第二节　折射仪

折射仪是宝石鉴定中可定量测定宝石折射率的一种重要的常规鉴定仪器，能无损、快速、准确地测出待测宝石的折射率值，折射率是透明宝石的主要光学常数，是鉴别宝石品种的重要科学依据。

一、折射仪的工作原理

折射仪（Refractometer，图4-10）是根据光的全反射原理制成的，主要由立方氧化锆半球、刻度尺、棱镜和观察目镜组成。

当入射光线通过光密介质的立方氧化锆半球，进入光疏介质的宝石样品时（图4-11），其中部分入射光线（1、2、3束）透过宝石样品时折射为1′、2′、3′三束光线；部分入射光线（如4、5、6束）则由于入射角大于宝石样品的全反射临界角，而被全反射为4′、5′、6′三束光线，4、4′分别是临界角的入射光线和反射光线，此时立方氧化锆的右半部表现出明亮与黑暗的两部分。立方氧化锆半球右侧明暗区的边界与测台平面的法线之间的夹角，即为全反射临界角θ。由于立方氧化锆半球的折射率NCZ是已知的，根据光的全反射公式N宝=NCZsinθ，便可求得宝石的折射率值。从公式可知N宝与全反射临界角θ的正弦成正比，半球上的亮区与暗区的界线位置就是宝石的折射率。折射仪的设计就是将这一界线位置，用折射率刻度尺来加以标定，测量时经过棱镜反射，并经观察目镜聚焦后，可以直接读出所测宝石的折射率值。

二、使用折射仪测定宝石折射率的前提条件

用折射仪测定宝石的折射率，通常需要满足以下条件。

①宝石应有良好的抛光面。在其他条件相同的情况下，抛光越好，折射率的读数越精确。

②要准备好酒精棉球、折射油。

③光源可使用白光（日光或光纤灯）或单色光（钠光灯或黄光二极管灯）。

④开启光源后，折射仪的视域应明亮，刻度尺应清晰。

1.操作步骤

三、测定大刻面宝石的折射率

①将宝石和工作台擦拭干净，并接好光源。

②在工作台上滴一小滴折射油（折射率通常为1.78～1.81），使得宝石与折射仪台面呈光学接触。

③将宝石中最大且抛光最好的刻面放在油滴上，小心移动调整至工作台中央，盖上折射仪工作台盖子。

④眼睛在距离目镜3～5cm处，上下移动或尽量靠近目镜，寻找刻度尺上的明暗交接处（阴影边）。读出此阴影截止边的刻度，即为该宝石的折射率值。

2.单折射宝石折射率的测定

单折射宝石包括等轴晶系和非晶质体宝石。当光线进入单折射宝石后，光不发生分解，光在各个方向的传播速度相等，只有一个固定的折射率值。

在折射仪工作台面上水平转动宝石360°时，并来回转动目镜上的偏光片，观察阴影边是否移动。阴影边始终不移动，则说明所测试的宝石为单折射的均质体宝石，阴影边的读数即其唯一的折射率值。有些宝石的折射率值超出折射仪测试范围，称为负读数。常见的单折射宝石的折射率，见表4-1。

3.双折射宝石折射率及双折射率的测定

当光线进入双折射宝石后，会发生分解成为两束互相垂直振动的偏光，分解后两束光的传播速度不同，其折射率的大小也不同。因此，一轴晶宝石有两个主折射率值Ne、No，二轴晶宝石有三个主折射率值Ng、Nm、Np。待测宝石在折射仪工作台面上转动360°（至少转动180°），每转动45°都要来回90°转动目镜上的偏光片，阴影边移动，或可见两条阴影边，说明所测试的宝石为双折射，其双折射率值为在折射仪上观测到的阴影边移动的最大距离，即所测得的最大和最小两个折射率值的差值（图4-12）。

