有色宝石的颜色及呈色机理

在赋予宝石美丽的诸多因素中，颜色是一个主要的因素，甚至是唯一的因素。了解颜色的成因，对有色宝石的鉴定、合成和改善均具有一定的指导意义。

一、颜色的定义

颜色是光对人眼的色刺激，经大脑翻译所产生的结果。要产生颜色，必须要有光源、与光作用的物体及接受光的人眼和解释它的大脑，这3个条件缺一不可。

颜色是具有一定波长的电磁波。宝石的颜色是宝石对400～700nm的可见光波进行选择性的吸收后，透射或反射出的光波的混合色。颜色是人眼对可见光的一种反应，但由于个体的差异，人眼可能观察到的可见光的波长范围可扩展为380～760nm。不同的波长对应着不同的颜色，表1-3-1列出了颜色和波长的对应关系。

表1-3-1 颜色与波长的对应关系

当白光到达宝石的表面时，一部分被反射，另一部分被折射进入宝石。如果没有反射或折射的光波被吸收，宝石将是无色的。某种波长被吸收(称为选择性吸收)后，进入人眼的光波的混合色，即是我们所见的颜色(也称为选择性透过)。

二、致色元素

绝大多数宝石产生选择性吸收的原因是因为含有某些元素，它们既可以主要化学成分存在，也可以微量元素存在，被称为致色元素，其中最主要的是钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜等过渡族金属元素。根据宝石的化学成分和构造特征可将颜色分为自色、他色和假色，相应的宝石分为自色宝石和他色宝石。

1自色

致色元素以宝石的主要化学成分出现，且颜色是恒定的，这种宝石叫自色宝石。如菱锰矿总是呈红色—橙**，孔雀石总是呈绿色，蓝铜矿总是呈蓝色。表1-3-2为常见自色宝石的颜色及致色元素。

2他色

组成宝石的主要元素不产生特征的颜色，因微量元素而致色的宝石称为他色宝石。他色宝石纯净时，为无色透明或不透明时呈现白色，当混入其他元素时，呈现各种不同的颜色。如刚玉，纯净时是无色的，当有微量的铬代替铝时，就呈红色(红宝石)，若含铁和钛则呈蓝色(蓝宝石)。表1-3-3为常见的他色宝石及其致色元素。

表1-3-2 自色宝石的颜色和致色元素

3假色

假色是由于宝石内部存在一些细小的平行排列的包裹体、出溶片晶、平行解理等特殊结构，与光发生物理光学效应产生的颜色，如晕彩、锖色、变彩等。

表1-3-3 他色宝石的颜色和致色元素

三、有色宝石的呈色机理

有色宝石颜色的成因是由其化学成分和晶体结构所决定的。呈色机理有如下几种:

1过渡金属元素的内部电子跃迁

晶体场理论认为，原子是由原子核及围绕核的许多沿确定轨道层运动的电子所组成，电子的运动状态受原子内部及相邻原子之间的吸引力控制。在过渡金属族元素中，当白光射入宝石的晶格中时，晶体中的过渡金属元素的d电子就会被能量相同的光波激发，从基态跃迁到能量较高的轨道上，激发电子所需要的能量在12～37eV之间，与可见光的波长范围400～700nm中的某些波段对应。因此，当宝石中的电子跃迁时，就会对可见光进行选择性的吸收，而透射或反射出的光波的混合色就是宝石的颜色。

除了过渡金属元素(具有3d，4d轨道)内部d-d电子跃迁可以产生颜色外，某些镧系、锕系元素(具有4f，5f轨道)，也可产生f-f电子跃迁使宝石呈色。由过渡金属离子引起的d-d跃迁呈色的宝石品种列于表1-3-4中。

