用宝石的导热率鉴定彩色宝石的检测方法

斯里兰卡宝石 2023-12-17 3673浏览

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宝石学检测方法的局限性

宝石学家在宝石分析和鉴定中面临一些限制,主要因为他们必须使用非破坏性的测试方法。这些方法主要涉及光学领域,包括光谱学、比重测量和发光等。

由于硬度测试可能会损坏宝石,因此宝石学家很少定期测量切割和磨削后的宝石硬度。


此外,宝石学领域使用的仪器必须足够简单,以便未经过专业培训的人能够使用,并且价格要相对实惠。虽然许多宝石学文献报道了使用各种先进仪器进行的宝石测量,例如紫外吸收光谱、X射线荧光分析和电子顺磁共振,但这些仪器对于普通的宝石学家或鉴定师而言可能并不实用。


因此,寻找可能的廉价、简便且非技术性的宝石分析和诊断方法的潜力变得至关重要。其中一种方法是测量宝石的热性质,包括比热、热扩散率、热导率和热惯性。这些热性质的测量可能为宝石学家提供一种更实用的工具,以辅助他们在宝石鉴定中的工作。


热能传递方法

热能在物体之间传递的方式主要有三种:辐射、对流和传导。

  • 辐射: 辐射是通过电磁波的形式传递热能的方法。这种方式不需要介质,因此它可以在真空中传递。太阳光是一个典型的辐射的例子,因为它是通过真空传播到地球的。

  • 对流: 对流是通过流体介质的热能传递方式。当液体或气体受热而变热升起时,冷的液体或气体就会替代它占据底部。这种上升和下降的运动导致热量的传递。例如,沸水中的对流现象是通过液体的上升和下降来传递热能的过程。

  • 传导: 传导是通过固体材料的直接接触和分子之间的碰撞传递热能的方式。在这种传递方式中,热量从高温区域传递到低温区域。固体物体之间的热传导是宝石学中最相关的,因为宝石通常是固体材料。

在宝石学中,了解热传导是非常重要的,因为它可以帮助研究者了解宝石的性质。例如,通过测量宝石的热传导率,可以对宝石的真伪和其他属性进行初步的评估。


宝石鉴定中的热传导性

宝石鉴定中的热特性对于研究宝石的性质和真伪具有重要意义,其中有四种主要的热特性,它们在数学上存在一定的关联。以下是这四种热特性的定义:


  1. 比热: 比热是指将一克物质升高一摄氏度所需的热量。尽管比热是每种物质独有的常数,但对于宝石学而言,不同宝石材料之间的差异相对较小,因此在鉴定过程中并不特别有用。

  2. 热扩散率: 热扩散率是测量材料中热量传播速度的指标。当给物质加热时,部分热能会提高该物质的温度,而其余的热能则从加热点向外扩散。热扩散率越高,热量从一点传递到另一点的速度就越快。

  3. 导热系数: 热导率是指通过给定厚度的材料的热流与该厚度上的温差的比率。它是有方向性的,类似于折射率,通常在材料各向同性(等距)的情况下测量。热导率的测定对于研究材料的热性质和特性非常重要。

  4. 热惯性: 热惯性是指材料表面温度因热量流入而发生变化的速度。热惯性越高,受热时表面温度上升越慢。低热惯性的材料(例如塑料)在触摸时感觉温暖,而高热惯性的石头材料触摸起来较冷。


通过测量和理解这些热特性,宝石学家可以更深入地了解宝石的性质,帮助鉴定宝石的真伪以及提供宝石学研究的重要线索。


使用钻石探针

使用钻石探针来测量宝石的热惯性是一种常见的方法。这些探针利用热电偶和热源或电阻加热器,能够测量材料的平均热惯性。商业探针,如由GIA、Rayner、Kashan和Ceres Corp.制造的探针,特别设计用于区分钻石和其他仿制品,因为钻石具有较高的热惯性。


在使用这类仪器时,一些注意事项包括防止气流对读数的影响。探头尖端需贴近被测量的材料表面,例如宝石刻面,然后大约一秒钟即可获取仪表读数。这些读数可能与热惯性有关。


商业探针的设计目的是特别用于钻石,因为钻石的热惯性相对较高,而仿制品如立方氧化锆等的热惯性较低。


在测量非常小的宝石时可能会遇到一些困难,但可以通过对仪器进行校准以适应小尺寸宝石来解决。如果准确而定量的探针得到广泛应用,热惯性可能会成为宝石分析中一项非常有用且易于测量的参数。下表按照热惯性递减的顺序排列了一些材料,由美国地质调查局的唐纳德·胡佛博士编制。


宝石材料、合成物和仿制品以及某些金属在室温下的热性质


材料

热导率(cal/cm ⁰C sec)

比热 (cal/cm ⁰C)

密度(克/厘米ᶟ)

热扩散率(cm²/秒)

热惯量 (cal/cm² ⁰C sec½)

