矿物的物理性质-光学性质.ppt
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1、工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程第五章第五章 矿物的物理性质矿物的物理性质前言前言 矿物的物理性质取决于矿物本身的矿物的物理性质取决于矿物本身的化学成分和内部结构。化学成分和内部结构。不同种矿物,由于其不同种矿物,由于其成分和结构成分和结构不同,物理性质不同,不同,物理性质不同,可以可以借助物理性质的差异来识别矿物借助物理性质的差异来识别矿物。不同矿物其形成条件不同,其物理性质往往发生微细的不同矿物其形成条件不同,其物理性质往往发生微细的变化,为此可为人们提供变化,为此可为人们提供矿物成因矿物成因方面的信息。方面的信息。工艺矿物
2、学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程矿物的物理性质有着广泛的应用:如利用矿物的物理性质有着广泛的应用:如利用刚玉的高硬度刚玉的高硬度作为研磨材料;利用作为研磨材料;利用石英的压电性石英的压电性在电子工业中作振荡元在电子工业中作振荡元件,重晶石因件,重晶石因密度大密度大可作为钻井泥浆的加重剂。可作为钻井泥浆的加重剂。随着近代科学的发展,矿物广泛地进入了新的技术领域,随着近代科学的发展,矿物广泛地进入了新的技术领域,尤其是某些尖端科学技术的发展,都需要具有某些具有特尤其是某些尖端科学技术的发展,都需要具有某些具有特殊性能的矿物材料。殊性能的矿物
3、材料。如如冰洲石冰洲石因可获得偏振光而成为因可获得偏振光而成为激光的偏光材料激光的偏光材料;石墨石墨因因相对密度小,耐高温相对密度小,耐高温,在航空、航天工业,在航空、航天工业用作轻质材料用作轻质材料。因此,研究矿物的性质将大大促进国民经济和高科技的发因此,研究矿物的性质将大大促进国民经济和高科技的发展。展。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程一、矿物的光学性质一、矿物的光学性质 矿物的光学性质指矿物矿物的光学性质指矿物对光线的吸收、反射和折射时对光线的吸收、反射和折射时所表现的各种性质,以及由矿物所表现的各种性质,以及由矿物晶体裂
4、隙晶体裂隙引起的光线引起的光线干涉干涉和散射和散射等现象。等现象。其光学性质包括矿物的其光学性质包括矿物的颜色、条痕、光泽和透明度颜色、条痕、光泽和透明度等等。1 1矿物的颜色矿物的颜色 矿物的颜色最明显、最直观矿物的颜色最明显、最直观,对可见光进行对可见光进行选择性吸选择性吸收收是矿物呈现颜色的主要原因。是矿物呈现颜色的主要原因。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程可见光波波长约在可见光波波长约在390390一一760nm760nm之间,波长由长至短依次之间,波长由长至短依次显示显示红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫红、橙、黄、绿、蓝、靛
5、、紫等色;可见光的混合色等色;可见光的混合色就是就是白色白色。不同颜色的光波,用不同颜色的光波,用不同波长不同波长来表示,单位为来表示,单位为纳米纳米(nm(nm),或用或用波数波数(cm(cm-1-1)表示;如果以表示;如果以能量能量表示时,则用表示时,则用电子伏待电子伏待(evev)表示。表示。波数是每厘米波长的数目,波数是每厘米波长的数目,其数值等于波长的倒数其数值等于波长的倒数。以。以波数表示波长时,可以直接转换为能量单位。波数表示波长时,可以直接转换为能量单位。1cm1cm-1-12.859cal=1.24102.859cal=1.2410-4-4eV(1cal=4.1868JeV(
6、1cal=4.1868J);1ev=8066cm1ev=8066cm-1-1=1.60218910=1.60218910-19-19J)J)。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程 2 2、矿物的呈色机理、矿物的呈色机理 矿物受白光照射时,对光产生矿物受白光照射时,对光产生吸收、反射和透射吸收、反射和透射等各等各种光学现象。种光学现象。如果矿物对光如果矿物对光全部吸收全部吸收,矿物,矿物呈黑色呈黑色;如果矿物对白光中所有波长的色光如果矿物