表1-3-4 过渡金属离子引起的宝石致色

下面以红宝石、变石、祖母绿中Cr3+为例来解释宝石d-d跃迁的呈色机理(图1-3-1)。

这3种宝石的致色离子均为Cr3+，根据晶体场理论，Cr3+的d轨道在八面体配位场中可以分裂为3个能级，即4A2，4T2，4T1，Cr3+的3个d电子都处于能量较低的4A2(基态)轨道中，并且全部为单电子。在可见光的照射下，d电子分别发生从4A2→4T2，4A2→4T1的跃迁。由于3个宝石的化学成分不同，引起配位场构型畸变，因而3个宝石在跃迁过程中吸收的能量各不相同。红宝石(Al2O3)中d-d跃迁吸收的能量分别为225eV和302eV，对应于绿—黄光(551nm)和蓝紫色(410nm)，透过的是大部分红橙光和部分蓝光，因而红宝石最终呈现带紫色调的红色;祖母绿吸收了204eV和292eV能量，分别对应吸收的颜色波长为608nm的橙**光和425nm的蓝紫色光，透过光波的混合色组成了祖母绿的绿色;变石(BeAl2O4)化学式介于红宝石与祖母绿之间，Cr3+与周围配位体的电场强度低于红宝石，高于祖母绿，在电子跃迁过程中吸收的能量分别为216eV和298eV，介于红宝石和祖母绿之间，对应吸收的波长分别为575nm的橙**光和416nm的蓝紫色光，透过红光和蓝绿光。因变石透过的红光和绿光基本上处于平衡状态，宝石最终呈现何种颜色取决于光源。由于日光及色温较高的日光灯蓝绿色成分偏多，变石显示绿色，而在红光成分较多的白炽灯或烛光下则显示红色。

图1-3-1 Cr3+在红宝石、变石及祖母绿中的d-d电子跃迁示意

2元素离子间的电荷转移

分子轨道理论认为，当原子形成分子后，电子的运动不再局限于单一的原子轨道，而是在相应的分子轨道中运动。当两个或两个以上的原子组成分子后，各原子轨道按照一定的规则组成分子轨道，不同原子内的电子可从一个原子轨道跃迁到另一个原子轨道上，这种作用叫电荷转移。在电荷转移的过程中，要吸收能量，所需的能量正好和可见光的某些光波相对应，而使宝石呈色。这种作用主要表现为氧化-还原过程。

元素离子间的电荷转移可以发生在同种或不同种金属离子与金属离子之间，前者又称为同核原子价态之间的电荷转移，后者称为异核原子之间的电荷转移，如宝石中常见的Fe2+-Fe3+/Fe3+-Fe2+;Ti4+-Ti3+/Ti3+-Ti4+;Mn2+-Mn4+/Mn3+-Mn3+;Fe2+-Ti4+/Fe3+-Ti3+;也可以发生于非金属离子-金属离子之间，如宝石中有O2-→Fe3+，O2-→Cr6+，O2-→V5+等;还可以是非金属-非金属间的转移。表1-3-5列出了电荷转移致色的宝石品种及颜色。蓝宝石的蓝色就是Fe2+-Ti4+异核原子价态之间的电荷转移吸收了红光和黄光，从而使蓝宝石呈蓝色。

表1-3-5 电荷转移引起的宝石颜色

3色心

有些宝石矿物的颜色是由晶体缺陷导致的，称为色心致色。色心可分为两种类型:电子色心和空穴色心。

(1)电子色心(F心)

是由电子占据晶体结构中的阴离子空位引起的色心。当一个电子被捕获到晶体中在正常情况下不存在电子的位置上时，该电子具有占据不同能级和吸收光线的能力，其产生颜色的方式与过渡金属的未配对电子相似。如萤石的化学式为CaF2，由于Ca2+含量过高和受放射性辐照影响，造成F-缺位而为电子占据，形成电子色心，该色心吸收黄绿光波，而使萤石呈紫色。

(2)空穴色心(V心)

是由于阳离子在晶体结构中缺位而引起的色心。当一个本该存在电子的位置上缺少一个电子时，就留下了一个空穴和一个能吸收光的未配对电子。烟晶(SiO2)中当Si4+被Al3+﹢H+(或Na+)取代后，结构中的电中性被破坏，受辐照后，Al3+邻近的O2-的1个价电子被激发离开其轨道，出现未配对电子，形成空穴色心，产生紫外—可见光范围的吸收，使之呈烟色。

若用X射线或γ射线辐照，受弱控制的电子就会被移位，留下空穴和能产生颜色的未配对电子。为产生色心所需的辐照，可靠自然界少量的放射性矿物在漫长的时间内完成，也可人为地使用X射线、γ射线或离子束来完成，如蓝色托帕石、紫晶等就是通过辐照而呈色的。

4能带间的电子跃迁呈色

能带理论认为:晶体中的电子不束缚于某个原子，而为整个晶体所共有，并在整个晶体中作周期性共有化运动。在宝石晶体中，各个原子的相似轨道能级发生相互重叠而构成各个能量范围不同的能带，电子按能级高低分别处在各能带中。能带又可分为:①导带(空带)，由未填充电子的能级所形成的一种高能量带;②带隙(禁带):为价带最上部的面(又称费米面)与导带最下部面之间的距离，禁带宽度(用ΔEg表示)随矿物键性的不同而不同;③价带(满带)，由已充满电子的原子轨道能级所构成的低能量带。处在价带顶部的电子当受到大于ΔEg的外来能量(可见光)激发时，可以跃迁到导带上去，吸收可见光能量而使晶体产生颜色。宝石的颜色取决于电子从价带向导带跃迁时所吸收的辐射能。当ΔEg在可见光能量范围之内时，能量大于ΔEg的被宝石吸收，能量小于ΔEg的透过宝石，而使宝石呈色。

