寶石顏色的奧秘

趙子歐

摘 要：寶石的五光十色源于天然的調(diào)色盤，每種色彩都有著各自獨(dú)特的魅力，蘊(yùn)含著各自深刻的寓意。從物理、化學(xué)、宏觀、微觀的角度介紹了寶石顏色的成因，闡釋了元素、光學(xué)效應(yīng)對(duì)寶石的影響以及離子躍遷、晶體缺陷對(duì)寶石色彩的改變。

關(guān)鍵詞：寶石；光學(xué)效應(yīng)；離子躍遷；晶體缺陷

中圖分類號(hào)：P619.281 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.023

紅寶石華麗、優(yōu)雅的色澤綻放出熱情、明朗的性格，洋溢著吉祥、喜慶的氛圍；藍(lán)寶石深沉、厚重的色調(diào)彰顯出冷靜、深邃的氣質(zhì)，流淌著海一樣的純凈，天空一般的無瑕；綠寶石生機(jī)勃勃的色彩詮釋著生命不息的意義，透露著寬容、大度的氣魄。透過這些繽紛的色彩，你是否也想探索寶石顏色的秘密？元素、光學(xué)效應(yīng)、離子的躍遷和晶體缺陷都是寶石成色的原因。

1 元素

基于寶石的外部構(gòu)造特點(diǎn)和化學(xué)成分，傳統(tǒng)寶石學(xué)將寶石顏色分為了自色、他色和假色。自色，即由作為寶石礦物基本化學(xué)組分中的元素而形成的顏色。比如，孔雀石的顏色呈現(xiàn)了孔雀羽毛上斑點(diǎn)的綠色，且用水化不開，這就像決定性狀的基因，是銅離子本身的藍(lán)色注定了孔雀石具有高貴的翠綠；朱砂紅者，向日視之，如腥血，Hg2S是朱砂的主要組成物質(zhì)，汞、硫元素具有的特性使朱砂粉末的紅色長久不褪。此外，外界雜物的混入不會(huì)影響寶石的自色，元素的顏色賦予了寶石最初的顏色。

當(dāng)一定的色素離子與寶石礦物晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)適應(yīng)、結(jié)合時(shí)，這些色素離子會(huì)混入寶石中，隨之產(chǎn)生非固有的顏色，這些顏色無關(guān)于寶貝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分，我們稱這種顏色為他色。比如，二價(jià)鐵離子、四價(jià)鈦離子使寶石具有了藍(lán)色（藍(lán)寶石），三價(jià)鉻離子使寶石具有了紅色（紅寶石）、使寶石具有了綠色（祖母綠）。

2 光學(xué)效應(yīng)

寶石的假色是因物理光學(xué)作用所形成的假顏色。具有裂理或極完全解理的透明寶玉石礦物中一系列平行的裂理面或解理面會(huì)反射入射光線，進(jìn)而形成了類似于水面上油膜的色彩，即“暈色”。比如，當(dāng)白光入射拉長石時(shí)，光波游走于顯微包裹體與定向排列的聚片雙晶之間，入射光線遇到反射界面或光波疊加時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，使拉長石綻放出黃、藍(lán)、綠等顏色組成的朦朧意境。此外，某些金屬寶玉石礦物還會(huì)呈現(xiàn)出不同于其新鮮斷面顏色的色彩，原因是其表面的氧化薄膜改變了礦物的外貌，出現(xiàn)了“錆色”。比如，斑銅礦被氧化的表面會(huì)呈現(xiàn)出紫、藍(lán)漸變的色彩。 3 離子內(nèi)部的電子躍遷

從宏觀角度上看，寶石的顏色取決于化學(xué)組成；從而微觀角度看，寶石的顏色取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。帶有負(fù)電荷的陰離子（配位體）會(huì)形成晶體場(chǎng)，晶體場(chǎng)躍遷包括d-d躍遷和f-f躍遷。在配位體存在的情況下，一些元素的軌道完成各自的分裂，過渡金屬元素的3d，4d軌道分裂為能量不等的d軌道；鑭系、錒系的4f，5f軌道分裂為能量不等的f軌道。借助光能為離子注入的能量，低能態(tài)的d電子或f電子可分別躍遷至高能態(tài)的d或f軌道，即配位躍遷。以紅寶石的成色機(jī)理舉例說明：電子從A躍遷到C，寶石吸收黃光、綠光；電子從A躍遷到D，寶石吸收紫光。成千上萬個(gè)電子在晶體場(chǎng)中活動(dòng)，黃光、綠光和紫光均被吸收，為寶石注入了新的顏色——紅色。由此可見，電子的移動(dòng)是一種機(jī)械的移動(dòng)（軌道的變化），這更像是一場(chǎng)關(guān)于寶石色彩的舞會(huì)。

