宝石科学

矿物类宝石具有确定的化学成分，可写成化学式，并且内部原子排列有序。刚玉是氧化铝（Al₂O₃）；绿柱石是铍铝硅酸盐（Be₃Al₂Si₆O₁₈）；钻石只由碳组成。同一个种的各变种，差别主要在于取代晶格中主要原子的微量元素，这正是红宝石和蓝宝石共用一个化学式的原因。

结晶学家把三维晶体结构分为七个晶系：三斜、单斜、斜方、四方、三方、六方和等轴。宝石学用假想参考轴的相对长度及其夹角来描述它们。晶系支配晶体的外部形态（钻石和尖晶石为八面体，绿柱石为六方柱），而对鉴定更有用的是，它支配晶体的光学行为。等轴晶系的宝石是均质体：光在其中沿各个方向以相同速度传播。其余六个晶系的宝石是非均质体，会把光分成两条光线。仅凭成分并不能确定结构：钻石和石墨都是纯碳，只是排列方式不同。

有些宝石材料没有长程有序的原子排列，因而没有晶系。玻璃、多数宝石级欧泊和有机的琥珀都是非晶质，与等轴晶系晶体一样，在光学上属均质体。

硬度是抗刻划的能力。矿物学家弗里德里希·摩斯把十种参照矿物由滑石（1）排到钻石（10），每一种都能刻划排在它下面的矿物。摩氏硬度表是一个排序，而不是步长相等的测量。压痕测试让这种不均匀一目了然：维氏显微硬度中，滑石约为 0.14 GPa，方解石为 1.5，石英为 12.2，刚玉为 19.6，而钻石接近 115。硬度对首饰有意义，因为家居灰尘中含有石英，所以摩氏硬度低于 7 的宝石会逐渐失去光泽。

韧性是抗破裂和崩口的能力，与硬度无关。硬玉的硬度为 6.5 至 7，软玉为 6 至 6.5，但两者韧性都极高，这正是新石器时代的刀具和斧头常用软玉制作的原因。钻石是最硬的天然宝石，受到猛烈撞击仍可能劈开：它有四个方向的完全解理，与三角形的八面体晶面平行。托帕石有一个方向的完全解理，紫锂辉石有两个。在没有解理的地方，宝石以断口方式破裂；石英和玻璃呈现弯曲的贝壳状断口。

稳定性是抗热、光和化学品的能力。欧泊最多可含 20% 的水，有些紫锂辉石在强光下褪色，珍珠会被酸腐蚀。

相对密度（SG）是把宝石的重量与同体积水的重量相比较。GIA 给出钻石为 3.52（±0.01）。合成立方氧化锆要重得多，因此一克拉的合成立方氧化锆明显小于一克拉的钻石。宝石学家先在空气中、再在水中称量宝石来测定相对密度，或者通过观察宝石在已知密度的液体中下沉还是上浮来估计。

折射率（RI）表示光进入宝石时减速和偏折的程度：石英约为 1.54，刚玉为 1.762 至 1.770，钻石为 2.42。等轴晶系之外的宝石是非均质体，把光分成折射率不同的两条光线。二者之差即双折射率。橄榄石的双折射率为 0.035 至 0.038，大到透过冠部可以看到每个亭部刻面都成双。

色散是折射率随波长的变化，它把白光分散为光谱色，看上去就是火彩。图中采用宝石学常用的 B 至 G 约定，即红区与紫区两条夫琅禾费谱线之间的折射率之差。钻石通常记为 0.044。GIA 测得合成碳硅石（莫桑石）为 0.104，远高于钻石。

光泽描述宝石表面所反射光线的质量。它取决于折射率，以及表面能被抛光到什么程度。钻石具金刚光泽，是常见类型中最强的；多数宝石，从石英到刚玉，都是玻璃光泽。其他标准术语还有琥珀的树脂光泽、绿松石的蜡状光泽、珍珠和某些解理面的珍珠光泽，以及纤维状材料的丝绢光泽。