5物理因素致色

由于包裹体、特殊结构、双晶、裂隙等与可见光波发生干涉、衍射、散射等作用而使宝石呈现的颜色，为物理因素致色。

1)干涉:当两条光线相遇叠加沿同一路线传播时，由于彼此的位相原因造成光波相互增强或抵消，其效果是产生非纯正光谱色。这种干涉色常见于有裂隙、薄层包裹体或具不同物质薄层结构的材料，如晕彩石英。

2)衍射:衍射为光干涉的一种特殊类型。产生衍射的宝石具有规则的不同折射率的交替层堆积，当白光与之相互作用时发生光波的定向传播，其效果是产生纯正光谱色，如欧泊的变彩。

3)散射:宝石材料内部结构不规则或粒度超出衍射限定范围(约100～400nm)或含直径大于可见光波长的包裹体、微晶微裂隙或气泡时，入射光线因传播介质的不均匀性造成光在不同方向上的反射而呈现颜色，如普通蛋白石、乳石英等。

4)包裹体致色:很多宝石会因机械地混入了其他矿物包裹体而呈现颜色，如赤铁矿使玉髓呈红色(肉红玉髓)，石英岩中的铬云母包裹体使石英岩呈绿色等。

四、颜色的三要素

在色度学中用色调、饱和度、明度来表示颜色的特征。非彩色系列不具有色调和饱和度特征，它们仅有明度的变化。对于彩色系列中的每一种颜色，均有色调、明度、饱和度3个特征，称为表征颜色的三要素。

1色调(色相)

指彩色的类别，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。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。色调通常用主波长λd来表示。

2饱和度(纯粹度或彩度)

指彩色的纯净度或鲜艳程度。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，可见光光谱中的各单色光饱和度最高，饱和度值为1，复色光(即白光)的饱和度最低，其值为0。当宝石仅对可见光某一很窄波段的光反射或透过时，颜色饱和度就高，宝石就鲜艳。通常用饱和的彩色光与白光的相对含量来表示。

3明度(亮度)

指彩色的明亮程度。宝石颜色的明度取决于宝石对光的反射或透射能力。宝石对光的反射比或透射比越高，宝石的明度越大。通常用宝石的视觉透射率来表示。颜色的明亮程度不仅与宝石的折射率、光泽及加工工艺有关，而且与宝石的表面光洁度和颜色深浅有关。

五、有色宝石颜色的表征

有色宝石颜色的观察和描述常带有一定的主观性，为了客观、有效地传达色彩，目前广泛使用孟塞尔表色系统、国际照明委员会CIE色度学系统以及GemDialogue或GemSet比较系统来表征有色宝石的颜色，但目前国际上并无任何统一的标准。

图1-3-2 孟塞尔色立体外形图

1孟塞尔表色系统

孟塞尔表色系统将颜色的三要素用三维坐标立体形式表示(图1-3-2)。该系统水平剖面上的各个方向，圆周被分为10个部分，代表10种孟塞尔色相;孟塞尔彩度以离开中央轴的距离表示，从中心至边缘，愈远则彩度愈大;孟塞尔色立体的中心轴，表示明度，代表从底部黑色到顶部白色的白黑系列的明度等级，中间明度划分1～9个等级。彩色系列的明度以离开基底平面高度相等的灰色来度量，共分为11个等级。颜色标定方法是:HV/C，其中符号H、V、C分别代表色相、明度和彩度。

21931CIE-XYZ表色系统

CIE标准色度系统是由国际照明委员会(简称CIE)规定的标准色度系统，是以颜色匹配实验为基础，设定每一种颜色都能用3个选定的原色按适当的比例混合而成。在颜色匹配实验中，常选用红(700nm)、绿(5461nm)、蓝(4358nm)作为三原色，将与待测颜色匹配时所需的三原色的数量，称为三刺激值，用X、Y、Z表示。三刺激值的单位选用色度学单位，对于匹配等能光谱色的三原色数量，称为光谱三刺激值。这是一种定量测量颜色的方法，通过紫外-可见光分光光度计测量宝石在可见光范围400～700nm不同波长的三刺激值，可借助于计算程序，方便地计算出其色度坐标(x，y，z):

