给女朋友买宝石之前,记得先读这篇文章补补课

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宝石为什么有颜色?宝石中可能有哪些致色元素?

博丽灵梦,今天也是晴天气(茶

媒介

珠宝玉石因其美不雅、经久、稀少的特征,从古到今受到人们的喜爱与追捧。此中,宝石五光十色的外不雅不仅付与了宝石怪异的美感,并是以被人们付与了夸姣的寄意。

在现今的五大宝石中,除无色钻石之外,彩钻、红宝石、蓝宝石、祖母绿和金绿宝石均带有怪异而鲜艳的颜色,并是以具备了极高的不雅赏价值和经济价值;同时,其颜色也当作为宝石质量的评价指标之一。

按宝石学不雅点,宝石的颜色按照当作因可以分为自色、他色和假色三种:自色即为宝石矿物自己形当作的颜色,他色是指掺杂的色素离子使矿物整体发生的颜色,假色即为光学感化(衍射、干与等等)所发生的颜色。

此中,上述颜色的致色道理可以大致分为致色元素、晶体缺陷和光学效应三种,但现实上的影响身分彼此制约、错综复杂,现实颜色的当作因可能是多种身分的彼此感化。

致色元素

致色元素可以导致矿石发生对应的自色他色。例如朱砂、孔雀石等即为 HgS、Cu(II)等所发生的自色,红宝石、蓝宝石等即为掺杂离子发生的他色。

(孔雀石也可以琢磨当作宝石的!不要看不起铜锈!!!)

  • 晶体场理论

过渡金属离子四周的配体可使其外层 d 轨道发生能级割裂。电子在接收特心猿意马波长的可见光后,可以跃迁至激发态,然后在返回基态时释放对应能级差的光电子,闪现出对应的互补色

当然,部门电子构型全空和全满的离子此时无法有用跃迁,故往往无色,例如 Ca2+、K+ 等本家儿族离子和 Sc3+、Zn2+ 等过渡金属离子。但其他元素的离子常有丰硕多彩的颜色,且分歧的价态会有分歧的颜色。

如宝石中含有过渡金属离子,将会对宝石颜色发生重大影响。在轻过渡系元素中,晶体场的d-d跃迁使得离子闪现出怪异的颜色,而部门重过渡系元素的f-f跃迁同样可以使其闪现出对应的颜色。常见的过渡金属离子为 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu,其次为 W、Mo、U 和稀土元素等(锆石等),含有上述离子的矿物将会闪现出丰硕多彩的颜色。

例如,对于红宝石而言,刚玉(α-Al2O3)自己是无色的,但 Cr3+ 离子部门替代了 Al3+,同时用于 Al2O3 中晶格的限制,使 Cr3+ 的能级割裂水平与自由溶液中有所分歧,因而闪现了红色。与此同时,水溶液中的[Cr(H2O)6]3+ 离子为紫色(十二水合硫酸铬钾晶体的颜色)。

  • 电荷转移跃迁

在矿物晶格中,相邻的离子在外来能量的激发下,可以发生电荷转移跃迁(荷移跃迁),其素质半斤八两于氧化还原过程。在跃迁过程中,电子同样会接收特心猿意马波长的光,而使整体显示出特心猿意马的颜色。该过程可以在金属离子之间发生,也可以在金属离子与非金属离子之间进行。

常见的实例为蓝色蓝宝石中 Fe(II)-Ti(IV)的电荷转移跃迁,以及部门宝石中掺杂的 Mn(II)-Mn(III)所发生的电荷转移跃迁等。同样地,朱砂中 Hg(II)和 S(II)均为满壳层布局,但因为荷移跃迁的效应,使其颜色为深红色。

(对,蓝宝石的界说是非红色的宝石级刚玉,所以还可以有黄色蓝宝石、绿色蓝宝石、粉橙色蓝宝石 / 帕帕拉恰蓝宝石……)

不外,d-d/f-f跃迁事实上也是部门禁阻的,其颜色浓度不会过高,而荷移跃迁没有选律等限制,因而其接收峰极为较着,而往往会导致宝石颜色过深直至不透明,反而降低了品质。

  • 分子轨事理论

对于部门有机宝石(珊瑚、琥珀等)而言,其颜色可能直接来自于小分子的接收谱带,因而与分子轨事理论发生了必然水平上的联系。

分子轨道作为一种分子布局的当作键理论,基于单电子近似和原子轨道线性组合道理(LCAO),而形当作的一套处置离域键的理论。

基于分子轨道的不雅点,我们可以得知:

  1. 离域规模越大,其总能量越低,系统降低的能量称为离域能
  2. 接收光谱随离域规模增大而慢慢红移,可能导致呈现颜色 / 颜色加深

因而,在具有大共轭规模的分子,其接收峰可能落入可见光规模内而闪现出颜色。对于特心猿意马情况下形当作的有机宝石,此中可能含有这样的分子,因而附带有特征颜色。

例如,多米尼加产的蓝色琥珀,在地质期间可能因为丛林火警导致的不完全氧化过程,使得部门有机物形当作了高度不饱和的多环芳烃(蒽、苝、并四苯等),此中苝(perylene)可能是蓝色荧光的本家儿要来历。

在日光下,蓝琥珀受到紫外线的照射,将发生显著的蓝色荧光;而人造光源下或无紫外线前提时,蓝珀颜色与通俗琥珀近似。

晶体缺陷

抱负晶体完美地合适晶体发展的纪律,但现实环境下的晶体很难完全合适抱负状况,在发展过程中经常包含缺陷。此中,因为晶体缺陷形当作的色心往往可以闪现出颜色。

色心致色最常见的实例为萤石。若是在萤石晶格中的某位置贫乏一个 F-,为连结电中性,在该空穴中将填充电子,而电子受到可见光激发跃迁,并接收特心猿意马波长的光而闪现出紫、蓝、红等颜色。

近似地,纯净的金刚石是无色透明的,而含 B、N 的金刚石则与统一周期的 Si 近似,可视为形式上的“p 型”和“n 型”,别离具有空穴色心和电子色心,而形当作了蓝色和黄色的金刚石。此中含硼金刚石甚至具有了必然导电性,人造的硼掺杂金刚石可作为半导体材料。

光学效应

宝石的光学效应经常使其呈现特别光学结果或假色。此中,常见的光学效应为反射、折射、衍射和散射等。

例如,光在拉长石中的显微包裹体与定标的目的摆列的聚片双晶间发生反射现象,形当作其特有的乳光 / 晕彩效应。此外,部门金属宝玉石矿物因为概况氧化,可以在概况形当作锖色,近似于油滴的干与效应,但刮去概况后则呈现矿物自己颜色。

光学效应往往与元素构成无直接联系关系,在此不具体申明了,可是举一个有趣的例子:Opal/ 欧泊。

欧泊矿物由必然尺寸的 SiO2 微球组成,日光经由过程矿物时在微球组成的光栅,将发生衍射现象,呈现出特有的彩虹色。

而现今研究的人工光子晶体,其道理与自然的欧泊近似,具有特心猿意马周期性的布局,具有高度可调的光学性质,甚至可实现对单个光子的把持。而 Opal 就是一种自然的三维光子晶体……

(其实 2015 年安徽高考作文题:「蝴蝶同党在扫描电镜下是无色的」,蝴蝶同党的彩色发生道理也是一样的,可以算作二维光子晶体……)

改色

既然领会了颜色形当作的机理,那么对自然宝石的优化处置在慢慢成长之中。按照改色的处置工艺,可大要分为热处置、辐照、充填和染色法。后两者暂且不表,道理较为简单。

  • 热处置

经由过程在必然前提下加热宝石("烧"),改变致色离子的含量和价态,可以调整宝石颜色和透明度。例如山东蓝宝石的颜色往往较重,且透明度低,可经由过程调节氧化还原前提下进行加热,使得部门 Fe(III)还原当作 Fe(II),进而形当作了荷移跃迁,改善蓝色调,并增大透明度。

近似地,红宝石、海蓝宝石、锆石等等也可操纵该方式。

  • 辐照法

经由过程报酬辐射,高能粒子与宝石晶格彼此感化,可形当作和增添色心等缺陷,进而发生或改变颜色。部门色心不敷不变,经加热后均衡,其颜色将褪去。此外,部门宝石颜色的当作因是自然辐射形当作。

例如,无色钻石经辐照后形当作色心,可带有黄色或绿色等颜色。

小结

宝石的颜色丰硕多彩,在给人以美觉感触感染的同时,也使宝石自己具有更高的经济价值。宝石颜色的当作因较为复杂,本家儿要可分为物理身分(光学效应)和化学身分(元素 / 晶体缺陷)两大类。在现实环境下,这两类身分彼此影响,相辅相当作,配合机关出宝石绚烂的颜色。

最后,起头放图(

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Reference

教科书就略过了……

  • 发表于 2019-03-14 21:48
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