寶石致色機理

1、鉆的致色機理 鉤在寶玉石中致色是十分引人注目的，特別是紅寶石、祖母綠和變石，這三 種名貴寶玉石的顏色均是由微量元素珞所致。 在這三種寶玉石中，洛以類質(zhì)同象的形式代替了鋁原子。鎔原子有6個耒配對 的電子，其中3個為價電子。它在紅寶石、祖母綠和交石的原子結(jié)構(gòu)中與其它原 子形成化學(xué)縫，其余3個電子能自由的改變能級，從而導(dǎo)致寶玉石的顏色。 (1) 紅寶石 紅寶石的礦物名稱為剛玉，其化學(xué)成分是人12()3。純凈的剛玉是無色透明的，當(dāng)有微量的 。2()3加入時，剛玉才會呈紅色。這繪由于C產(chǎn)以類質(zhì)同象置換部分AP+0 d軌道發(fā)生能量分 裂形成不同的能級。 (2) 祖母綠 祖諄綠的礦物名稱為綠柱石，分子式為B

2、e,Al2Si6()1Ko其原于結(jié)構(gòu)與剛玉相似，Cr片類質(zhì)同 象代替A嚴(yán)后在周圍六個氧離子組成的八而體的作用下d軌道發(fā)生分裂，形成不同的能圾， 與剛玉不同的是多了 Bu-和S產(chǎn)兩個離于，從而便周圍配.位電場強度減弱，其能圾相對剛玉 降低。它相當(dāng)于紅光波段，即紅光被吹收，而透過的殘余色為漂亮的祖母綠色。 (3) 交石 萸石被稱為“白晝里的祖母綠，黑夜里的紅寶石”，礦物名稱為金綠寶石，化學(xué)分于式為 BcA12O4,當(dāng)C嚴(yán)類質(zhì)同象代替A甘后，與紅寶石和祖母綠一樣，在d軌道分裂后形成不同 的能圾，而與紅寶石和祖母綠不同的是受Bu的影響電子激發(fā)能量2.41 eV,高于祖母綠的2. 05cV,低于紅寶石的

3、2.23uV,即介于綠光和紅光液段之間，二者達(dá)到臨界平衡態(tài)。寶玉石的 顏色主要取決于光源中單色光的百分含量，在筠絲燈光或燭光下，與紅光相當(dāng)?shù)哪芰慷?，?寶石顯紅色。在日光或日光燈下，較低的能量占優(yōu)勢，故寶石顯綠色。 三. 色心致色 在日常生活中，常索無意中長期處于陽光暴曬的玻璃瓶會逐漸犬成悅目的淡紫色，當(dāng)若 在爐中對它加熱，顏色即可消失。如杲再把瓶放亶高能輻射源下，如姑60、/射線中輻射， 幾分鐘內(nèi)會星現(xiàn)更深的紫色，這種紫色是來自于色心。在寶玉石中，紫晶、螢石等均是色心 呈色所致。 在優(yōu)化處理工藝中，一些天然和人工寶玉石也都可以由輻射產(chǎn)生色心，如輻射改色的籃、 黃、紅、綠鉆石、藍(lán)托帕石等，其中

4、一些顏色較穩(wěn)定，只有在加熱時才消失；一些顏色不穩(wěn) 定，在常溫下也會褪色。這種致色的色心與寶玉石的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，可用核磁共振等方 法進(jìn)行硏究。 寶玉石中常見的兩類色心是“電于色心”和“空穴色心”。 (1) 電于色心 電子色心愛指電于存在于晶體缺陷的空位時，所形成的色心。使寶玉石產(chǎn)生顏色的原閔 是陰離于空穴停獲一個電子后，該電子便處于其周圍離子所形成的晶體場中，能級發(fā)生變化。 當(dāng)可見光照射寶玉石時，該電于產(chǎn)生由基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，并在躍遷中對可見光產(chǎn)生選擇 性呎收而呈色，如螢石。螢石晶體為等軸晶系，在螢石的晶體結(jié)構(gòu)中，正常悄況下，一個鈣 離于與八個氟離于相連，當(dāng)受到一些放射能輻射時，氟離于容易

