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1、工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程第五章 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。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：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
2、特殊性能的矿物材料。如冰洲石因可获得偏振光而成为激光的偏光材料;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。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程一、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。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程 可见光波波长约在390一760nm之间，波长由长至短依
3、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-12.859cal=1.2410-4eV(1cal=4.1868J）; 1ev=8066cm-1=1.60218910-19J)。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程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。
4、 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一41）。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程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: 1s2 2s22p6 3s23p63d6 4s2 ）过
5、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，晶体因 此呈色。 工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程注解：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
6、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。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程注解：1.同种离子在不同矿物中可呈不同颜色。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
7、物无色。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程(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， 层内电子可以或多或少地自由转移，造成强的光吸收呈 黑色。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程(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
8、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，价带与导带部分重叠，中间没有禁带。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：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。q 当矿物禁带宽度窄(Eg 1.77eV)，甚至价带与
9、导带 重叠（Eg 0ev）时，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，各种波长的可见 光被大量吸收，矿物不透明。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程 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以可见光的形式辐射，此时矿物具有很强的反射能力，使晶体具有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，根据 反射率大小不同，分别可呈现银白、锡白、钢灰、铬灰、 铁黑等金属颜色。实例：自然金属元素的Eg 0ev，如自然金、自然铜 ；部分硫化物(如黄铁矿、方铅矿) Eg 1.7eV。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加
10、工工程q 当矿物禁带宽度中等(1.773.10ev)时，能量间隔在 可见光区范围内，矿物可选择吸收能量比自身Eg大的各 种色光，使电子跃迁而呈色。如辰砂Eg 2.0 ev，能选择吸收黄、绿、青、蓝、 紫色光，透过橙、红色光而呈红色。q当矿物禁带宽度大(Eg 3.10ev)时，其能量间隔比 可见光的能量大。在正常情况下，可见光范围内的能量都不能使电子跃 迁，光不能被吸收而大部分透过，矿物呈无色透明， 如 无色透明的金刚石，其Eg 5.5ev。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程辰砂工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程辰砂世界
11、工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程注解：对于某些纯净的矿物，由于能带间隔较大，本身不 呈现颜色，但如果含有杂质元素(激活剂)，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。实例：如金刚石含N时呈黄色，含B时则呈蓝色。(4)色心由于各种物理-化学因素的影响，在晶体局部范围内， 质点的排列偏离严格的周期性重复规律，形成晶格缺陷。色心概念：晶体中能选择吸收可见光而使晶体呈色的点 缺陷称色心。色心的类型很多，最常见是F心和V心。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程 F心F心是晶体结构中由于阴离子缺位而引起的。阴离子缺位时，空位成为一个带正电荷的中心，它能捕获电
12、子，并将之束缚于该空位，该种电子呈激发态，能吸收某种波长的色光而使晶体呈色。因此，F心是由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。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程F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 成，又称为电子心。萤石就是由于存在F心而呈紫色。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程萤石工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程 V心晶体结构中由于阳离子缺位而产生。晶体中缺少一个阳离子，等于附近增加了一个负电荷 ，附近一个阴离子必须成为“空穴”才能保持静电平衡。因此，V心是由一个阳离子空位捕获一个“空穴”所组 成，又称空穴心
13、，是F心的反型体。注解1 ：在同一种矿物晶体中，如果同时存在不同的色心，且 数量亦不相同时，将会产生不同的颜色，故一些晶体可呈 现多种颜色，如萤石。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程萤石工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程注解2 由于矿物的成分、结构、键型非常复杂，引起矿物颜 色变化的因素也是非常复杂，矿物的颜色往往是多种呈色 机理所产生的总效应。实例：蓝宝石的蓝色（含少量铁、 钛的刚玉），其蓝色 机理是d-d跃迁和离子间的电子转移综合作用引起的。工艺矿物学5矿物的物理性质
14、适用专业：矿物加工工程工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程(5)物理光学效应由于光的反射、干涉等物理因素能使矿物呈色，包括晕色、锖色 、变彩等。 晕色 某些透明矿物的表面常呈现出一种彩虹般的色带称为晕色； 实例：云母、方解石、石英。这主要由于透明矿物内部的解理面或 裂隙面对光连续反射，引起光的干涉而产生的。锖色某些不透明矿物，因风化表面产生氧化薄膜，引起反射光的干 涉作用，使矿物表面呈现各种颜色称为锖色。 实例：斑铜矿具有独特的、色彩斑驳的蓝、绽、紫色，可作为鉴定 特征。工艺矿物学5矿物
15、的物理性质适用专业：矿物加工工程变彩某些透明矿物由于内部有微细的叶片状包裹体，对光 发生反射和干涉，在转动时或沿不同角度观察，可呈现不 同颜色的变化称为变彩。 注解：1.在矿物学中，矿物的颜色分为自色、他色、假色。 自色是指由矿物本身固有的成分、结构所决定的颜色。 他色是由矿物中含的机械杂质、气液包裹体（红色方解 石）等所引起的颜色。 假色是由物理光学效应而产生的颜色，如上所述的晕色 、锖色、变彩等。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程晕色 锖色 变彩 工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程你知道么？石英（紫色、烟黄色、烟褐色、玫瑰色 烟灰色黑色）石 英因粒度、颜色、包裹
16、体等的不同而有许多变种。无色透明的石英称为水晶，紫色水晶俗称紫晶，烟黄色、烟褐色至近黑色的俗称茶晶、烟晶或墨晶，玫瑰 红色的俗称芙蓉石；呈肾状、钟乳状的隐晶质石英称石髓，具不同颜色同心条带构造的晶腺叫玛瑙，玛瑙晶腺内部有明显可见的液态包裹体的俗称玛瑙水胆，细粒微晶组成的灰色至黑色隐晶质石英称燧石，俗称火石 。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程2矿物的条痕矿物的条痕是指矿物新鲜表面在白色无釉瓷板上刻划 后，留下的粉末颜色。 注解1矿物的条痕可以消除假色，减弱他色，比矿物颜色更 稳定。在鉴定各种彩色或金属色矿物时，条痕色是重要的 鉴定特征之一。 注解2 对浅色矿物，条痕色皆为白色或灰白色，则毫无鉴定意义 。 注解3 有些矿物由于类质同象混入物影响，会使条痕发生变化。 根据条痕色的微细变化，可大致了解矿物成分。工艺矿物学5矿物的物理性质适用专业：矿物加工工程雌黄(金黄色)赤铁矿(红棕色)