宝石材料、合成物和仿制品




钻石

1.6-4.8

0.12

3.52a

3.79-11.4

0.822-1.42

碳化硅(合成)

0.215ᵇ

0.2*

3.17

0.0339

0.369

方镁石(合成)

0.110ᵇ

0.2*

3.575ᵃ

0.154

0.281

刚玉:c轴

0.0834ᵇ

0.206

4.0ᵃ

0.101

0.262

                        a轴

0.0772

0.206

4.0ᵃ

0.0937

0.252

                        c轴

0.060ᶜ

0.206

4.0ᵃ

0.0728

0.222

黄玉:轴

0.0446

0.2*

3.53ᵃ

0.0632

0.177

               意思是,科罗拉多州甘尼森

0.0269

0.2*

3.531

0.0381

0.138

黄铁矿:科罗拉多州

0.0459

0.136

4.915

0.0684

0.176

蓝晶石:c轴

0.0413ᵇ

0.201

3.66ᵃ

0.0562

0.174

                  b轴

0.0396ᵇ

0.201

3.66ᵃ

0.0539

0.171

       平均值,米纳斯吉拉斯州,巴西

0.0338

0.201

3.102

0.0461

0.158

赤铁矿:巴西伊塔比拉

0.0270

0.169

5.143

0.310

0.153

尖晶石:地点未知

0.0281

0.216

3.63ᵃ

0.0358

0.148

               马达加斯加

0.0227

0.216

3.633

0.0288

0.133

萤石:产地未知

0.0219

0.220

3.18ᵃ

0.0313

0.124

                  罗西克莱尔 (伊利诺伊州)

0.0227

0.220

3.186

0.0324

0.126

闪锌矿:墨西哥奇瓦瓦州

0.0304

0.115

4.103

0.0646

0.120

硅线石:澳大利亚威廉斯敦

0.0217

0.203

3.162

0.0339

0.118

红柱石:巴西米纳斯吉拉斯州

0.0181

0.202

3.102

0.0289

0.107

叶蜡石:北卡罗来纳州

0.0194

0.2*

2.829

0.0343

0.105

翡翠:日本

0.0159

0.206

3.196

0.0242

0.102

     加利福尼亚州圣贝尼托县

0.0110

0.206

3.350

0.016

0.0873

加尼石:科罗拉多州

0.0103

0.2*

4.163

0.100

0.102

菱镁矿:德兰士瓦

0.0139

0.236

2.993

0.0198

0.0992

金红石:c轴

0.0231ᵇ

0.189

4.2

0.0291

0.135

               a轴

0.0132ᵇ

0.189

4.2

0.0166

0.102

               意思是,弗吉尼亚州

0.0122

0.189

4.244

0.0153

0.0990

Grossular:康涅狄格州

0.0135

0.196

3.617

0.0188

0.0979

                     墨西哥奇瓦瓦州

0.0134

0.196

3.548

0.0193

0.0967

                     加利福尼亚州克雷斯特莫尔

0.0124

0.196

3.318

0.0190

0.0898

石英:c轴

0.0264ᵇ

0.196

2.65ᵃ

0.0578

0.125

                c轴

0.0264ᶜ

0.196

2.65ᵃ

0.0509

0.117

                a轴

0.0140ᵇ

0.196

2.65ᵃ

0.0270

0.0854

                a轴

0.0160ᶜ

0.196

2.65ᵃ

0.0308

0.0912

               意思是,杰西维尔,阿肯色州

0.0184

0.196

2.647

0.0354

0.0978

锂辉石:缅因州

0.0135

0.2*

3.155

0.0214

0.0923

透辉石:纽约

0.0133

0.196

3.270

0.0208

0.0923

                     马达加斯加

0.00969

0.196

3.394

0.0146

0.0802

白云石

0.0132

0.221

2.857

0.0209

0.0911

橄榄石(橄榄石、Fo₈₆Fa₁₄)