4.确定宝石的轴性和光性符号

（1）一轴晶宝石　即三方、四方、六方晶系的宝石。待测宝石在折射仪上转动360°时，并转动偏光片的同时，可见两条阴影边界，其中一条阴影边界固定不动（No），另一条上、下移动（Ne′），并能见到两条有时重合为一的现象，则该宝石为一轴晶；固定不动的值为常光No方向（与光轴垂直），可移动的值为非常光Ne方向（光轴方向）；即移动值为大值，为一轴正光性Ne﹥No；移动值为小值，则为一轴负光性Ne﹤No（图4-13）。常见的一轴晶宝石的折射率和双折射率值，见表4-2。

（2）二轴晶宝石　即斜方、单斜和三斜晶系的宝石。待测宝石在折射仪工作台面上水平转动360°时，并转动偏光片的同时，两条阴影边界都上、下移动，且不重合，说明宝石为二轴晶。二轴晶宝石有三个主折射率值，高值Ng、中间值Nm、低值Np；高值移动超过中间值，Ng-Nm﹥Nm-Np为二轴正光性；低值移动超过中间值，Ng-Nm﹤Nm-Np为二轴负光性（图4-13）。在工作台面上水平转动宝石时，若两条阴影边都不动，或其中一条变动，但始终不与另一条不动的重合，则轴性和光符都难以确定，需要更换另一刻面进行测定。常见的二轴晶宝石的折射率和双折射率值，见表4-3。

在使用折射仪测试宝石折射率时，折射仪中出现的读数变动情况，可以判断宝石的轴性，如图4-14所示。

综上所述，利用折射仪测定大刻面宝石折射率，在测试过程中出现的以下几种特殊现象，应予以特别关注。

（1）假均质体现象　转动宝石360°，好像只有一条阴影边界，但快速转动偏光片，阴影边界上下跳动，这种现象表示待测宝石为非均质体，其双折射率很小，两条阴影边界距离很小，肉眼难于分辨，如磷灰石双折射率为0.002～0.008。

（2）假一轴晶现象　有些二轴晶宝石的Ng与Nm或Nm与Np的差值很小，当转动宝石360°时，好像其中一条阴影边界不动，如金绿宝石和托帕石。当二轴晶宝石的测试刻面与某个振动方向垂直时，则必有一条阴影不动，与一轴晶宝石现象一致，若换一个刻面测试，这种现象即消失。

对于二轴晶宝石来说，由于两条阴影边界各自移动，在一个刻面不能同时获得宝石的最高与最低折射率值。

（3）一轴晶特殊方向的折射率值　如果宝石的光轴与所测的刻面垂直，那么在180°间的每一对读数都是最大值或者最小值，即只有一个值不是最大值就是最小值。

如果宝石的光轴与折射仪测台长轴方向平行，则只有一个值，转动宝石的方向，即可以看到双阴影边界。

（4）某些具有特殊双折射率的宝石　其中一个折射率值位于折射仪范围内，而另一个折射率值超出测试范围，当转动宝石时，只有一条阴影边界可见，随着宝石转动在不停移动。如菱锰矿。

四、测定小刻面宝石的折射率（远视法）

小刻面可出现于粒度小的宝石上，也可见于大颗粒宝石的侧刻面，即宝石测试面的直径比折射仪的测台窄。测定小刻面宝石的折射率，需要注意以下几个方面。

（1）选用最大且抛光良好的刻面。

（2）可不放大（取下偏光镜）。

（3）将微量折射油滴在折射仪测台的中央，并将宝石选好的小刻面放置在油滴之上，使宝石的长轴方向平行于测台的长轴方向，在距折射仪30～35cm处观察宝石的小刻面所形成的影像。取小刻面影像为半明半暗位置时的读数，即为该宝石的折射率值［图4-15（a）］。