有色宝石学教程

3个色度坐标中有一个是不独立的，因而可用x、y直角坐标系来表示各种颜色色品。

图1-3-3为CIEx、y色品图，图中(X)表示红原色，(Y)表示绿原色，(Z)表示蓝原色，为假想的三原色;图中马蹄形曲线为光谱轨迹，由光谱色的坐标点连成，凡是马蹄形曲线内部的所有坐标点(包括曲线本身)都是物理上能实现的颜色。

图1-3-3 CIEx、y色品图

宝石学中，我们先在CIEx、y色品图上标出光源和宝石的色度坐标，就可知道宝石在该光照下的色调λd和颜色饱和度。如图1-3-3所示，O点为白点(光源的坐标点，以D65光源为例)，S1、S2分别为两样品颜色的色度坐标点，由白点(O点)向颜色S1引一直线，延长与光谱轨迹相交于L点，由此得到S1的主波长λd=584nm，颜色的主波长大致相当于人眼感知到的颜色色相，表明该宝石颜色大致为**色调。线段OS1与线段OL的比，记为Pe=OS1/OL，比值Pe表示兴奋纯度，即主波长的光谱色被白光冲淡的程度。兴奋纯度与颜色的饱和度呈正相关关系。S1点越接近O点，说明该颜色纯度(饱和度)越低，即颜色越不鲜艳。OS1/OL之比值越接近1，表明该宝石的颜色越接近光谱色。刺激值中的Y值大致代表了该颜色的明度。同理，向颜色S2引一直线，延长与光谱轨迹相交，得到λc或记为-λd，表示S2的补色波长。

3GemDialogue和Gem Set体系

GemDialogue(图1-3-4)体系借助各种颜色标尺(色卡)与宝石颜色进行对比，来描述和评价宝石颜色的三要素。颜色标尺手册是由21张透明的颜色标尺(色卡)及3张色罩组成。21张色标相当于21种色相，囊括了有色宝石主要的色相范围，每张色卡上有每种颜色的10个不同饱和度的带，分别为100、90、80、……10，用来表示颜色彩度由深到浅、直至无色的变化。这些色卡也可重叠起来使用，提供60000多种颜色的比较。色罩为透明黑/灰色、不透明黑/白色及透明褐色等3种，同样也有10个不同饱和度的带，可用它们模拟每种颜色中褐色或黑色的罩(即颜色被褐色或黑色掩盖了多少)，用于描述隐藏于颜色中的黑/灰色调或褐色调的强度及不透明宝石。

Gem Set(图1-3-5)体系是用一套与宝石形状相近的塑料片和有色宝石的颜色进行对比的方法。其优点是塑料片的形状与宝石相近，且透明便于比较。缺点是这套体系较大，不便于携带，且塑料片容易老化。GemDialogue的优点是体小便携，但缺乏立体感。

图1-3-4 GemDialogue

图1-3-5 GemSet

硅孔雀石又名凤凰石，是水合铜硅酸盐矿物，在很多铜矿地区都会存在这种由铜矿分解而成的矿物，这是因为铜矿遇到含二氧化硅的水而发生化学变化而产生的。

硅孔雀石因为它与一种焊金物质非常相似的缘故，针状晶体相当罕见，在自然界中多以皮壳状、葡萄状、纤维状或辐射状集合体出现，从蓝、蓝绿到绿色为主，若含有杂质，也会呈现出褐到黑色。

硅孔雀石为一种次生的含铜矿物，主要产在含铜矿床的氧化带中，常与孔雀石、蓝铜矿、赤铜矿，自然铜共生，此外也常和玉髓相伴一起出现，为部分蓝色或绿色玉髓的重要内含物。台湾东部所产之蓝玉髓俗称台湾蓝宝，有些学者认为是因内含硅孔雀石的缘故。

硅孔雀石结晶状态隐晶质或胶状集合体，呈钟乳状、皮壳状、土状，常作致色剂存在于玉髓中，常见颜色有绿色、浅蓝绿色，含杂质时可变成褐色、黑色，光泽是蜡状光泽，具陶瓷状外观，玻璃光泽，土状者呈土状光泽，解理集合体无，摩氏硬度2 ~4 ，有时可达6 ±。密度:20g/cm ~24g/cm ，光性特征非均质集合体多色性无，折射 率1461 ~1570 ，点测法150 左右，双折射率集合体不可测，紫外荧光一般无，吸收光谱不特征，放大检查隐晶质结构，特殊光学效应未见，优化处理未知。