5、離開它的正常位雖，而導(dǎo)致 鈣離子的過量，而原來氛離于的位置出現(xiàn)空位。要保持晶體的電中性，需由一些“自由離于” 來充填該空位。這些電于不像原于或離于固有電子那樣由原子核定位，而是由周圍所有離于 形成的晶體場定位。在晶體場中，電于從殺態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷時呎收可見光的紅、黃、綠、藍(lán) 大部分光，僅透過紫光，使螢石星紫色。 (2) 空穴色心 空穴色心曼持由于陽離于缺失而產(chǎn)生的電子空位。產(chǎn)生顏色的原閔愛當(dāng)寶玉石晶體中陽 離于空位形成后，為了達(dá)到電價平衡，陽離子空穴附近的陰離于在外來能量的作用下釋放電 于，形成來成對電于，這些來成對電子呎收可見光產(chǎn)生嬴色，如水晶族中的煙晶與紫晶。 水晶晶體結(jié)構(gòu)是硅義四而體。當(dāng)水

6、晶中有雜質(zhì)A1片存在時，A卩代替了晶格中的Si4*。為 保持晶體中的電中性，鋁離子周圍須有氮離予(HJ存在，這個離子往往離開A嚴(yán)有一定距離。 如栗外能輻射從臨近A卩的義中釋放出一個電于，這個電于會被氫離于停獲而形成氫離子。 OO+e H+e-H 而氧離于剩下一個耒成對電于。這個電子吹收可見光而產(chǎn)生嬴色，形成煙水晶。如杲水 晶中存在的是氏卄而不是AP+,則往往出現(xiàn)淺黃色，輻射時可得到紫色，加熱后回到黃色， 這曼人工合成有色水晶常用的方法。 (8)產(chǎn)生色心的輻照源 目前人們用多種多樣的輻照源來產(chǎn)生色心，從能量較小3uV的可見紫光，可用于產(chǎn)生某 些枚淺陷阱的不穩(wěn)定的色心，到各種高能X、r射線、高能粒

7、于、中于反應(yīng)堆等均常用來做 輻射源。一些輻射只能很淺地穿入樣品，大多數(shù)物質(zhì)中僅能產(chǎn)生表而的蕎色。另一些輻射雖 可以貫穿寶玉石整體但往往有放射性殘余，如中于反應(yīng)堆。而高能電子的輻照在表而魯色的 同時，還能產(chǎn)生喪而的局部過熱，因而會使熱敏材料破裂。 用于產(chǎn)生色心的各類輛射源及粒子 類型 典型能量 著色的均勻性 電磁浪 可見光 可達(dá)3eV 芟化的 紫外線SW lOKcV 交化的 X射線 IMeV 差，只在裘而 r射線 IMeV 好，很均韻 粒于 電子 IMeV 差，只在裘而（引起表而的局部過熱） 質(zhì)子，氟核Q社子等（正的） IMeV 差，只在裘面 中于（中性） IMeV 好，很均韻（能引發(fā)放射性）

8、四. 電荷轉(zhuǎn)移致色 據(jù)分子軌道理論，當(dāng)原于形成分于后，電于可以從一個原于的軌道上躍遷到另一個原子 的軌道上，稱為電荷轉(zhuǎn)移。這種電荷轉(zhuǎn)移對可見光產(chǎn)生強烈的呎收，使寶玉石產(chǎn)生鮮艷的顏 色。電荷轉(zhuǎn)移可以發(fā)生在金屬與金厲、金屬與非金厲、非金厲與非金厲原于之間。 （1）金屬與金屬原子間的電荷轉(zhuǎn)移 金屬與金厲原子之間電荷轉(zhuǎn)移分為兩種類型： 同核原子價態(tài)之間的電荷轉(zhuǎn)務(wù)。如Fc2+-Fc3+或F?Fu2+； Ti片-Ti#或Ti#-T嚴(yán)； 或Mn4-Mn2-等。同核電荷轉(zhuǎn)移是發(fā)生在同一過渡元素不同價態(tài)的兩個原于之 間的相互作用。如民并和Fc?的兩種鐵的電荷狀態(tài)。如杲這兩種離于位于不同類型的格點上， 則在這兩種