透明度从透明经半透明到不透明。它取决于材料本身、散射光线的包裹体以及厚度，在某些宝石中还直接决定价值：优质翡翠以莹润的半透明为贵。

多色性是体色随观察方向而变化。它只出现在非均质体晶体中，这类晶体沿不同光学方向对光的吸收不同。四方、六方和三方晶系的晶体可显示两种颜色（二色性）；斜方、单斜和三斜晶系的晶体可显示三种（三色性）。等轴晶系和非晶质材料没有多色性。坦桑石多色性很强，转动晶体可以看到三种不同的颜色，切磨师会安排原石的方向，使其中最好的一种从台面朝上显现。

宝石学家用三项属性描述颜色。色调是基本颜色，如红色、蓝色或绿色，以及各种修饰色。明度是颜色显得多浅或多深。饱和度是颜色的浓度，从带灰或带褐到鲜艳。

当宝石吸收一部分可见光波长、透射或反射其余波长时，颜色便产生了。在自色宝石中，致色元素是主要成分，绿松石和孔雀石中的铜就是如此。多数宝石是他色的：纯净时无色，由微量致色离子着色。GIA 对刚玉的综述列出了其中六种，包括 Cr³⁺、Fe³⁺、V³⁺、Fe²⁺ 与 Ti⁴⁺ 离子对，以及产生橙色和黄色的两种空穴捕获离子对。红宝石的红色需要几百至几千 ppm 的 Cr³⁺；蓝色蓝宝石来自价间电荷转移，即电子在光照下由 Fe²⁺ 转移到 Ti⁴⁺，随后再返回。

色心是捕获一个电子或留下一个电子空位的晶格缺陷，通常在辐照之后形成。烟晶必须先有铝取代硅，多数石英中铝的含量在几百 ppm 的水平，辐照才能生成褐黑色的空穴色心。紫晶是以铁为基础的类似色心。把烟晶加热到约 400°C 会清空这些陷阱，使它重新变为无色。

荧光是宝石在受到更高能量的辐射，通常是紫外光（UV）照射时发出的可见光。磷光是在辐射源关闭之后仍持续的发光。宝石学家用长波（365 nm）和短波（254 nm）紫外灯检测两者，并记录反应的颜色和强度。

GIA 报告，天然的无色至微黄色钻石中约有 35% 在长波紫外光下发荧光，其中 97% 的反应为蓝色，由 N3 缺陷发出。铬使红宝石发红色荧光。铁在彩色宝石中是常见的猝灭剂，因此缅甸等地大理岩型矿床所产的低铁红宝石荧光很强。

磷光较为少见，却往往能提供信息。含硼的 IIb 型钻石在深紫外光下几乎总有蓝色或红色磷光，希望之钻的红色余辉可持续数分钟。约 90% 的高温高压法合成钻石在短波紫外光下发黄色或黄绿色荧光，随后出现与硼有关的强而持久的磷光，这使该项测试成为有用的筛查线索。不同材料的反应彼此重叠，因此荧光只能支持鉴定结论，而不能作为证明。

特殊光学效应宝石所显示的效应，来自其内部结构或包裹体，而不只是体色。多数切成弧面型，即不带刻面的光滑弧顶，以集中这种效应。

猫眼效应是许多平行排列的针状体、纤维或中空管所反射出的一条明亮光带。宝石移动时，光带在弧面上滑动。金绿猫眼是典型的例子。星光效应是同一类反射来自两组或三组彼此相交的针状体，从而形成星线。在刚玉中，这些针状体通常是金红石，GIA 给出四射、六射，偶尔十二射，其中六射最为常见。

贵欧泊的变彩是衍射。大小一致的二氧化硅小球规则排列，其行为相当于三维光子晶体，把白光分解成纯光谱色的色块，色块随观察角度而变。小球较小时给出蓝色和紫色；较大时给出红色、橙色和绿色。月光效应是月光石柔和、仿佛浮动的蓝白色晕彩，月光石由正长石和钠长石交替的薄层构成。光在这些显微薄层之间散射并发生干涉，薄层越薄、越均匀，效应越强。

