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用宝石的导热率鉴定彩色宝石的检测方法

宝石指南
斯里兰卡宝石 2023-12-17 3547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




铜

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

铝

0.485

0.214

2.7

0.839

0.529

铂

0.166

0.032

21.4

0.242

0.337

铂，10% 铱

0.074

0.032*

21.6

0.107

0.226


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