主要产地台湾地区产于金瓜石的金铜矿床中

硅孔雀石鉴定特征硬度2-4，其外观与绿松石相似，但硬度较绿松石低，比重为20-24，加热后，颜色会变暗黑色，折射率为146-157，常呈葡萄状或皮壳状产出。主要用途可提炼铜，但并不是重要的铜矿原料，少数硅孔雀石被用来收藏或观赏，使情绪不稳定的人达到心境平静，有助于软化固执的个性、脾气，能减轻经痛、治疗不育。对分娩、甲状腺疾病和颈部肌肉紧张也有帮助，能增沟通能力，说服力，主喉轮，能消除任何与喉轮有关的疾病。

孔雀石是一种次生氧化矿物，通常产于铜矿上部的氧化带中。孔雀石因呈孔雀绿色而得名，多呈块状、钟乳状、皮壳状及同心条带状。常同褐铁矿、方解石、锰土、玉髓、硅孔雀石等共生，孔雀石由于颜色酷似孔雀羽毛上斑点的绿色而获得如此美丽的名字。中国古代称孔雀石为绿青、石绿或青琅玕。孔雀石是一种古老的玉料。孔雀石是含铜的碳酸盐矿物，化学成分为Cu2[CO3](OH)2，CuO 719%，CO2 199%，H2O 815%。属单斜晶系。

物理性质晶体形态常呈柱状或针状，十分稀少，通常呈隐晶钟乳状、块状、皮壳状、结核状和纤维状集合体。具同心层状、纤维放射状结构。有绿、孔雀绿、暗绿色等。常有纹带，丝绢光泽或玻璃光泽，似透明至不透明。折光率166-191，双折射率025，多色性为无色-黄绿-暗绿。硬度35-45，密度354-41g/cm。性脆，贝壳状至参差状断口。遇盐酸起反应，并且容易溶解。孔雀石的品种与评价。孔雀石的品种有普通孔雀石、孔雀石宝石、孔雀石猫眼石、青孔雀石。孔雀石宝石是非常罕见的孔雀石晶体。孔雀石作观赏石、工艺观赏品，要求颜色鲜艳，纯正均匀，色带纹带清晰，块体致密无洞，越大越好。孔雀石猫眼石要求其底色正，光带清晰。孔雀石可雕刻鸡心吊坠、蛋形戒面、项链，还可制成印章料。

硅孔雀石也是一种次生矿物，多数由黄铜矿、黝铜矿等受碱性硅酸盐的热溶液作用变化所形成。呈绿、蓝绿至天蓝色，常呈蛋白石或瓷釉状的块体，也有呈土状或葡萄状者。硬度2-4，比重20-24。和孔雀石一样不透明，玻璃至土状光泽。与孔雀石的区别除化学成分不同外，颜色比孔雀石浅并近于天蓝色接近于绿松石，比重和硬度都小于孔雀石。此外，硅孔雀石性脆，也是与孔雀石以及绿松石的重要区别特征之一。

古人常把绿松石、孔雀石和硅孔雀石三者相混。许多考古工作者仍是如此，常把孔雀石误认为绿松石的不是少数，应在鉴定时注意。

孔雀石是一种古老的玉石材料。孔雀石是一种观赏石。随着孔雀石价值的提升，孔雀石的价格有所上涨，也有人看重孔雀石的投资。孔雀石的英文名是Malachite，来源于希腊语mallache，意为“绿色”。孔雀石之所以有如此美丽的名字，是因为它的颜色类似孔雀羽毛上斑点的绿色。在中国古代，孔雀石被称为“青绿”、“石绿”或“青蓝”。我们来看看什么颜色的孔雀石最好。孔雀石有几种颜色。孔雀石是一种易碎但美丽的石头，具有最强烈的绿色。绿色孔雀石虽然没有珠宝的光泽，但却有自己独特的优雅气质。一般来说，孔雀石常被用作观赏石和工艺装饰品，颜色鲜艳纯正，色带清晰，块状致密无孔洞。直到今天，孔雀石美丽的绿色仍然是青春和吉祥的象征，带给人们永恒和春天的感觉。接下来我给你分析一下孔雀石的颜色，哪个最好。