7、对白光中所有波长的色光均匀吸收均匀吸收,则矿物,则矿物呈呈灰色灰色,基本上都不吸收则为无色或白色基本上都不吸收则为无色或白色。如果矿物只如果矿物只选择吸收选择吸收某些波长的色光,而透过或反射出某些波长的色光,而透过或反射出另一些色光,则矿物就呈现相应颜色。另一些色光,则矿物就呈现相应颜色。矿物所吸收的颜色和观察到的光的颜色之间存在矿物所吸收的颜色和观察到的光的颜色之间存在互补关互补关系系(如表(如表H H一一4141)。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适
8、用专业:矿物加工工程 3 3、矿物的呈色机理、矿物的呈色机理(1 1)过渡金属离子内部的电子跃迁过渡金属离子内部的电子跃迁 含过渡型离子的矿物含过渡型离子的矿物呈色的主要方式。呈色的主要方式。在过渡金属元素的晶体结构中,阳离子都具有在过渡金属元素的晶体结构中,阳离子都具有未填满未填满的的d d或或f f电子亚层电子亚层。(。(铁电子构型:1s22s22p63s23p63d64s2)过渡金属离子周围的过渡金属离子周围的配位阴离子配位阴离子(配位体配位体)可视为可视为点电点电荷荷,在这些点电荷的静电场作用下,原来属于同一能级的在这些点电荷的静电场作用下,原来属于同一能级的d d或或f f亚层将发生
9、分裂亚层将发生分裂,使离子外层电子轨道重新排列,使离子外层电子轨道重新排列,为为维持新的轨道状态,需要吸收一定波长的可见光维持新的轨道状态,需要吸收一定波长的可见光,晶体因,晶体因此呈色。此呈色。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程 注解:注解:1.1.在这个过程中,电子是在同一个离子的内部轨道间的在这个过程中,电子是在同一个离子的内部轨道间的跃迁跃迁(即即d-dd-d跃迁或跃迁或f-ff-f跃迁跃迁),并不是从一个离子向另一,并不是从一个离子向另一个离子跃迁,故称个离子跃迁,故称离子内部的电子跃迁离子内部的电子跃迁。实例:实例:红
10、宝石红宝石(含铬的刚玉含铬的刚玉A1A12 2O O3 3),在其晶体结构中,在其晶体结构中,A1A13+3+被被CrCr3+3+代替,代替,Cr3+Cr3+在畸变的八面体中受到配位阴离子在畸变的八面体中受到配位阴离子O2-O2-的作用的作用,发生,发生d-dd-d跃迁,其能量差跃迁,其能量差相应于篮绿色光所相应于篮绿色光所具有的能量具有的能量,自然光照射时,自然光照射时,吸收蓝绿色光,故呈红色吸收蓝绿色光,故呈红色。2.2.过渡型元素主要是过渡型元素主要是TiTi、Cr Cr、V V、MnMn、FeFe、CoCo、Ni)Ni),及及CuCu、TRTR和和U U等离子,等离子,都可使矿物呈色都
11、可使矿物呈色,故称,故称色素离子。色素离子。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程注解:注解:1.1.同种离子在不同矿物中可呈不同颜色同种离子在不同矿物中可呈不同颜色。这是因为轨道分裂。这是因为轨道分裂产生的分裂能产生的分裂能不仅取决于过渡型金属离子的种类不仅取决于过渡型金属离子的种类,而巳与周围阴离而巳与周围阴离子的种类以及由这些阴离子组成的配位多面体的形状子的种类以及由这些阴离子组成的配位多面体的形状有关。有关。2.2.惰性气体型离子所构成的矿物,通常无色惰性气体型离子所构成的矿物,通常无色。这是因为惰性气体。这是因为惰性气体型离
12、子的型离子的P P轨道同其最邻近的空轨道间的能量差值远比可见光的能轨道同其最邻近的空轨道间的能量差值远比可见光的能量为大,量为大,其电子在可见光能量的作用下,不能被激发其电子在可见光能量的作用下,不能被激发,不发生跃迁,不发生跃迁,从而从而可见光不能被吸收可见光不能被吸收,因此矿物无色。,因此矿物无色。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程(2)(2)离子间的电子转移离子间的电子转移 在在矿物晶体结构矿物晶体结构中,构成共同中,构成共同分子轨道分子轨道的离子之间在的离子之间在一定能量光波作用下,电子可以从一个离子轨道跃迁到另一定能量光
13、波作用下,电子可以从一个离子轨道跃迁到另一个离子轨道上,一个离子轨道上,这种发生在不同离子之间的电子跃迁称这种发生在不同离子之间的电子跃迁称为电子转移为电子转移(或电荷转移或电荷转移)。伴随着电子转移,伴随着电子转移,矿物对可见光有很强的吸收矿物对可见光有很强的吸收,使矿,使矿物呈现不同的颜色。物呈现不同的颜色。实例:实例:蓝闪石晶体中存在着金属离子蓝闪石晶体中存在着金属离子FeFe2+2+和和FeFe3+3+之间的电子之间的电子转移而转移而呈蓝色呈蓝色;石墨晶体石墨晶体结构中碳原子组成的六方网层,结构中碳原子组成的六方网层,层内层内电子可以或多或少地电子可以或多或少地自由转移自由转移,造成强
