性危害产生根源在于微量元素,这些元素虽然含量很少,但其诱发放射活性半衰期很长。这种诱发放射性虽然也随时间延长而自行衰减,但过程非常缓慢。如果不采取严格而有效的监测措施,无疑将给佩戴者带来不良影响。
消除方法有两种:
一是中子辐照时采取特殊屏蔽措施;
二是辐照后放置相当长时间,待诱发放射性衰减到安全值以下再出售。
反应堆中产生的中子有两种,即快中子和热中子(慢中子),宝石中一些元素受热中子轰击会诱发放射活性,变成放射性元素。而受快中子轰击则只诱发色心变化,引起颜色改变。人们利用这种差异,在辐照改色处理中采用特殊的热中心屏蔽装置,只允许快中子通过而把热中子“滤掉”,这样可到达减弱甚至消除因热中子轰击而诱发的放射活性。另外,为确保消费者安全,辐照品放置足够长时间最好。
三、比活度、危险度、豁免值
(一)比活度 1居里=3.7x1010贝克 1g 物质中所含放射性元素在1秒钟内衰变次数称之。
单位βg/g(贝克/克)表示,或Ci/g(居里/克)表示。
(二)危险度:是指危害显著性机率,可理解为危害程度,
(三)豁免值是国家标准限值。或者说通过值免减值。 目前不同国家,标准不一。
中国、法国、意大利、日本、泰国、香港、台湾、采用 >4βg/g
美国 >37βg/g,海关对改色蓝托帕 15βg/g
第八节 宝石的磁性性质
§1 概念
磁性→宝石矿物在磁场中被磁化的性质。 一般将磁性分为三级
铁磁性(强磁性):具铁磁性的矿物可被一般的磁铁(永久磁铁)吸到。宝石很少有这种强磁性。 顺磁性(弱磁性):可被磁力很强的电磁铁吸到。很多宝石具有这种性质,如某些石榴石、尖晶石、辉石、角闪石、电气石、橄榄石、绿帘石、翡翠、软玉、蓝宝石、金刚石„。
无磁性:无磁性的宝石不能被强磁性的电磁铁吸引。如:水晶、黄玉„。 §2 为什么?磁性与成分有密切关系,其变化范围很大。
产生顺磁性的原因在于这些宝石含一些具有不成对的元素离子,如过渡元素离子Fe 、Cr 、Ti 、Mn 、Co 、Ni 、V „,而Ⅰb 型钻石中因含孤氮(N )造成电子不成对而具顺磁性。
具顺磁性的宝石总是有色宝石。 无磁性 质地很纯净。