一、传统宝石学颜色成因

传统宝石学主要基于宝石的化学成分和外部构造特点，将宝石颜色划分为自色、他色和假色。

1自色

由作为宝石矿物基本化学组分中的元素而引起的颜色，这些致色元素多为过渡金属离子，如铁铝榴石、绿松石、孔雀石、蓝铜矿等。

2他色

由宝石矿物中所含杂质元素引起的颜色。他色宝石在十分纯净时呈无色，当其含有微量致色元素时，可产生颜色，不同的微量元素可以产生不同的颜色。如尖晶石，其化学成分主要是Mg Al2O4，纯净时无色，含微量的Co元素时呈现蓝色，含微量Fe元素时呈现褐色，而含微量Cr元素时呈现红色。另外同一种元素的不同价态可产生不同的颜色，如含Fe3＋常呈棕色，含Fe2＋则呈现浅蓝色。同一元素的同一价态在不同的宝石中也可引起不同的颜色，如Cr3+在刚玉中产生红色，在绿柱石中产生绿色。

3假色

假色与宝石的化学成分和内部结构没有直接关系，而与光的物理作用相关。宝石内常存在一些细小的平行排列的包裹体、出溶片晶、平行解理等。它们对光的折射、反射等光学作用产生的颜色就是假色。假色不是宝石本身所固有的，但假色能为宝石增添许多魅力，这一方面的具体内容已在宝石的特殊光学效应一节里进行了较详细的叙述。

二、近代科学宝石颜色的成因

随着科学的发展，人们发现宝石的颜色不仅仅取决于其化学组成，更重要的是取决于其内部结构。近代科学颜色成因理论打破了传统颜色成因理论中的自色、他色的界限，从晶体场理论、分子轨道理论和能带理论等的角度揭示了宝石颜色成因的本质。

（一）离子内部的电子跃迁呈色（晶体场理论）

晶体场理论研究的对象是处于宝石晶体结构中的过渡金属元素和某些镧系、锕系元素。它把晶体场看成一种正负离子间的静电作用，将带有正电荷的阳离子称为中心离子，把带有负电荷的阴离子和络阴离子统称为配位离子，或简称配位体。晶体场理论与其他理论的区别在于，它把配位体处理为一个点电荷，点电荷作用的实质是产生静电势场力，这种静电势电场又被称之为晶体场。晶体场跃迁包括d-d跃迁和f－f跃迁。元素周期表中第四、五周期的过渡金属元素分别含有3d和4d轨道，镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道。在配位体的存在下，过渡元素五个能量相等的d轨道和镧系元素七个能量相等的f轨道分别分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道。当它们的离子吸收光能后，低能态的d电子或f电子可以分别跃迁至高能态的d或f轨道，这两类跃迁分别称为d-d跃迁和f－f跃迁。由于这两类跃迁必须在配位体的配位场作用下才可能发生，因此又称为配位场跃迁。

过渡金属元素的d-d电子跃迁引起宝石颜色变化的最好例子是红宝石、祖母绿及变石，图1-4-11为三者的紫外可见吸收光谱。

图1-4-11 红宝石、祖母绿及变石的UV吸收光谱

A——红宝石；B——变石C——祖母绿

红宝石中致色离子为Cr3＋，从Cr3+的3d3电子组态导出的自由离子谱项为：基谱项为4F，激发谱项为4P、2G、2D等。八面体场中，由基谱项4F分裂为三个能级，即4A2、4T2、4T1。红宝石的吸收光谱特征表明，在可见光区域内，出现两个强而宽的吸收带，分别由4A2→4T2、4A2→4T1能级之间的跃迁所致。d电子在4A2→4T2、4A2→4T1能级间跃迁的过程中，分别吸收225和302e V能量，其余吸收后的残余能量组合成红宝石的颜色（见图1-4-12）。

祖母绿吸收光谱特征表明（见图1-4-13），在可见光区域内，出现两个强而宽的吸收带，分别由4A2→4T2、4A2→4T1能级之间的跃迁所致。d电子在4A2→4T2、4A2→4T1能级间跃迁的过程中，分别吸收204和292e V能量，其余吸收后的残余能量组合成祖母绿的颜色。

图1-4-12 红宝石的UV吸收光谱

图1-4-13 祖母绿的UV吸收光谱

变石的化学式组成（BeAl2O4）介于红宝石和祖母绿之间，影响铝氧八面体的金属离子只有Be一种，因此Cr3＋离子与周围配位体电场强度低于红宝石而高于祖母绿，它的金属氧离子之间化学键的性质也介于红宝石和祖母绿之间。变石中Cr3＋离子4A2→4T2跃迁吸收的能量为216eV，介于红宝石（225eV）和祖母绿（204eV）之间，而4A2→4T1跃迁所吸收的能量（298eV）与红宝石和祖母绿相差不大。在可见光区域内，变石中红光和蓝绿光透过的几率近于相等，于是外部环境的光源条件（色温）就决定了变石的颜色。例如，色温较高的日光灯中蓝绿色成分偏多，导致变石中蓝绿色成分的叠加，而呈现蓝绿色。反之，白炽灯光源中色温偏低，导致变石中红色成分的叠加，而呈现红色（见图1-4-14）。