0.0115

0.2*

3.469

0.0166

0.0893

埃尔拜特:南达科他州基斯通

0.0126

0.2*

3.134

0.0202

0.0889

滑石,魁北克

0.0124

0.221

2.804

0.200

0.0878

透闪石:纽约州巴尔马特

0.0117

0.210

2.981

0.0186

0.0854

                      加拿大安大略省

0.0112

0.210

3.008

0.0177

0.0839

磷铝石:南达科他州

0.0119

0.2*

3.025

0.0197

0.0850

锆石:澳大利亚

0.0109

0.140

4.633

0.0167

0.0839

顽火辉石:(En₉₈Fs2):加利福尼亚州

0.0105

0.2*

3.209

0.0334

0.0821

青铜矿:(En₇₈Fs22):魁北克

0.00994

0.2*

3.365

0.0148

0.0818

Spessartine:康涅狄格州哈达姆

0.00811

0.2*

3.987

0.0102

0.0804

Datolite:新泽西州帕特森

0.0106

0.2*

2.996

0.0177

0.0798

硬石膏:加拿大安大略省

0.0114

0.187

2.978

0.0204

0.0796

Almandine:纽约戈尔山

0.00791

0.2*

3.932

0.0101

0.0789

十字石:格鲁吉亚

0.00828

0.2*

3.689

0.0112

0.0782

八月:安大略省

0.00913

0.2*

3.275

0.014

0.0773

镁铝榴石:亚利桑那州纳瓦霍保留地

0.00759

0.2*

3.746

0.0101

0.0754

Andradite:加拿大安大略省

0.00738

0.2*

3.746

0.00984

0.0744

Smithsonite:新墨西哥州凯利

0.00612

0.2*

4.362

0.00701

0.0731

绿柱石:c 轴

.0131ᵇ

0.2*

2.70ᵃ

0.0243

0.0842

          a轴

.0104ᵇ

0.2*

2.70ᵃ

0.0193

0.0750

          平均值,米纳斯吉拉斯州,巴西

0.00953

0.2*

2.701

0.0176

0.0718

方解石:墨西哥奇瓦瓦州

0.00858

0.218

2.721

0.0145

0.0713

Axinite:下加利福尼亚州

0.00767

0.2*

3.306

0.0116

0.0712

葡萄石:新泽西州帕特森

0.00854

0.2*

2.953

0.0145

0.0710

红纹石:阿根廷

0.00731

0.184

3.584

0.0111

0.0695

弗林特:俄亥俄州布朗斯维尔

0.00886

0.2*

2.618

0.0169

0.0681

Epidote:科罗拉多州卡鲁梅特

0.00627

0.2*

3.413

0.00919

0.0654

透锂长石:津巴布韦

0.00856

0.2*

2.391

0.0179

0.0640

斜斜岩:下加利福尼亚州

0.00574

0.2*

3.360

0.00854

0.0621

Idocrase:墨西哥奇瓦瓦州

0.00576

0.2*

3.342

0.00863

0.0620

榍石:加拿大安大略省

0.00558

0.188

3.525

0.00845

0.0607

堇青石:马达加斯加

0.00650

0.2*

2.592

0.0126

0.0580

黝帘石:Liksviken,挪威

0.00513

0.2*

3.267

0.00785

0.0579

文石:英格兰萨默塞特

0.00535

0.209

2.827

0.00906

0.0562

微斜层:弗吉尼亚州阿米莉亚

0.00621

0.194

2.556

0.0126

0.0554

                   加拿大安大略省

0.00590

0.194

2.558

0.0119

0.0541

钠比特:(Ab₉₉An₁):弗吉尼亚州阿米莉亚

0.00553

0.202

2.606

0.0105

0.0540

蛇纹石(蜥蜴石):英国康沃尔郡

0.00558

0.2*

2.601

0.0107

0.0539

正长石:内华达州古德斯普林

0.00553

0.2*

2.583

0.0107

0.0534

方钠石:加拿大安大略省

0.00600

0.2*0

2.326

0.0129

0.0528

锂云母:新墨西哥州迪克森

0.00460

0.2*

2.844

0.00807

0.0512

钙长石 (Ab₄An₉₆):日本

0.00401

0.196

2.769

0.00737

0.0467

面粉-磷灰石:加拿大安大略省

0.00328

0.195

3.215

0.00522

0.0454

氯磷灰石:Snarum,挪威

0.00331

0.195

3.152

0.00539

0.0451

拉布拉多石 (Ab4Ann):纳因,拉布拉多

0.00365

0.2*

2.701

0.00676

0.0444

重晶石:格鲁吉亚

0.00319

0.113

4.411

0.00639

0.0399

鱼眼石:印度浦那

0.00331

0.2*

2.364

0.00699

0.0396

白榴石:意大利罗马

0.00274

0.2*

2.483

0.00551

0.0369

玻璃二氧化硅(通用电气)

0.00325

0.201

2.205

0.0074

0.0379

玻璃石:北卡罗来纳州云杉松

0.00290

0.2*

2.080

0.0070

0.0347

玻璃:黑曜石

0.00330ᵇ

0.2*

2.4ᵃ

0.00688

0.0398

           普通火石(铅)

.0018ᵇ

0.117ᵃ

3.5ᶜ

0.00440

0.0272

           非常重的燧石(铅)

00.12ᵇ

0.117

4.5ᵃ

0.00228

0.0251

金属




0.927

0.092

8.89

1.13

0.871

银 100%

1.00

0.056

10.5

1.70

0.767

银 96%,金 31%(重量)

0.237

0.048*

12.3

0.401

0.374

银 34%,金 66%(重量)

0.152

0.040*

15.5

0.245

0.307

黄金 100%

0.707

0.031

19.3

1.18

0.650

0.485

0.214

2.7

0.839

0.529

0.166

0.032

21.4

0.242

0.337

铂,10% 铱

0.074

0.032*

21.6

0.107

0.226