9、排列之間往往有一個能量差，電荷轉(zhuǎn)移棒呎收能量，產(chǎn)生顏色，如童胄石。Fu +FuJ+-Fj3+Fu+而產(chǎn)生顏色。如海藍(lán)寶石、綠色碧璽的星色機理也是這樣。 異核原子價態(tài)之間的電荷轉(zhuǎn)移。如FM+tT嚴(yán)或氏3-丁嚴(yán)。是由兩種過波元素的兩個 原于間的相互作用，最典型的例子是藍(lán)寶石、藍(lán)晶石、紅柱石。在藍(lán)寶石晶體中，F(xiàn)u和Ti 以類質(zhì)同象代替A嚴(yán)進(jìn)入相連接的八面體中。氏和Ti均存在著兩種價態(tài)，這兩種價態(tài)有兩 種結(jié)合方式，即FP+T嚴(yán)和FufTi片。當(dāng)電荷通過呎收光能從氏?+轉(zhuǎn)移到Ti4時，F(xiàn)/+轉(zhuǎn)換 為F尹,T產(chǎn)轉(zhuǎn)換為Ti忖+T產(chǎn)較F尹+T嚴(yán)的能量高,能級差為2.1 IcV,呎收了黃橙光，星 現(xiàn)籃色的色彩。

10、藍(lán)晶石、紅柱石的呈色原閔也屬這類。 （2）金屬與非金屬之間的電荷轉(zhuǎn)移 金屬與非金厲原于之間電荷轉(zhuǎn)務(wù)常發(fā)生在金屬離于與氧離子之間，如（乎jc嚴(yán) 等。如黃色的藍(lán)寶石、黃色的綠柱石等，均是通過這種氧離子到鐵離子電荷轉(zhuǎn)移呎收可見光 而產(chǎn)生的顏色。在金黃色綠柱石的結(jié)構(gòu)中，僅靠 3+d電子躍遷產(chǎn)生的呎收很場，顏色枳淡。而o 2-Fc+電荷轉(zhuǎn)移吹收可以由紫外延伸到籃光 波段，呎收了籃紫光，呈現(xiàn)金黃色。而配位不同的黃色籃寶石也是(0-Fi+電荷轉(zhuǎn)移所致。 金屬與非金屬原于之間電荷轉(zhuǎn)移致色的寶玉石還有：赤鐵礦、黃鐵礦、鎔鐵礦等。 (3) 非金厲與非金屬原子之間電荷轉(zhuǎn)移 即陰離子與陰離子之間的電荷轉(zhuǎn)移。典型的例于

11、畏青金石,(Ca, Na)(Al, SiO(SO4, S2), 深紫藍(lán)色的形成是來自硫化物，每個化合物是由具有單個負(fù)電荷的三個硫原于00所組成， 硫的晟外層電子排市為3綁、因為S在分于軌道中總共有19個外層電于，它們在這些軌 道中躍遷，呎收了 2.1cV,即強呎收600nm黃光波段，而形成紫藍(lán)色。一些有機寶玉石如琥 珀、珍珠、珊瑚，均為陰離于-陰離于間的電荷躍遷所致。 五. 能帶致色 能帶理論認(rèn)為，網(wǎng)體中的原子不是束縛于某個原于，而愛在整個晶體中運動，運到的范 圍在周期性晶格勢場中。相鄰原于的原于軌道重疊形成具有一定能縱寬廈的能帶。根據(jù)能帶 理論，同體物質(zhì)中可以有不同的能帶，由已充滿電子的原于

12、軌道能級所形成低能量的價帶， 又稱為滿帶。由耒充滿電于的能級所形成的高能量導(dǎo)帶也稱為空帶。這兩類能帶之間的能量 差或間隙稱為禁帶或帶隙。 一些原石的顏色取決于電于從價常向?qū)кS遷時所吹收的輻射能。而所需輻射能的大小， 取決于帶隙的寬度。當(dāng)帶隙能量大于可見光的能t(3.1cV紫端)時，電于無法被可見光激發(fā) 而躍遷到導(dǎo)帶，可見光全部通過，寶玉石為寬帶隙無色透明。如金剛石，帶隙能為5.5cV； 當(dāng)帶隙能量小于可見光能量時(1.77uV窄帶隙)，所有可見光都用于電子從價帶至導(dǎo)帶的激 發(fā)，所有可見光被呎收，寶玉石呈黑色或灰色；若帶隙正好在可見光的范圍內(nèi)，即可出現(xiàn)呎 收和透過可見光，使寶玉石產(chǎn)生各種顏色。