图1-4-14 变石的UV吸收光谱

（二）离子间的电荷迁移呈色（分子轨道理论）

分子中单个电子的状态函数称为分子轨道。根据分子轨道模型，认为一个分子中所有的轨道都扩展至整个分子上。占据这些轨道的电子不是定域在某个原子上，而是存在于整个分子之中。根据分子轨道理论，电子可以从这一个原子轨道上跃迁到另一个原子轨道上去，这种电子跃迁称为电荷迁移。

某些分子既是电子给体，又是电子受体，当电子受辐射能激发从给体外层轨道向受体跃迁时，就会产生较强的吸收，这种光谱称为电荷迁移光谱。伴随电荷转移，在吸收光谱中产生强吸收带，如果电荷转移带出现在可见光范围内，则产生相应的颜色。电荷迁移有多种形式，它可以发生在同核原子价态之间，也发生在异核原子价态之间。

1金属—金属原子间的电荷迁移

金属—金属原子间的电荷迁移可分为同核原子价态之间的电荷迁移和异核原子价态之间的电荷迁移。

（1）同核原子价态之间的电荷迁移

同核原子价态之间的电荷迁移来自不同价态的同一过渡元素的两个原子之间的相互作用，当两个不同价态的同核原子分布在不同类型的格点中，且两者之间有能量差时，电子可发生转移，并产生光谱吸收带，从而使宝石呈现颜色。堇青石的蓝紫色的产生是这种情况的典型实例。在堇青石中，Fe3+和Fe2+分别处于四面体和八面体位置中，两个配位体以共棱相接，当可见光照射到堇青石时，其Fe2+的一个d电子吸收一定能量的光跃迁到Fe3+上，此过程的吸收带位于17000cm-1（相当于黄光），使堇青石呈现蓝色。蓝色、绿色电气石和海蓝宝石也是由于Fe2+-Fe3+间的电荷迁移而呈的色。

（2）异核原子价态之间的电荷迁移

图1-4-15 蓝宝石的UV吸收光谱

异核原子价态之间的电荷迁移的典型实例是蓝宝石（见图1-4-15），在蓝宝石中Fe2+与Ti4+分别位于相邻的以面相连接的八面体中，Fe、Ti离子的距离为0265nm，二者的d轨道沿结晶轴重叠，当电子从Fe2+中跑到Ti4+中时，Fe2+转变为Fe3+，而Ti4+转变为Ti3+，即Fe2++Ti4+→Fe3++Ti3+。电荷迁移的这一过程，伴随着的光谱吸收能为211eV，吸收带的中心位于588nm，其结果是在蓝宝石的c轴方向只透过蓝色，呈现蓝色。当两个八面体在垂直c轴方向上以棱相连接时，这时电荷转移吸收带略向长波方向位移，使蓝宝石在非常光方向上呈现蓝绿色。异核原子价态之间的电荷迁移，也是蓝色黝帘石、褐色红柱石呈色的原因。

2其他类型的电荷迁移

除了上述两种类型的电荷迁移外，还有非金属与金属原子之间的电荷迁移和非金属与非金属原子之间的电荷迁移。

宝石中常见的非金属与金属原子之间的电荷迁移为O2-→Fe3+。02-与Fe3+之间的电荷迁移对可见光光谱中紫色、蓝色光强烈吸收，导致宝石呈金**。金**绿柱石、金**蓝宝石的颜色均由02-→Fe3+之间的电荷迁移引起。

