用宝石的导热率鉴定彩色宝石的检测方法
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：
-
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。
-
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。
-
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。
-
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 |