14、的光吸收呈,造成强的光吸收呈黑色黑色。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程(3)(3)能带间的电子跃迁能带间的电子跃迁-带隙跃迁带隙跃迁 根据能带理论,根据能带理论,晶体中的电子按照能量高低不同分别晶体中的电子按照能量高低不同分别位于各能带中位于各能带中,其描述的,其描述的能带模型能带模型有两种:有两种:其一,能带的下部被电子占满,为其一,能带的下部被电子占满,为满带满带(或称价带),(或称价带),能能量较低量较低;能带的上部没有被电子占满,为能带的上部没有被电子占满,为导带导带,其中的电子能量,其中的电子能量较高;较高;二者之间是
15、二者之间是禁带禁带,禁带的宽度随矿物的禁带的宽度随矿物的键性不同键性不同而不而不同同;其二,其二,价带与导带部分重叠价带与导带部分重叠,中间没有禁带。,中间没有禁带。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程 当自然光通过矿物时,矿物吸收能量,电子当自然光通过矿物时,矿物吸收能量,电子从满带向从满带向导带跃迁导带跃迁,所需的能量取决于禁带的宽度所需的能量取决于禁带的宽度,即满带顶部与即满带顶部与导带底部间的能量差导带底部间的能量差,(能量间隔
16、),(能量间隔),以,以EgEg表示表示。不同矿物由于禁带宽度不同而呈现各种颜色不同矿物由于禁带宽度不同而呈现各种颜色。q 当当矿物禁带宽度窄矿物禁带宽度窄(EgEg 1.77eV)1.77eV),甚至价带与导带甚至价带与导带重叠(重叠(EgEg 0ev0ev)时)时,能量间隔均比可见光的能量小能量间隔均比可见光的能量小。可见光中的各种色光都可以使电子跃迁,可见光中的各种色光都可以使电子跃迁,各种波长的可见各种波长的可见光被大量吸收,矿物不透明。光被大量吸收,矿物不透明。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程跃迁到导带上的电子不稳定,
17、又极易回到满带上,返回跃迁到导带上的电子不稳定,又极易回到满带上,返回时电子的大部分能量时电子的大部分能量以可见光的形式辐射以可见光的形式辐射,此时矿物具有,此时矿物具有很强的很强的反射能力反射能力,使晶体具有,使晶体具有金属颜色和金属光泽金属颜色和金属光泽。如果矿物对各种色光大致均匀地吸收并再辐射时,如果矿物对各种色光大致均匀地吸收并再辐射时,根据根据反射率大小不同反射率大小不同,分别可呈现,分别可呈现银白、锡白、钢灰、铬灰、银白、锡白、钢灰、铬灰、铁黑铁黑等金属颜色。等金属颜色。实例:实例:自然金属元素的自然金属元素的EgEg 0ev0ev,如自然金、自然铜;如自然金、自然铜;部分硫化物部
18、分硫化物(如黄铁矿、方铅矿如黄铁矿、方铅矿)EgEg 1.7eV1.7eV。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程q 当矿物当矿物禁带宽度中等禁带宽度中等(1.773.10ev)(1.773.10ev)时,时,能量间隔在能量间隔在可见光区范围内可见光区范围内,矿物可,矿物可选择吸收能量选择吸收能量比自身比自身EgEg大的各大的各种色光,使电子跃迁而呈色。种色光,使电子跃迁而呈色。如辰砂如辰砂EgEg 2.0 2.0 evev,能选择吸收黄、绿、青、蓝、能选择吸收黄、绿、青、蓝、紫色光,紫色光,透过橙、红色光而呈红色。透过橙、红色光而呈
19、红色。q当当矿物禁带宽度大矿物禁带宽度大(EgEg 3.10ev)3.10ev)时,其能量间隔比时,其能量间隔比可见光的能量大。可见光的能量大。在在正常情况下正常情况下,可见光范围内的能量都不能使电子跃可见光范围内的能量都不能使电子跃迁迁,光不能被吸收,光不能被吸收而大部分透过,矿物呈无色透明而大部分透过,矿物呈无色透明,如如无色透明的金刚石,其无色透明的金刚石,其EgEg 5.5ev5.5ev。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程辰砂
