寶石致色機理

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1、鉻的致色機理???鉻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鉻所致。???在這三種寶玉石中，鉻以類質(zhì)同象的形式代替了鋁原子。鉻原子有6個未配對的電子，其中3個為價電子。它在紅寶石、祖母綠和變石的原子結(jié)構(gòu)中與其它原子形成化學(xué)鍵，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。???⑴紅寶石???紅寶石的礦物名稱為剛玉，其化學(xué)成分是Al2O3。純凈的剛玉是無色透明的，當(dāng)有微量的Cr2O3加入時，剛玉才會呈紅色。這是由于Cr3+以類質(zhì)同象置換部分Al3+。d軌道發(fā)生能量分裂形成不同的能級。???⑵

2、祖母綠???祖母綠的礦物名稱為綠柱石，分子式為Be3Al2Si6O18。其原子結(jié)構(gòu)與剛玉相似，Cr3+類質(zhì)同象代替Al3+后在周圍六個氧離子組成的八面體的作用下d軌道發(fā)生分裂，形成不同的能級，與剛玉不同的是多了Be2+和Si4+兩個離子，從而使周圍配位電場強度減弱，其能級相對剛玉降低。它相當(dāng)于紅光波段，即紅光被吸收，而透過的殘余色為漂亮的祖母綠色。???⑶變石???變石被稱為“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)分子式為BeAl2O4，當(dāng)Cr3+類質(zhì)同象代替Al3+后，與紅寶石和祖母綠一樣，在d軌道分裂后形成不同的能級，而與紅寶

3、石和祖母綠不同的是受Be的影響電子激發(fā)能量2.41eV，高于祖母綠的2.05eV，低于紅寶石的2.23eV，即介于綠光和紅光波段之間，二者達到臨界平衡態(tài)。寶玉石的顏色主要取決于光源中單色光的百分含量，在鎢絲燈光或燭光下，與紅光相當(dāng)?shù)哪芰慷?，故寶石顯紅色。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，常常無意中長期處于陽光暴曬的玻璃瓶會逐漸變成悅目的淡紫色，當(dāng)若在爐中對它加熱，顏色即可消失。如果再把瓶放置高能輻射源下，如鈷60、r射線中輻射，幾分鐘內(nèi)會呈現(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

4、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，如輻射改色的藍、黃、紅、綠鉆石、藍托帕石等，其中一些顏色較穩(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行研究。???寶玉石中常見的兩類色心是“電子色心”和“空穴色心”。???⑴電子色心???電子色心是指電子存在于晶體缺陷的空位時，所形成的色心。使寶玉石產(chǎn)生顏色的原因是陰離子空穴俘獲一個電子后，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，該電子產(chǎn)生由基態(tài)到激

5、發(fā)態(tài)的躍遷，并在躍遷中對可見光產(chǎn)生選擇性吸收而呈色，如螢石。螢石晶體為等軸晶系，在螢石的晶體結(jié)構(gòu)中，正常情況下，一個鈣離子與八個氟離子相連，當(dāng)受到一些放射能輻射時，氟離子容易離開它的正常位置，而導(dǎo)致鈣離子的過量，而原來氟離子的位置出現(xiàn)空位。要保持晶體的電中性，需由一些“自由離子”來充填該空位。這些電子不像原子或離子固有電子那樣由原子核定位，而是由周圍所有離子形成的晶體場定位。在晶體場中，電子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷時吸收可見光的紅、黃、綠、藍大部分光，僅透過紫光，使螢石呈紫色。???⑵空穴色心???空穴色心是指由于陽離子缺失而產(chǎn)生的電子空位。產(chǎn)生顏色的原因

6、是當(dāng)寶玉石晶體中陽離子空位形成后，為了達到電價平衡，陽離子空穴附近的陰離子在外來能量的作用下釋放電子，形成未成對電子，這些未成對電子吸收可見光產(chǎn)生顏色，如水晶族中的煙晶與紫晶。???水晶晶體結(jié)構(gòu)是硅氧四面體。當(dāng)水晶中有雜質(zhì)Al3+存在時，Al3+代替了晶格中的Si4+。為保持晶體中的電中性，鋁離子周圍須有氫離子(H+)存在，這個離子往往離開Al3+有一定距離。如果外能輻射從臨近Al3+的氧中釋放出一個電子，這個電子會被氫離子俘獲而形成氫離子。?????????????????????????????????????O2-→O-+e-?????????

7、????????????????????????????H++e-→H???而氧離子剩下一個未成對電子。這個電子吸收可見光而產(chǎn)生顏色，形成煙水晶。如果水晶中存在的是Fe3+而不是Al3+，則往往出現(xiàn)淺黃色，輻射時可得到紫色，加熱后回到黃色，這是人工合成有色水晶常用的方法。???⑶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3eV的可見紫光，可用于產(chǎn)生某些極淺陷阱的不穩(wěn)定的色心，到各種高能X、r射線、高能粒子、中子反應(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)生表面的著色。另一些輻射雖可以貫穿寶玉石整

8、體但往往有放射性殘余，如中子反應(yīng)堆。而高能電子的輻照在表面著色的同時，還能產(chǎn)生表面的局部過熱，因而會使熱敏材