矿物的物理性质光学性质

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1、第五章矿物的物理性质前言矿物的物理性质取决于矿物本身的化学成分和内部结构。不同种矿物，由于其成分和结构不同，物理性质不同，可以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变化，为此可为人们提供矿物成因方面的信息。矿物的物理性质有着广泛的应用：如利用刚玉的高硬度作为研磨材料；利用石英的压电性在电子工业中作振荡元件，重晶石因密度大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，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。如冰洲石因可获得偏振光而成为激

2、光的偏光材料;石墨因相对密度小，耐高温，在航空、航天工业用作轻质材料。因此，研究矿物的性质将大大促进国民经济和高科技的发展。一、矿物的光学性质矿物的光学性质指矿物对光线的吸收、反射和折射时所表现的各种性质，以及由矿物晶体裂隙引起的光线干涉和散射等现象。其光学性质包括矿物的颜色、条痕、光泽和透明度等。1．矿物的颜色矿物的颜色最明显、最直观，对可见光进行选择性吸收是矿物呈现颜色的主要原因。可见光波波长约在390一760nm之间，波长由长至短依次显示红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等色；可见光的混合色就是白色。不同颜色的光波，用不同波长来表

3、示，单位为纳米(nm），或用波数(cm-1)表示；如果以能量表示时，则用电子伏待(ev)表示。波数是每厘米波长的数目，其数值等于波长的倒数。以波数表示波长时，可以直接转换为能量单位。1cm-1＝2.859cal=1.24×10-4eV(1cal=4.1868J）;1ev=8066cm-1=1.602189×10-19J)。2、矿物的呈色机理矿物受白光照射时，对光产生吸收、反射和透射等各种光学现象。如果矿物对光全部吸收，矿物呈黑色；如果矿物对白光中所有波长的色光均匀吸收，则矿物呈灰色，基本上都不吸收则为无色或白色。如果矿物只选择吸

4、收某些波长的色光，而透过或反射出另一些色光，则矿物就呈现相应颜色。矿物所吸收的颜色和观察到的光的颜色之间存在互补关系（如表H一4—1）。3、矿物的呈色机理（1）过渡金属离子内部的电子跃迁含过渡型离子的矿物呈色的主要方式。在过渡金属元素的晶体结构中，阳离子都具有未填满的d或f电子亚层。（铁电子构型:1s22s22p63s23p63d64s2）过渡金属离子周围的配位阴离子(配位体)可视为点电荷，在这些点电荷的静电场作用下，原来属于同一能级的d或f亚层将发生分裂，使离子外层电子轨道重新排列，为维持新的轨道状态，需要吸收一定波长的可见光

5、，晶体因此呈色。注解：1.在这个过程中，电子是在同一个离子的内部轨道间的跃迁(即d-d跃迁或f-f跃迁)，并不是从一个离子向另一个离子跃迁，故称离子内部的电子跃迁。实例：红宝石(含铬的刚玉A12O3)，在其晶体结构中，A13+被Cr3+代替，Cr3+在畸变的八面体中受到配位阴离子O2-的作用，发生d-d跃迁，其能量差相应于篮绿色光所具有的能量，自然光照射时，吸收蓝绿色光，故呈红色。2.过渡型元素主要是Ti、Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni)，及Cu、TR和U等离子，都可使矿物呈色，故称色素离子。注解：1.同种离子在不同矿物中可呈

6、不同颜色。这是因为轨道分裂产生的分裂能不仅取决于过渡型金属离子的种类，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有关。2.惰性气体型离子所构成的矿物，通常无色。这是因为惰性气体型离子的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量为大，其电子在可见光能量的作用下，不能被激发，不发生跃迁，从而可见光不能被吸收，因此矿物无色。(2)离子间的电子转移在矿物晶体结构中，构成共同分子轨道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个离子轨道上，这种发生在不同离子之间的电子跃迁称为电子转移(或电荷

7、转移)。伴随着电子转移，矿物对可见光有很强的吸收，使矿物呈现不同的颜色。实例：蓝闪石晶体中存在着金属离子Fe2+和Fe3+之间的电子转移而呈蓝色；石墨晶体结构中碳原子组成的六方网层，层内π电子可以或多或少地自由转移，造成强的光吸收呈黑色。(3)能带间的电子跃迁-带隙跃迁根据能带理论，晶体中的电子按照能量高低不同分别位于各能带中，其描述的能带模型有两种：其一，能带的下部被电子占满，为满带（或称价带），能量较低；能带的上部没有被电子占满，为导带，其中的电子能量较高；二者之间是禁带，禁带的宽度随矿物的键性不同而不同;其二，价带与导带部

8、分重叠，中间没有禁带。当自然光通过矿物时，矿物吸收能量，电子从满带向导带跃迁，所需的能量取决于禁带的宽度，即满带顶部与导带底部间的能量差，（能量间隔），以△Eg表示。不同矿物由于禁带宽度不同而呈现各种颜色。当矿物禁带宽度窄(△Eg＜1.77eV)，甚至价带与导带