烏桑巴拉效應

整理/劉富康

烏桑巴拉效應（Usambara effect）是指，隨著光線通過寶石的路徑長度的增大，寶石的色調發(fā)生變化的特殊現(xiàn)象。

1849年，Haidinger在使用二色鏡觀察具有三色性的金綠寶石時發(fā)現(xiàn)：在日光下，被觀察的金綠寶石的三色性為不同種類的綠色；在燈光下，它的三色性為橘黃色（最淺）、祖母綠色（最深）以及紅紫色。當顯示紅紫色時，在寶石較薄的部分為帶有紫色調的綠色，在寶石較厚的部分為紅紫色。

1961年，Webster在觀察一種來自坦桑尼亞的深綠色碧璽時發(fā)現(xiàn)，在較薄的部位是綠色，在較厚的部位為紅色。當使用二色鏡觀察時，在較薄的部位有較強的二色性，分別為淺綠色和深綠色；在較厚的部位，為淺紅色和深紅色。

1997年，Halvorsen A等人研究來自坦桑尼亞東部Umba Valley的含鉻的綠色碧璽時發(fā)現(xiàn)，在透射光下，碧璽最薄的一端呈現(xiàn)綠色，最厚的一端為紅色；并發(fā)現(xiàn)相同厚度的碧璽在富含紅光的強光照明下比冷光源光纖燈的照明下紅色更深。

后來還有學者在石榴石中發(fā)現(xiàn)了烏桑巴拉效應，作為光性均質體，石榴石是沒有二色性的，這說明烏桑巴拉效應與二色性是寶石兩種不同的性質，但是這種現(xiàn)象通常被錯認為寶石的二色性或者變色效應。除此之外，柱晶石、堇青石、綠簾石、紅柱石等寶石也可發(fā)生這種效應。

烏桑巴拉效應的出現(xiàn)是由于寶石中存在一定量的鉻元素，使寶石的可見光光譜在紅區(qū)和藍綠區(qū)存在兩個明顯的透射窗。根據(jù)Lambert法則：

其中Io表示進入寶石的光的強度，I(z)表示穿過厚度為z、吸收系數(shù)為a的寶石的光的強度。

如果Io變?yōu)?/2 Io，z變?yōu)?z，那么I(z)就會變?yōu)?/4 I(z)。

寶石的厚度越大，那么通過寶石的光的路程就更長，也就是光程更長。隨著光程的增加，透光能力總體上是逐漸減弱的，隨著光路長度增大，綠區(qū)透光率減小的速度逐漸大于紅區(qū)，同時觀察者視網(wǎng)膜上接收彩色畫面的紅、綠、藍三色視錐細胞的數(shù)量并不均等，其中綠色的視錐細胞最多，紅色次之，所以人眼對于綠光的敏感度大于紅光。隨著寶石厚度的增加，人眼看到的色調從綠色變?yōu)榧t色。

這種現(xiàn)象在寶石中不是很常見，但是在有機染料領域卻是很常見。有學者發(fā)現(xiàn)葉綠素也有這種效應：使用透射光照射葉綠素的丙酮溶液，如果溶液僅有薄薄一層則呈現(xiàn)綠色，如果溶液深度增加將會顯示紅色。鑒于葉綠素具有這種性質，如果使透射光穿過2～3片綠葉來觀察具有usambara效應的綠色碧璽時，就可能觀察到紅色。