第七节 分光镜
宝石的颜色是宝石对不同波长的可见光选择性吸收造成的。未被吸收的光混合形成宝石的体色。宝石中的致色元素常有特定的吸收光谱。通过观察宝石的吸收光谱，可以帮助鉴定宝石品种，推断宝石的致色原因，研究宝石颜色的组成。
一、原理及结构
宝石中的致色元素主要为Ti、v、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等过渡金属元素。表2-1-2列出了其对宝石颜色的影响。除过渡金属元素外，某些稀土元素(如钕和镨)以及某些放射性元素(如铀)，也会使宝石致色。
若采用一种仪器，能将白光按波长依次分开排列，我们就可以分析出哪些波段被吸收，并根据吸收特征可以判断出宝石的致色元素或(和)种类。分光镜便是这样一种仪器，根据色散元件的不同，可制作两种类型的分光镜。
1.棱镜式分光镜 棱镜式分光镜采用三角棱镜作为其色散元件。下图为其工作原理简图。
S为一狭缝，位于L1的第一焦平面。当白光通过狭缝S后，经过L1成为平行光束。不同波长的光经过棱镜后折射方向不同，但同一波长的光束仍保持平行。穿过棱镜的光波经乙，后汇聚到成像焦平面上，不同波长的光波汇聚点不同，形成一系列不同颜色的像，即形成光谱。
棱镜式分光镜中的棱镜应具有以下特点：
1)棱镜材料不应吸收可见光的特定波长，否则会混淆观测结果。
2)棱镜的色散不应太大或太小，其目的是使产生的光谱有合适的宽度。
3)棱镜材料必须是均质体，否则会产生两个光谱，影响观察。
根据上述原理基础，采用棱镜组(棱镜彼此之间呈光学接触)使入射光的传播方向近于 不变。棱镜通常使用铅玻璃和无铅玻璃两种材料制成。
由于单凸透镜都存在着色像差，因此设计了可前后移动的滑管，以分别对红端和紫端进行观察。此外，狭缝宽窄也是可调的，若狭缝调得太宽，入射光量增加，但同时狭缝的像宽也增加，从而引起不同颜色的像之间产生叠加，反而看不清：若狭缝调得太窄，虽然像也变得窄，但入射光量减少，影响观察。因此使用棱镜式分光镜时，应把滑管和狭缝调到最佳位置。
2．光栅式分光镜
光栅式分光镜采用光栅代替棱镜做色散元件。光栅是一种具周期性的空间结构或光学性能的衍射屏，是一种十分精密的分光元件。当白光透过光栅后，产生衍射，形成一系列光谱。
光栅式分光镜的优点是能产生线性光谱，也就是说所有的波长都是等间距排列的，而棱镜式分光镜却是非等间距的，红光区相对收敛，紫光区相对发散。因此光栅式分光镜有利于观察红区光谱的特征，棱镜式分光镜宜于观察紫区光谱的特征。
二、使用方法
分光镜的用途十分广泛，可以用来判断宝石的致色元素，鉴定具特征光谱的宝石种，以及鉴定合成、优化处理宝石和仿制品等。
(一) 照明方式 由于分光镜体积小，便于携带，且特征光谱具有明确的鉴定特征，因此分光镜是一种十分重要的鉴定仪器。在使用时，常配合各种照明方式对宝石进行观察。
1．透射光法 适用于半透明到透明、颗粒较大的宝石，可保证足够的光能透过宝石进入分光镜。利用此法要注意：
1)保证足够的光量透过宝石。
2)保证进入分光镜的光都来自宝石，从而得到清晰的光谱。 为此，常采用挡光黑板或锁光圈挡住来自宝石外部的光线，并尽可能地缩短眼睛、分光镜、宝石、光源间的距离。
2．内反射光法 适用于颜色较浅，宝石颗粒较小的透明宝石。宝石台面向下置于黑色背景上，调节入射光方向与分光镜的夹角，增加光线在宝石中的光程，使尽可能多的白光经过宝石的内部反射后进人分光镜。
3. 表面反射光法 适用于透明度不好的宝石。调节入射光方向与分光镜的夹角，使尽可能多的白光经宝石表面反射后进入分光镜。
(二) 操作步骤