（三）能带间的电子跃迁呈色（能带理论）

能带理论是研究宝石材料的一种量子力学模式，是分子轨道理论的进一步发展。它较好地解释了天然彩色钻石的呈色机理及其金刚光泽的产生原因。能带理论认为：固体中电子并非束缚于某个原子上，而为整个晶体所共有，并在晶体内部三维空间的周期性势场中运动。电子运动时的能量具一定的上下限值，这些电子运动所允许的能量区域就称之为能带。它与晶体场理论和分子轨道理论的区别是：晶体场理论和分子轨道理论主要适用于局部离子和原子团上的电子，电子是定域的，是局部态之间的跃迁；能带理论则与之相反，它认为电子是不定域的，是非局部态之间的电子跃迁。能带又可分为：①导带（又称空带），由未填充电子的能级所形成的一种高能量带。②带隙（又称禁带），价带最上部的面（又称为费米面）与导带最下部面之间的距离，禁带的宽度随矿物键性的不同而不同；③价带（又称满带），由已充满电子的原子轨道能级所构成的低能量带，当自然光通过宝石时，宝石将吸收能量使电子从价带跃迁至导带，所需的能量取决于带隙的宽度，即价带顶部与导带底部间的能量差，又称能量间隔，一般用ΔEg表示。不同的宝石由于能量间隔不同而呈现不同的颜色。与晶体场理论一样，电子从导带返回至价带的过程中，其吸收的能量仍以光的形式发射出来。例如，Ⅱa型钻石带隙的能量间隔（ΔEg=54e V）大于可见光的能量，即电子从价带跃迁至导带时吸收的能量为54e V，故吸收主要发生在紫外光区，对可见光能量无任何吸收，故理论上，IIa钻石为无色（见图1-4-16）；由于Ⅰb型钻石中含有微量的孤氮原子，氮原子外层电子（1s22s22p3）比碳原子（1s22s22p2）多一个，额外的电子则在禁带中生成一个杂质能级（氮施主能级），由此缩小了带隙的能量间隔，电子从杂质能级跃迁至导带所吸收的能量为22e V（564nm），故该类钻石显橙**（见图1-4-17）。

（四）晶格缺陷呈色

宝石晶体结构中的局部范围内，质点的排列偏离其格子状构造规律（质点在三维空间作周期性的平移重复）的现象，称为晶格缺陷。其产生原因与宝石晶体内部质点的热振动、外界的应力作用、高温高压、辐照、扩散、离子注入等有关。

例如，在上地幔的高温高压环境中结晶出的金刚石晶体，被寄主岩浆（金伯利岩岩浆或钾镁煌斑岩岩浆）快速携带到近地表时，温压条件的迅速改变和晶体与围岩物质的相互碰撞，则易导致侵位金刚石晶体的结构局部发生改变，并诱发晶格缺陷，使一部分原本无色的金刚石的颜色发生改变，从而形成褐黄、棕**及粉红色金刚石。

图1-4-16 Ⅱa型钻石中电子跃迁图示

图1-4-17 Ⅰb型钻石中电子跃迁图示

色心作为晶格缺陷的一种特例，泛指宝石中能选择性吸收可见光能量并产生颜色的晶格缺陷。属典型的结构呈色类型。色心的种类十分复杂，但最常见的为电子心（F心）、空穴心（V心）及杂质离子心。

1电子心（F心）

电子心（F心）是由宝石晶体结构中阴离子空位引起的。就整个宝石晶体而言，当阴离子缺位时，空位就成为一个带正电的电子陷阱，它能捕获电子。如果一个空位捕获一个电子，并将其束缚于该空位，这种电子呈激发态，并选择性吸收了某种波长的能量而呈色。因此，电子心是由一个阴离子空位和一个受此空位电场束缚的电子所组成的。例如，紫色萤石晶体中的氟离子离开正常格位，而形成一个阴离子空位（缺少负电荷），该结构位显示正电性，形成一个带正电的电子陷阱。为了维持晶体的电中性，阴离子空位必须捕获一个负电子，由此产生了颜色。

2空穴心（V心）

空穴心（V心）是由晶体结构中阳离子缺位引起的。从静电作用考虑，缺少一个阳离子，等于附近增加了一个负电荷，则附近一个阴离子必须成为“空穴”才能保持静电平衡。因此，空穴心是由一个阳离子空位捕获一个“空穴”所组成的。例如，烟晶中以类质同象形式替代Si4+的Al3+杂质，在晶格位中形成正电荷不足的位置（正电荷陷阱），为了维持暂时的电中性，Al3+离子周围必须有相应的正一价阳离子存在。当水晶受到辐照后，与最近邻的O2-将失去一个多余的电子，而残留下一个空穴，形成空穴心（V心）。利用辐照源的带电粒子（加速电子、质子）、中子或射线辐照宝石，通过带电粒子、中子或Y射线与宝石中离子、原子或电子的相互作用，最终在宝石中形成电子－空穴心或离子缺陷心。如辐照处理钻石、蓝黄玉等，辐照的本质是提供激活电子、格位离子或原子发生位移的能量，从而形成辐照损伤心。