4 離子間的電子躍遷

電荷遷移是指電子從一個(gè)原子軌道躍遷至另一個(gè)原子軌道，就像休眠的種子感受到第一縷陽光的召喚，開始掙脫泥土的束縛。輻射能激發(fā)了電子潛藏的能量，電子從給體外層軌道向受體遷徙，隨即開始吸收光譜。如果電荷遷移出現(xiàn)在可見光范圍內(nèi)，寶石就會(huì)獲得新的顏色。

4.1 金屬間的電荷遷移

本文只討論同核原子價(jià)態(tài)之間的電荷遷移。不同價(jià)態(tài)的同一過渡元素的兩個(gè)原子間的相互作用使同核原子價(jià)態(tài)之間的電荷遷移具備了條件。不同價(jià)態(tài)的同核原子要分布在不同類型的格點(diǎn)中，且兩者之間有能量差時(shí)，電子可發(fā)生轉(zhuǎn)移并吸收光譜，進(jìn)而使寶石呈現(xiàn)出紅色；二價(jià)鐵離子與三價(jià)鐵離子間的電荷遷移會(huì)使寶石呈現(xiàn)出藍(lán)色、綠色。

4.2 金屬與非金屬原子間的電子轉(zhuǎn)移

氧離子與三價(jià)鐵離子間的電荷遷移會(huì)寶石充分吸收藍(lán)光、紫光，進(jìn)而使寶石呈現(xiàn)出金色。金色的綠柱石、藍(lán)寶石流露出至高無上的奢華氣質(zhì)，彰顯出華美輝煌的皇室光澤。

5 能帶間的電子躍遷

當(dāng)一束自然光穿透寶石時(shí)，宏觀上的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)便會(huì)引發(fā)微觀世界中的巨大變化。有些原子軌道已充滿了電子，諸多這樣的軌道可構(gòu)成低能量帶，即“價(jià)帶”；未填充電子的軌道構(gòu)成的高能量帶為“導(dǎo)帶”。價(jià)帶頂面與導(dǎo)帶底面間的距離為帶隙，其寬度決定了寶石獲得顏色的能量。當(dāng)自然光傳遞給寶石足夠的能量時(shí)，電子會(huì)完成能量帶之間的更迭，從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶。價(jià)帶頂部與導(dǎo)帶底部的能量差稱為“能量間隔”，寶石因能量間隔的不同而呈現(xiàn)出不同的色彩。

6 晶體缺陷

所謂“晶體缺陷”，是指在寶石晶體結(jié)構(gòu)中的局部范圍內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)在三維空間做周期性平移的現(xiàn)象。上地幔高壓、高溫的環(huán)境歷練出的金剛石晶體會(huì)隨著巖漿接近表面。在此過程中，溫度迅速下降，壓強(qiáng)急速提升，加之振動(dòng)和碰撞，導(dǎo)致金剛石晶體在結(jié)構(gòu)上發(fā)生了改變，誘發(fā)了晶格缺陷，進(jìn)而改變了金剛石的顏色。比如，一部分原本無色的金剛石呈現(xiàn)出棕黃色、粉紅色和紅色。

色心是晶格缺陷的特例，泛指寶石中能選擇性地吸收可見光能量并形成相應(yīng)顏色的晶格缺陷。電子心是色心的一種，由一個(gè)陰離子空位和一個(gè)受此空位電場(chǎng)束縛的電子組成。當(dāng)陰離子缺位時(shí)，空位就成為一個(gè)帶正電的電子陷阱，有的電子就此被束縛。如果一個(gè)空位捕獲到了一個(gè)電子，電子將無法掙脫電場(chǎng)力，進(jìn)而呈現(xiàn)出激發(fā)態(tài)，并選擇性地吸收某種光波的能量，最終使寶石獲得了新的色彩。比如，氟離子離開正常格位后會(huì)為螢石涂上紫、藍(lán)、紅相交的色彩，跨越了冷色和暖色，洋溢著薰衣草獨(dú)自的惆悵，也充盈著紫羅蘭初心不改的堅(jiān)定。

繽紛的色彩世界里有太多的故事，每種顏色都有自己的性格。顏色是寶石最重要的屬性，顏色是寶石鑒定最主要的手段，也是寶石評(píng)估最關(guān)鍵的因素和寶石優(yōu)化處理的主要目標(biāo)。

7 結(jié)論

元素可賜予寶石最初的顏色，也可以改變寶石本初的顏色；光學(xué)效應(yīng)可使寶石的色彩層出不窮；離子的躍遷帶動(dòng)了寶石色彩的轉(zhuǎn)換，而晶體缺陷又可為寶石附上令人著迷的色彩。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