宝石鉴定中常用的是便携式分光镜，而实验室中还使用台式分光镜。台式分光镜是一种带光源、标尺等附件的棱镜式分光镜，其光源强度、锁光圈、镜筒、进光狭缝和波长标尺等都可调节，可以观察到明亮而清晰的光谱。现以透射光法为例说明台式分光镜的使用方法。
1)将宝石用宝石夹夹住贴近锁光圈口或直接放在锁光圈孔上，根据宝石的尺寸调节锁光圈口。
2)寻找和对准宝石的最亮点，以保证透过宝石的光能最大限度地进人分光镜。
3)调节光源强度，浅色宝石应强度较低，半透明或深色宝石应强度较高。
4)完全关闭进光狭缝，然后缓慢开启，直到全部光谱清晰。对于透明宝石，狭缝开口极窄，几近关闭，通常光谱在狭缝即将完全关闭时最为清晰；对于半透明宝石狭缝开口稍宽。观察红区光谱时，狭缝应调窄；观察紫区光谱时，狭缝应适当调宽。
5)缓慢调节滑管，准焦观察。
三、使用分光镜观察光谱时的注意事项
1)所观察到的光谱受下列因素的影响： 照明光源 应为白光源(连续光谱)，光源既不能有发射谱线也不能有吸收谱线。如太阳光和室内照明用日光灯，都有发射光谱，不能用做分光镜的照明光源。因此最好采用白炽灯、手电筒或特制光纤灯做光源。 宝石的大小 宝石较小，其光谱中的吸收线(带)可能相对较弱。 宝石颜色的深浅 同种宝石的颜色越深，吸收越强，光谱就越清晰。 宝石的透明度 对于透明宝石而言，穿过宝石的光程越长，光谱越清晰；而对于半透明宝石而言，穿过宝石的光程要适当。 分光镜狭缝应保持清洁，若有灰尘，会在光谱上产生黑色水平线。 宝石长久受光源热辐照，光谱会逐渐模糊甚至完全消失。
2)某些宝石的光谱具有方向性 这可能是由宝石的异向性引起的。
3)鉴定宝石时应与其他鉴定仪器配合使用 如蓝宝石和合成蓝宝石拼合石在分光镜下可呈现蓝宝石吸收光谱，石榴石为顶的拼合石可能呈现石榴石光谱，分光镜不能准确鉴别其是否为拼合宝石。因此分光镜应与显微镜等其他鉴定仪器配合使用。
4)应在暗环境下使用分光镜 在暗环境下使用分光镜可以排除某些发射谱的影响，如有些宝石在黄、绿、蓝和紫区有亮线，这是由于室内日光灯的光反射进入分光镜所致。
5)应该注意的是，不是所有的宝石都产生吸收光谱。另外测试时勿用手持样品，因为血液会产生波长为592nm的吸收线。
分光镜的使用很大程度上基于实践经验和宝石学知识，尤其是对宝石特征光谱的认识，只有熟记了宝石的特征光谱和过渡元素的特征谱线，才能有效地利用分光镜。
四、主要色素离子光谱特征
1．铬
主要形成绿色和红色。铬的吸收光谱主要表现为：红端有许多窄线，最强的两条位于深红区，另有两条位于橙区。在黄或绿区有一宽吸收带，此带的宽度、位置、强度与宝石的颜色密切相关。蓝区可有数条窄线，紫区吸收。铬产生的颜色色彩鲜艳，吸收谱清晰。
2．铁
主要形成红和绿，蓝、黄等色。铁的谱线的清晰程度远远小于铬的吸收光谱。铁的吸收光谱主要表现为：主要的吸收带位于绿和蓝区，但光谱的各部分都可有若干吸收，铁致色的宝石颜色通常较暗，如铁铝榴石、橄榄石等。
3.锰
主要形成粉、橙色。锰的吸收光谱主要表现为：最强的吸收位于紫区并可延伸到紫区外，部分蓝区有吸收，致色宝石主要呈现粉红或橙红，如菱锰矿、蔷薇辉石。
4.钴
主要形成蓝色和粉色。钴的吸收光谱主要表现为:三条强而宽的吸收带分别位于黄、绿区，如钴玻璃、蓝色合成尖晶石。
5.钕和镨
钕和镨常共生在一起，主要形成黄、绿色。钕和镨的吸收光谱主要表现为：在黄绿区形成特有的细线，如磷灰石、稀土玻璃。
6.铀
虽不能导致鲜明的颜色却能产生明显的吸收光谱。铀的吸收光谱主要表现为：最稳定的吸收谱线位于中红区，其他各色区都可伴有谱线，如锆石。