拉长石晕彩是拉长石倾斜时扫过表面的大片蓝色、绿色、金色或橙色闪光。长石在缓慢冷却中分离为交替的叶片状薄层，来自相邻薄层的反射光相互干涉；所得的颜色遵循该叠层上的布拉格衍射。在一块显示黄色晕彩的拉长石中，较厚的叶片平均为 129 nm，较薄的约为 64 nm，重复周期 193 nm，对应的反射接近 597 nm。

砂金效应是细小反光片状体造成的闪烁。在日光石类长石中，这些片状体是金属铜或赤铁矿等铁的氧化物；东陵石的闪光则来自云母片。

变色效应是外观色调在日光与白炽灯之间发生改变。变石在 580 nm 附近有一条吸收带，绿光和红光都能透过，因此它在日光下呈绿色至蓝绿色，在灯下呈红色至紫红色。有些蓝宝石、石榴石和尖晶石显示较弱的同类效应，钒也能在刚玉中产生这种效应。

虹彩是结构色，由亚微米结构反射或衍射的光发生干涉而成。它出现在火玛瑙中、优质珍珠表面的晕彩中，以及石英内部充气的薄裂隙上。

包裹体是封闭在宝石内部的晶体、流体、裂隙和生长特征。很少有宝石不含包裹体，而且它们在每一颗宝石中的分布实际上都是独一无二的。它们还记录了寄主宝石生长的方式和地点，因此宝石学家通过解读包裹体来区分天然与合成材料、检测优化处理并推断产地。

丝绢状包体是刚玉中细小金红石针状体构成的网。它使颜色变柔和，可以形成星线，并在宝石受热时发生可见的变化，因而是检测热处理的关键线索。针状体是单根长条形晶体或管。羽状体是裂隙，因外观似羽毛而得名；钻石中到达表面的羽状体，正是充填处理所利用的开口。祖母绿特有的裂隙和包裹体被称为它的花园，即法语的 jardin，商人对此习以为常。

有些包裹体指向特定产地。哥伦比亚祖母绿常含三相包裹体：一个锯齿状空腔，内有含盐的液体、一个气泡和一小粒立方体石盐，是从沉淀出祖母绿的高温卤水中捕获的。翠榴石，尤其是俄罗斯乌拉尔所产的，可能含有马尾状包体：由一粒微小晶体放射出的弯曲纤维束。GIA 把它们列为少数能提高宝石价值的内部特征之一。

钻石几乎是纯碳，但微量的氮和硼会改变它的颜色、荧光和电学行为。科学家按这些杂质把钻石分为若干型，用傅里叶变换红外（FTIR）光谱测定。氮的吸收落在单声子区，大致为 1332 至 400 cm⁻¹。

I 型钻石含有 FTIR 能够测出的氮。在 Ia 型中，即占天然钻石 95% 以上的类型，氮在漫长的地质时间中迁移成相邻的氮对（A 集合体，IaA），或围绕一个空位的四原子团（B 集合体，IaB）。在 Ib 型中，氮以孤立的单原子存在；天然的 Ib 型钻石几乎总是褐色、黄色或橙色，数量极少。相比之下，多数高温高压法合成钻石属于 Ib 型。

II 型钻石不含 FTIR 可检测的氮，它们在自然界中也极为罕见。IIa 型钻石往往格外无色，而最大的那些宝石级钻石，即形成于地下 360 至 750 km 的库里南一类宝石，通常都属于 IIa 型。IIb 型钻石含硼，硼使它们呈蓝色或灰色并具导电性。类型在实践中很重要：IIa 是 CVD 法合成钻石的常见类型，也是高温高压处理能够去色的类型，因此 IIa 型宝石通常会送交实验室检测。