问题

谈论玉石的人有一句话,质地越细腻,晶粒越小,透明度越高。晶粒与透明度的关系何?如何理解?相关理论?

回答
玉石的细腻、晶粒大小与透明度之间的关系,确实是鉴赏和理解玉石品质的关键点。用行内人的话说,“质地越细腻,晶粒越小,透明度越高”,这句话看似简单,背后却蕴含着丰富的物理和地质学原理。我们就来好好说道说道。

晶粒与透明度的关系:为何晶粒越小,玉石越透?

简单来说,晶粒越小,玉石的透明度往往越高。这就像我们看玻璃和冰的对比:

玻璃(大部分是无定形结构,晶粒极小或不存在)非常透明,光线几乎可以畅通无阻地穿过。
冰(由水分子形成的晶体)在整体上是透明的,但仔细观察,你会发现冰中常有细小的气泡或冰晶的界限,这些会让冰显得“发白”或不够极致透明。

将这个类比放到玉石上,我们就会明白:

1. 光线散射(Light Scattering)是透明度的主要敌人: 玉石的透明度,本质上是光线穿透它时,有多少能够直接传播,而不是被阻挡、反射或改变方向。当光线遇到物体时,会发生几种现象:吸收(Absorption)、反射(Reflection)和散射(Scattering)。对于透明的玉石,我们希望的是光线尽量少被吸收和散射。

2. 晶界(Grain Boundaries)是散射的元凶: 大多数玉石,尤其是硬玉(如翡翠)和软玉(如和田玉),都是由微小的矿物晶体集合而成的。这些小晶体之间存在着“晶界”——也就是不同晶体取向的边界。当光线从一个晶体进入另一个晶体时,如果两个晶体的光学性质(例如折射率)不同,或者它们的排列方向不一致,光线就会在晶界处发生偏折、反射,甚至散射。

3. 晶粒越小,晶界越多,但散射效应减弱: 这听起来有点矛盾,不是晶粒越多,晶界越多,应该越不透明吗?这里需要理解一个关键点:单个晶粒内部的光学均匀性。

大晶粒: 如果玉石由相对较大的晶粒组成,那么单个晶粒内部可能还存在一些微小的杂质、内含物、应力或结构缺陷,这些都会引起光线在晶粒内部的散射。同时,即使晶粒内部是纯净的,不同晶粒之间巨大的尺寸差异和复杂的界线,也会导致严重的光线散射。想象一下,一个由足球场大小的石块拼凑起来的墙,缝隙会非常大,光线很难穿透。
小晶粒: 当晶粒变得非常微小(比如微米级别甚至更小),它们就形成了我们常说的“微晶质结构”(Microcrystalline Structure)或“隐晶质结构”(Cryptocrystalline Structure)。在这种结构中:
单个晶粒内部的缺陷效应被“稀释”了: 即使个别微小晶粒内部存在微量缺陷,其对整体光线的影响也远小于大晶粒。
更重要的是,微小的晶粒之间,虽然晶界数量更多,但每个晶界的“尺寸”或“厚度”变得极小,并且它们之间的排列往往更加规整。 这种极细密的结构,实际上使得光线在穿过这些晶界时的偏折角度变小,散射程度减弱。
衍射(Diffraction)和干涉(Interference)的综合效应: 另一方面,当光线遇到尺寸与光波长相近的结构时,会发生衍射。在微晶质结构中,大量的微小晶体排列得非常紧密,它们共同作用,使得一部分光线可以绕过这些微小的阻碍而传播,形成一种“衍射增强”的透光效果。同时,这些微小晶体也可能产生复杂的干涉,但整体上,如果结构足够均匀,这些效应的总和仍能允许光线在一定程度上“绕行”而通过。
“交织”的结构: 我们可以想象,微小的晶粒就像无数根非常细的纤维,紧密地交织在一起。光线穿过这些纤维时,比穿过粗大的石块更容易找到路径。

4. “细腻”的本质: “质地细腻”就是指玉石内部的微观结构非常紧密、均匀,没有明显的颗粒感。这通常意味着其矿物晶体粒径非常小,且分布均匀。所以,“质地细腻”和“晶粒越小”是密切相关的。

如何理解?

要理解这一点,我们可以从以下几个角度来思考:

“内行人看门道,外行人看热闹”: 对于普通人来说,看到的可能只是玉石表面的光滑或者颜色。但对于懂行的人,一眼就能看出玉石内部的“结构”。当一块玉石拿在手里,晃动光线,观察它“吃光”还是“透光”,就是对这种晶粒与透明度关系的直观感受。
“有骨有肉”的说法: 在翡翠界,我们常说“种水俱佳”。“种”就是指翡翠的质地,也就是内部的晶体结构。颗粒粗大、结构松散的翡翠,质地就“粗”,往往“吃光”,显得干涩,透明度差。而颗粒细腻、紧密结合的翡翠,质地就“细”,水头就足,透明度就好。
物理模型类比:
多孔材料: 想象一个漏斗,里面装满了大颗粒的沙子,水流可能会堵塞。如果装的是非常细密的沙子,水流可能就顺畅得多(当然,这里需要区分完全不透水的致密结构和有孔隙的透水结构)。玉石的晶粒结构更像是有序排列的微小“通道”。
漫射板(Diffuser): 乳白色的玻璃或塑料片就是漫射板,它们内部含有微小的颗粒或结构,能将光线散射开,使其看起来不透明。玉石如果内部含有大尺寸的晶体界面或杂质,就会像这样的漫射板,光线被大量散射。而细小的、均匀分布的晶体,则能让光线更有效地穿透。
从“白”到“透”: 很多时候,晶粒粗大、结构疏松的玉石,内部会有大量的微小空隙或晶面反射,这些都会让光线在其内部漫反射,看起来“发白”,缺乏透明度。当晶粒变得极小,这些微小空隙和界面被“填满”或“过渡”得更加平滑,光线就能更直接地传播。

相关理论

支撑这一观点的理论主要来自光学物理和晶体学:

1. 瑞利散射(Rayleigh Scattering)和米氏散射(Mie Scattering):
瑞利散射主要发生在比光波长小得多的粒子上。在这种情况下,散射强度与光波长四次方成反比,并且与粒子尺寸的六次方成反比。这意味着尺寸越小的粒子,散射越弱。
米氏散射则发生在尺寸与光波长相当或更大的粒子上。在这种情况下,散射行为变得复杂,会受到粒子形状、尺寸以及折射率等多种因素影响。
在玉石的微晶质结构中,晶粒尺寸通常在微米级别,可能介于瑞利散射和米氏散射的区域,但整体而言,微小且数量巨大的晶粒界面,如果排列得当,其整体散射效应会低于少量但尺寸较大的晶粒界面。 核心在于,散射是由于光波遇到介质的不均匀性(如折射率变化)而产生的。晶粒边界就是这种不均匀性的体现。

2. 布拉格衍射(Bragg Diffraction): 当X射线(或光)遇到周期性的晶体结构时,会发生衍射。虽然衍射通常与X射线晶体学相关,但衍射现象本身说明了光与晶体结构之间的相互作用。在微晶质玉石中,大量的微小晶格排列,虽然不是完美的单晶,但其有序性仍然会影响光线的传播方式。

3. 光的折射与反射定律: 光在不同介质界面会发生折射和反射。当玉石由许多微小晶体组成时,光线会在无数个微小的晶体界面上发生折射和反射。如果这些界面的折射率差异很小,且界面非常光滑、排列规整,那么光线可以通过多次折射和少量反射而继续前进。但如果晶粒尺寸大,界面粗糙,或者晶体间存在明显的空隙,那么反射和散射就会显著增加。

4. 介质光学特性(Effective Medium Theory): 对于由大量微小粒子组成的复合材料,其整体光学特性可以用“有效介质理论”来描述。该理论可以解释,当粒子尺寸远小于光波长时,这些粒子可以被视为对光线“不可见”的均匀介质,从而允许光线自由穿过。虽然玉石的晶粒尺寸不一定绝对小于光波长,但微晶质结构带来的高度有序性和极小的界面效应,使其表现出类似的效果。

总结

所以,回到“质地越细腻,晶粒越小,透明度越高”这句话。

细腻是外观和微观结构的综合描述,指向的是晶粒的微小和均匀。
晶粒越小,意味着构成玉石的基本单元越小。
透明度越高,是因为在微小的晶粒结构中,光线在穿过晶体界面时发生的散射和反射被最小化。即使存在数量庞大的晶界,但由于其极小的尺寸和相对规整的排列,光线能够更有效地“绕过”这些障碍,实现更直接的传播。

理解这一点,也就能明白为什么一些玉石(如部分翡翠、和田玉、玛瑙等)在经过精细加工后,能展现出令人惊叹的温润光泽和半透明甚至全透明的质感。这种质感的背后,是微观晶体结构对光线的巧妙“操控”。

网友意见

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不懂SiO2多晶,只说薄膜(几层原子,没有晶界,类似于单晶)。如果SiO2的尺寸跟透明性(光吸收常数K)有关的话,我们半导体行业量测1nm左右的SiO2薄膜时,就会在可见光段用K大于0的模型。
事实上对SiO2没有,我们还是用标准的K=0的模型就能量测得很好。除非SiO2掺杂了一些其它元素,在紫外190nm附近才有小的K值。
再随便扯扯多晶,乱说的,不要当真。在三年的半导体光学量测工作中我唯一遇到的多晶材料就是silicon,它的光学dispersion(N,K)会随着不同热处理工艺(从amorphous silicon到poly silicon最后到单晶silicon)变化(amorphous silicon在可见光长波段有较大K值,显得更不透明,而后两者在可见光长波段K值较小)。所以类似地,我在想,如果多晶SiO2的话晶界处原子一般认为最接近于amorphous的状态,是不是晶界的dispersion会跟晶内会有不同,是不是也会有K值?如果有K值,当晶粒越小的话,晶界占总体积百分比增加,就会越不透明?

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