五、测定弧面型宝石的折射率（点测法）

1.测定弧面型宝石折射率

测定弧面型宝石的折射率，需要注意以下几个方面的问题：

（1）选用宝石抛光最佳的部位。

（2）可不放大（取下偏光镜）。

（3）在折射仪的测台上，滴一小滴折射油。

（4）将待测面沾上折射油并放置到测台的中央，若宝石为椭圆形，则使宝石的长轴方向平行于测台的长轴方向。

2.测定弧面型宝石折射率的观测方法

在距折射仪30～35cm处观察宝石的点状影像，并选择下列三种观测法中的一种，进行读数［图4-15（b）］。

（1）1/2法　取点状影像为半明半暗位置时的读数，是点测法中较为精确的一种读数方法。

（2）明暗法　取点状影像急剧地由亮转暗位置的刻度值为所测折射率。

（3）均值法　点状影像的亮度在刻度尺的某一区间内逐渐变化，取最后一个全暗影像与第一个全亮影像的读数的平均值为所测折射率。这是点测法中最为不精确的一种读数方法。

注意：在测试过程中，过多的折射油会使影像过大或产生暗色环，还可产生弯曲的阴影截止边，甚至明、暗域颠倒。若折射油过多，可将宝石垂直拿起，擦去测台上的折射油，再将宝石置于测台中央。如此反复操作，直至点状影像的大小约覆盖2～3个读数刻度，再进行读数。点测法所测得的折射率，称宝石的近似折射率值。常见宝石近似折射率，见表4-4。

六、折射仪的主要用途及局限性

1.折射仪的用途

宝石鉴定中，折射仪是非常重要的科学检测仪器，获取的信息最多，其主要用途包括以下几方面。

（1）测定宝石的折射率　可测定折射率（RI）为1.35～1.81之间宝石的折射率值，绝大多数宝石的折射率在此范围内。

（2）测定宝石的双折射率（Biref.）　一轴晶和二轴晶宝石具有双折射，双折射率值的准确测定，对于区分折射率值相近的宝石尤为重要。

（3）确定宝石的轴性和光性符号　根据宝石在折射仪上阴影边界的移动情况，可以判定宝石是各向同性（等轴晶系、非晶质）、各向异性（非均质宝石：一轴晶或二轴晶的正光性或负光性）。

（4）测定宝石的近似折射率值　利用点测法可以测定：弧面型、小刻面型、雕件和抛光不好的珠宝玉石的近似折射率值。

2.折射仪的局限性

折射仪在宝石鉴定中，能获得很多有用的信息，但在使用过程中也存在着一定的局限性，主要包括以下几个方面。

（1）所测宝石一定要有能与折射仪测台保持良好接触的抛光面。

（2）能测得的折射率下限值约为1.35，上限值（取决于折射油的折射率）约为1.78～1.81。宝石的RI<1.35或者RI>1.81都无法测定；高于折射油的测试范围，折射仪上表现为负读数。

（3）不能区分某些人工处理宝石，如天然蓝宝石与热处理蓝宝石。

（4）不能区分某些合成宝石，如天然红宝石与合成红宝石。

3.使用折射仪需要注意的问题

在使用折射仪测定宝石的折射率时，需要注意以下几个方面的问题。

（1）要用手拿着柔软的镜头纸或酒精棉球擦净测台，用手或镊子小心地取放测台上的宝石。

（2）折射率读数应精确到千分位（即误差﹤0.005），并且其精度和可靠性还取决于宝石样品的清洁程度及抛光质量、测台的状态、所用折射油的多少、折射仪是否标定（可用已知样品标定）和所用光源的类型等因素。测台上的折射油放置久了会干，这时要仔细擦净测台和宝石再重测。

（3）具双折射的单晶宝石，可通过偏光镜下的干涉图，进一步验证所测得的轴性。

（4）弧面型宝石底部若有抛光的平面，可采用测定刻面宝石折射率的方法，因为阴影截止边的读数，总是比点测法的读数更为精确。

（5）折射率超过折射油极限的宝石，在1.790读数附近可见阴影边界，这是折射油的折射率，宝石的折射率称为负读数，记录为RI﹥1.790。

（6）操作时尽量将宝石放在测台的中部位置读数，观察时眼睛尽量靠近目镜，读数时眼睛都保持在同样的位置。