13、金剛石的星色用能帶理論解釋較為完善。 金剛石的帶隙能為5.5cV,大于可見光的能量，故純凈的可見光為無色。當(dāng)含有少量的氮 時，氮原子在金剛石結(jié)構(gòu)中取代碳原子。氮的*外層電于排布(2?2p)比四價碳的晟外層電子 排布(2f2”)多一個電子。這個多余的電子在鉆石帶隙內(nèi)形成一個雜質(zhì)能級，稱為施主能圾， 氮原子為“施主”。這個雜質(zhì)能級的存在使帶隙能量降低，即可吸收紫外光71部分紫光，便 鉆石星黃色。當(dāng)含有少量硼時，由于碉比碳少一個電于，最外層電子排布為2/2,在帶隙中 形成能圾。由于這個空穴能接受從填滿的價帶激發(fā)來的電于，這種能縱稱為受主能級。硼受 主的能量為0.4cV,可使鉆石星籃色。此外，辰砂的紅

14、色、雄黃的橙色均屬這一類型。 六. 物理光學(xué)致色(干涉、衍射、散射、色散、包衰體) 物理光學(xué)致色是指寶玉石的晶體結(jié)構(gòu)氏內(nèi)含物對光線的色散、干涉、衍射和散射等作用 形成的師色。 (1)干涉 光的干涉愛指波長相同、傳播方向近乎相同的兩束光會相互作用而產(chǎn)生相長增強或相消 刪除，即產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。拉長石畳彩在寶玉石中是晟典型的現(xiàn)象，相當(dāng)于天然的多層薄膜干 涉現(xiàn)舉。當(dāng)以一定角度觀察拉長石時，其外表有時會產(chǎn)生鮮明的虹彩閃光，金厲般的藍(lán)色晟 為常見，且綠、黃、橙紅和青色也會發(fā)生。典型的拉長石成分N幻6小風(fēng)2()40,通常還會有 少量其它元素。在較高的溫度時形成清澈透明的單晶，但在較低穩(wěn)定下不穩(wěn)定，出溶作用產(chǎn)

15、生許多化合物交替的平行薄層。如杲均勻且薄層厚度在選擇性反射的合適限度內(nèi)，則在這些 薄層中由于干涉會產(chǎn)生美麗的彩虹色。如珍珠的珍珠光浄、晝彩石英的暈彩效應(yīng)均是干涉效 應(yīng)所產(chǎn)生的。 (2)衍射 衍射是干涉的一種特殊類型。產(chǎn)生衍射的寶玉石結(jié)構(gòu)中最畫要的閔素是，應(yīng)具有規(guī)則的 不同折射率的交替層狀堆枳，即存在周期間距衍射光柵愛產(chǎn)生衍射的必要條件。衍射作用能 產(chǎn)生連續(xù)的光譜色，如虹、日牽、日毘氏歐洲泊的交彩等。 (8)散射 散射一般發(fā)生在材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不規(guī)則或組分的大小超出衍射條件界限范圍的情形下，其 顏色特征與構(gòu)成材料的顆粒大小和形狀有關(guān)，當(dāng)入射光線與不規(guī)則排列的小于可見光波長的 顆粒相互作用產(chǎn)生散射時，所敬射的高能光波比低能光液強得多，即紅橙光一般不被散射， 只能香到紫和藍(lán)色敬射光。 月光石能產(chǎn)生藍(lán)色閃光是由于這些分離相離子敬射所致，如展解理發(fā)育還可能佯有干涉和衍 射，冰長石暈彩就是這些效應(yīng)的綜合。屋光剛玉和獵眼由于內(nèi)部散射粒子太大，而不能呈現(xiàn) 出籃色，天然玻璃、金星石、黑曜石、砂金石均畏散射作用所致。 包褰體 包襄體呈色在寶玉石中并非少見，