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绚丽宝石的颜色从何而来?

来源:实验中心 | 作者:冯娟 艾昊 李华 马怡飞 薛智凤 | 时间:2023-12-25 | 阅读量:
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  世界的美在于它的色彩缤纷,大自然神奇的造物能力让美丽的颜色环绕在我们的身边,彩色宝石更是大自然赋予我们的天然“调色盘”。我们所看到的宝石都是经过几千年的锤炼,无数次的蜕变,成就了今天的光华……那么宝石颜色形成的原因是什么呢?今天我们就来揭开绚丽宝石颜色背后的秘密,其实宝石颜色的来源可以分为三个方面:自色、假色、他色。

  自色
  “自色”顾名思义就是“自己的颜色”,如果致色元素是宝石材料中原子结构的重要组分,那么这样的宝石材料就被称为“自色宝石”。例如橄榄石,它的化学成分为(Mg, Fe)2SiO4,铁元素作为橄榄石的主要化学成分,是使橄榄石呈现绿色的主要原因;朱砂、孔雀石等即为HgS、Cu(Ⅱ)等主要化学组成成分所产的自色。
  自色又可分为离子内部的电子跃迁和晶格结构缺陷致色等原因。离子内部的电子跃迁是指当矿物内部含有过渡性离子时,通过吸收特定能级的光,获得能量,然后就会呈现出这种颜色的补色,最终导致宝石呈现出不同颜色。例如:蓝宝石中铁离子和钛离子之间存在电荷转移而产生蓝色。
  晶格结构缺陷致色是指宝石生长过程中晶格中的某些位置离子缺失或者不规则排列能产生颜色。这些晶体结构中吸收光的缺陷部位称为色心,色心也可以由辐照导致,既可以是天然的也可以是人为的。例如萤石本来没有颜色,如果丢失了一个氟离子,为了保持晶体结构的电中性,丢失氟离子的空隙位置会捕获一个电子,从而导致萤石常见的紫色。
  他色
  化学元素是大部分宝石体色的形成原因,如果致色元素并非主要组分,而仅作为杂质形式存在,那么这样的宝石称为“他色宝石”。他色宝石在纯净时是无色的,当其他致色的微量元素混入时,就可以产生不同的颜色。例如:红宝石、蓝宝石等主要成分是三氧化二铝(Al2O3),本身属于刚玉,纯净时为无色透明,因为掺杂离子而产生的他色。红宝石因其成分中含铬而呈红到粉红色,所以红宝石红色来自铬(Cr),主要为Cr2O3,含量一般0.1%~3%,最高者达4%,含量越高颜色越鲜艳。而蓝宝石的蓝则是由于其中混有少量钛和铁杂质所致。
  假色
  部分宝石的颜色成因与光学效应有关,并非宝石固有的颜色。其中常见的有光的反射、折射、衍射和散射等。较为典型的假色宝石为欧泊,在一块欧泊上几乎可以看到光谱色中所有的颜色,其颜色的产生是由于组成欧泊的SiO2小球在三维空间呈立体分布,形成立体光栅,光对其作用产生变彩,从而呈现出丰富的色彩。例如:亚历山大石中,铬离子周围的氧原子数量与红宝石及祖母绿中的铬离子周围的氧原子数量相同,但是它在日光下呈绿色,而在灯光下呈红色。
  当然,宝石之所以能产生颜色,很多时候并非单纯由于宝石的化学组分、晶体结构和物理光学某一个原因单独作用形成,实际颜色的成因可能是这些因素相互制约、互相影响。近代科学宝石学认为,宝石的颜色不仅仅取决于其化学组成,更重要的是取决于其内部结构,从分子离子等角度,提出了晶体场理论、分子轨道理论和能带理论等来解释颜色成因的本质。随着科学的不断发展和更精密仪器的出现,越来越多的理论被提出,颜色成因的谜团也将会被更深层次地解开。

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