宝石致色机理

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1、铬的致色机理   铬在宝玉石中致色是十分引人注目的，特别是红宝石、祖母绿和变石，这三种名贵宝玉石的颜色均是由微量元素铬所致。   在这三种宝玉石中，铬以类质同象的形式代替了铝原子。铬原子有6个未配对的电子，其中3个为价电子。它在红宝石、祖母绿和变石的原子结构中与其它原子形成化学键，其余3个电子能自由的改变能级，从而导致宝玉石的颜色。   ⑴红宝石   红宝石的矿物名称为刚玉，其化学成分是Al2O3。纯净的刚玉是无色透明的，当有微量的Cr2O3加入时，刚玉才会呈红色。这是由于Cr3+以类质同象置换部分Al3+。d轨道发生能量分裂形成不同的能级。   ⑵

2、祖母绿   祖母绿的矿物名称为绿柱石，分子式为Be3Al2Si6O18。其原子结构与刚玉相似，Cr3+类质同象代替Al3+后在周围六个氧离子组成的八面体的作用下d轨道发生分裂，形成不同的能级，与刚玉不同的是多了Be2+和Si4+两个离子，从而使周围配位电场强度减弱，其能级相对刚玉降低。它相当于红光波段，即红光被吸收，而透过的残余色为漂亮的祖母绿色。   ⑶变石   变石被称为“白昼里的祖母绿，黑夜里的红宝石”，矿物名称为金绿宝石，化学分子式为BeAl2O4，当Cr3+类质同象代替Al3+后，与红宝石和祖母绿一样，在d轨道分裂后形成不同的能级，而与红宝

3、石和祖母绿不同的是受Be的影响电子激发能量2.41eV，高于祖母绿的2.05eV，低于红宝石的2.23eV，即介于绿光和红光波段之间，二者达到临界平衡态。宝玉石的颜色主要取决于光源中单色光的百分含量，在钨丝灯光或烛光下，与红光相当的能量多，故宝石显红色。在日光或日光灯下，较低的能量占优势，故宝石显绿色。   三．色心致色   在日常生活中，常常无意中长期处于阳光暴晒的玻璃瓶会逐渐变成悦目的淡紫色，当若在炉中对它加热，颜色即可消失。如果再把瓶放置高能辐射源下，如钴60、r射线中辐射，几分钟内会呈现更深的紫色，这种紫色是来自于色心。在宝玉石中，紫晶、萤石

4、等均是色心呈色所致。   在优化处理工艺中，一些天然和人工宝玉石也都可以由辐射产生色心，如辐射改色的蓝、黄、红、绿钻石、蓝托帕石等，其中一些颜色较稳定，只有在加热时才消失；一些颜色不稳定，在常温下也会褪色。这种致色的色心与宝玉石的晶体结构密切相关，可用核磁共振等方法进行研究。   宝玉石中常见的两类色心是“电子色心”和“空穴色心”。   ⑴电子色心   电子色心是指电子存在于晶体缺陷的空位时，所形成的色心。使宝玉石产生颜色的原因是阴离子空穴俘获一个电子后，该电子便处于其周围离子所形成的晶体场中，能级发生变化。当可见光照射宝玉石时，该电子产生由基态到激

5、发态的跃迁，并在跃迁中对可见光产生选择性吸收而呈色，如萤石。萤石晶体为等轴晶系，在萤石的晶体结构中，正常情况下，一个钙离子与八个氟离子相连，当受到一些放射能辐射时，氟离子容易离开它的正常位置，而导致钙离子的过量，而原来氟离子的位置出现空位。要保持晶体的电中性，需由一些“自由离子”来充填该空位。这些电子不像原子或离子固有电子那样由原子核定位，而是由周围所有离子形成的晶体场定位。在晶体场中，电子从基态向激发态跃迁时吸收可见光的红、黄、绿、蓝大部分光，仅透过紫光，使萤石呈紫色。   ⑵空穴色心   空穴色心是指由于阳离子缺失而产生的电子空位。产生颜色的原因

6、是当宝玉石晶体中阳离子空位形成后，为了达到电价平衡，阳离子空穴附近的阴离子在外来能量的作用下释放电子，形成未成对电子，这些未成对电子吸收可见光产生颜色，如水晶族中的烟晶与紫晶。   水晶晶体结构是硅氧四面体。当水晶中有杂质Al3+存在时，Al3+代替了晶格中的Si4+。为保持晶体中的电中性，铝离子周围须有氢离子(H+)存在，这个离子往往离开Al3+有一定距离。如果外能辐射从临近Al3+的氧中释放出一个电子，这个电子会被氢离子俘获而形成氢离子。                                     O2-→O-+e-         

7、                            H++e-→H   而氧离子剩下一个未成对电子。这个电子吸收可见光而产生颜色，形成烟水晶。如果水晶中存在的是Fe3+而不是Al3+，则往往出现浅黄色，辐射时可得到紫色，加热后回到黄色，这是人工合成有色水晶常用的方法。   ⑶产生色心的辐照源   目前人们用多种多样的辐照源来产生色心，从能量较小3eV的可见紫光，可用于产生某些极浅陷阱的不稳定的色心，到各种高能X、r射线、高能粒子、中子反应堆等均常用来做辐射源。一些辐射只能很浅地穿入样品，大多数物质中仅能产生表面的着色。另一些辐射虽可以贯穿宝玉石整

8、体但往往有放射性残余，如中子反应堆。而高能电子的辐照在表面着色的同时，还能产生表面的局部过热，因而会使热敏材