矿物颜色是如何形成的?

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01、五彩缤纷的矿物

众所周知自然界的矿物宝石五彩缤纷,正是因为这丰富多彩的颜色而吸引大家的目光,也成为矿物爱好者们关注的焦点。

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很多珍贵的的矿物宝石都有自己独有的颜色特征,如鸽血红、矢车菊蓝、祖母绿等,还有一些同一种矿物呈现出不同的颜色,那这些颜色究竟是怎么形成的呢?

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云南 麻栗坡祖母绿

今天我们一起来一探究竟吧!

02、颜色的形成

1.颜色的本质

一定的物体包括发光体具有固定的光谱特征,具有特定的颜色,所以颜色是客观存在的。但是,另一方面,颜色又受到人眼和大脑对物体辐射的接收和判断,接收和判断的正确度影响到不同人对颜色的表达。形成颜色要具备三个条件:

(1)(白)光源;

(2)反射或者折射时改变这种光的物体;

(3)接受光的人眼和解释它的大脑。

三个条件缺一不可,否则就没有颜色。

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2.光辐射的特征

太阳的光辐射包括了从红外光到宇宙射线的各种电磁辐射,人的眼睛能够感觉到的光线仅局限于波长为400到800nm(或者频率在12500-25000波数)的一小段。当这个波段的电磁辐射(或者说光线)的强度大致一样时,我们看到的是白光。

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3.宝石对光的吸收

白光照射到宝石上,会被宝石吸收,如果均匀地吸收所有的可见光,宝石将呈现灰色到黑色,如果只是吸收了可见光中的某些波长的光线,对光线不均衡地吸收,宝石将呈现出颜色,这种性质称为选择性吸收。

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4.宝石的颜色

宝石不均衡地吸收(选择性吸收)白光,导致被吸收的较弱波长的光线和未被吸收的较强的波长的光线混合在一起透射(或者反射)出宝石,形成颜色。这种由残余光 线的形成的颜色称为剩余色,由剩余色性形成的颜色称为宝石的体色。

与宝石体色对应的是宝石的辉光和晕彩,例如黑欧泊的体色是深蓝色,它的变彩有红、黄、绿等多种颜色。

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03、宝石颜色的描述方法

1.颜色的互补和加和律

宝石对白光中各色光波不等量吸收,选择性吸收后所呈现的颜色遵从色光的混合—互补原理。当两种色光混合后呈现白色,则称这两种色光为互补色光。红光与青光、绿光与品红光、蓝光与黄光等都是互补色光。如宝石对白光中的黄光吸收较多,对其他色光吸收程度相近,则呈现出蓝色。

宝石矿物颜色的深浅,取决于宝石对各色光波吸收的总强度。吸收的总强度大,颜色就深,反之颜色则浅。

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2.颜色要素

宝石的颜色特征可以用色度学规定的色调、明度、饱和度三要素来描述:

(1)色调(色彩)

指颜色的种类,彩色宝石的色调取决于光源的光谱组成和宝石对光的选择性吸收,也是彩色间相互区分的特性,如红色、绿色和蓝色。

(2)明度(亮度)

指人眼对颜色明暗度的感觉。彩色宝石的明度的大小取决于宝石对光的反射或透射能力,即宝石本身颜色的深浅和加工的光学效果。

(3)饱和度(纯度)

指颜色的纯净度和鲜艳度。彩色宝石的饱和度取决于宝石对可见光光谱选择性吸收的程度。可见光光谱中各种单色光的饱和度最高,饱和度值为1,白光的饱和度最小,值为0。

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3.颜色的定性描述

通常对颜色的命名方法是将主色调放在后面,用颜色修饰词描述次要的色调,如绿黄色、紫红色等,把颜色浓度的修饰词放在最前面,如浅黄绿色,淡蓝紫色等。

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4.颜色的定量描述

颜色的定量描述可以采用色度学的三要素的数值,但是,数值不够直观,现在常用的一种方法是孟塞尔表色系统,在孟塞尔表色系统中将色调分为10种,分别用英文名称的字头表示:红(R)、黄(Y)、绿(G)、蓝(B)、黄红(YR)、绿黄(GY)、蓝绿(BG)、紫蓝(PB)、红紫(RP)。每种色调又细分为 10个等级,分别从1-10;再对颜色的明度从暗到明亮分为0到10共11个等级,透明的有色宝石的明度级别都在2-8级之间。

04、宝石颜色的呈色机理

1.致色元素

化学元素中有些元素的氧化物和水合物带有颜色,这些元素主要属于元素周期表的过渡元素和镧系元素,被称为致色元素,主要有Ti、V、Cr、Mn、Fe、 Co、Ni、Cu和稀土等。在宝石中,这些元素对宝石的颜色也起着重要的作用。但是,物体具有颜色的机制非常复杂,有些非致色元素在特定的分子结构中会产生颜色,同样,致色元素在不同的分子结构,具有不同的致色作用,例如红宝石中的Cr3+导致红色,祖母绿中的Cr3+导致绿色。当致色元素的化合价不同时,产生的颜色不一样。例如钙铁榴石中的Fe3+导致浅黄色,铁铝榴石中的Fe2+深红色。过渡元素致色作用的机制可用各种物质结构的理论来解释。

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2.色心

色心是一种能导致物体产生颜色的晶格缺陷,可以分为电子色心和空穴色心两类:

① 电子色心:电子占据了阴离子空位时所产生的色心。也可认为电子被捕获并占据了通常情况下本不应有电子存在的位置时,就形成了电子色心。

② 空穴色心:由于阳离子缺失而相应产生的电子空位。也可认为一个本该存在电子的位置上缺少一个电子,留下一个“空穴”和一个能吸收光的未配对的电子,这种缺陷称为“空穴”色心。

色心是某些宝石种的主要致色原因,如萤石、紫晶、烟晶、蓝色托帕石和钻石等。

色心和致色元素的最大区别是,色心形成的颜色在一定条件下(如高温),会由于晶格缺陷的变化或者消失,而改变色心的性质,致使颜色发生改变或者褪色,称为色心转移和漂白。这种机制在宝石的颜色改性处理中发挥很大的作用。

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3.物理呈色

由于光的干涉、衍射、色散、散射和反射等物理现象导致的颜色,它常常叠加在宝石因选择性吸收而呈现的体色上,进一步增加宝石颜色的美丽和神秘。如欧泊的变彩、日光石的褐红色反光、钻石的火彩等。

4.宝石颜色的成因分类

(1)自色宝石:致色元素以宝石的主要成分出现的称为自色宝石,如菱锰矿(MnCO3)的粉红色是由成分中的Mn元素致色;橄榄石((Mg,Fe)2SiO4)绿色由成分中Fe元素致色。

(2)它色宝石:致色元素以微量元素的形式出现的称为它色宝石,如刚玉(Al2O3),当成分纯净时无色,当含微量元素Cr3+时形成红色,称为红宝石;当含微量Fe和Ti元素时形成蓝色,称为蓝宝石。。

(3)色心致色宝石:由电子色心或者空穴色心致色的宝石。如紫晶为电子色心致色,受到加热后会转变为黄色,成为黄水晶,进一步加热,会退色成无色。

(4)物理色:由于光的物理现象造成的颜色,有些人也称之为假色,表示不是选择性吸收造成的颜色。

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表1 自色宝石和它色宝石一览表

05、解释宝石致色机制的理论

除了物理呈色,宝石颜色的形成机制可以用各种物质结构的理论来解释,目前常用的、对颜色现象的解释具有成效的理论有:晶体场理论、配位场理论、分子轨道理论、能带理论等。

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