20、辰砂工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程辰砂世界辰砂世界工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程注解:注解:对于某些纯净的矿物,由于能带间隔较大,本身不对于某些纯净的矿物,由于能带间隔较大,本身不呈现颜色,但如果呈现颜色,但如果含有杂质元素含有杂质元素(激活剂激活剂),在禁带中可形在禁带中可形成局部能级,降低其能带间隙,使矿物颜色发生变化。成局部能级,降低其能带间隙,使矿物颜色发生变化。实例:如金刚石含实例:如金刚石含N N时呈黄色时呈黄色,含含B B时则呈蓝色时则呈蓝色。(
21、4)(4)色心色心 由于由于各种物理各种物理-化学因素化学因素的影响,在的影响,在晶体局部范围晶体局部范围内,内,质点的排列偏离严格的周期性重复规律质点的排列偏离严格的周期性重复规律,形成,形成晶格缺陷晶格缺陷。色心概念:色心概念:晶体中能选择吸收可见光而使晶体呈色的晶体中能选择吸收可见光而使晶体呈色的点点缺陷缺陷称色心。色心的类型很多,最常见是称色心。色心的类型很多,最常见是F F心和心和V V心心。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程F F心心 F F心是晶体结构中由于心是晶体结构中由于阴离子缺位而引起阴离子缺位而引起的的。阴离
22、子缺。阴离子缺位时,空位成为一个带正电荷的中心,它能捕获电子,并位时,空位成为一个带正电荷的中心,它能捕获电子,并将之束缚于该空位,将之束缚于该空位,该种电子呈激发态,能吸收某种波长该种电子呈激发态,能吸收某种波长的色光而使晶体呈色的色光而使晶体呈色。因此,因此,F F心是由心是由一个阴离子空位和一个受此空位电场束一个阴离子空位和一个受此空位电场束缚的电子构成,又称电子心缚的电子构成,又称电子心。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程F F心是由心是由一个阴离子空位和一个受此空位电场束缚的电子组一个阴离子空位和一个受此空位电场束缚的电
23、子组成成,又称为电子心。萤石就是,又称为电子心。萤石就是由于存在由于存在F F心心而呈而呈紫色紫色。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程萤石萤石工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程V V心心 晶体结构中由于晶体结构中由于阳离子缺位而产生阳离子缺位而产生。晶体中缺少一个阳离子,等于附近增加了一个负电荷,晶体中缺少一个阳离子,等于附近增加了一个负电荷,附近一个阴离子必须成为附近一个阴离子必须成为“空穴空穴”才能保持静电平衡。才能保持静电平衡。因此,因此,V V心是由一个阳离子
24、空位捕获一个心是由一个阳离子空位捕获一个“空穴空穴”所组所组成,又称空穴心成,又称空穴心,是是F F心的反型体。心的反型体。注解注解1 1 :在同一种矿物晶体中,在同一种矿物晶体中,如果同时存在不同的色心,如果同时存在不同的色心,且且数量亦不相同时,将会产生不同的颜色,数量亦不相同时,将会产生不同的颜色,故一些晶体可呈故一些晶体可呈现多种颜色,现多种颜色,如萤石。如萤石。工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程萤石萤石工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程工艺矿物学工艺矿物学5
25、 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程工艺矿物学工艺矿物学5 5矿物的物理性质矿物的物理性质适用专业:矿物加工工程适用专业:矿物加工工程注解注解2 2 由于矿物的由于矿物的成分、结构、键型非常复杂成分、结构、键型非常复杂,引起矿物颜,引起矿物颜色变化的因素也是非常复杂,色变化的因素也是非常复杂,矿物的颜色往往是多种呈色矿物的颜色往往是多种呈色机理所产生的总效应机理所产生的总效应。实例:蓝宝石的蓝色(含少量实例:蓝宝石的蓝色(含少量铁、铁、钛钛的刚玉),其蓝色的刚玉),其蓝色机理是机理是d-dd-d跃迁和离子间的电子转移综合作用跃迁和离子间的电子转移综合作用
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- 矿物 物理性质 光学 性质
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