宝石矿物变色效应的研究

【摘 要】由于光的反射、折射、干涉、衍射等物理作用，矿物晶体从而产生一些特殊的光学效应，包括变色效应、猫眼效应、星光效应等，其中主要研究的是变色效应这一方面。宝石矿物的颜色随入射光光谱能量分布或入射光波长的改变而变化的现象称之为变色效应。

【关键词】宝石矿物；光学效应；变色效应

前言

常见的宝石矿物具有变色效应的大约有十几种平时常见的如：金绿宝石中的变石、含铬镁铝榴石、卡那维也拉斯钻石、变色碧玺、似变石夹晶石、合成变色类晶石、变石玻璃等，都具有变色效应。[1]变石更是被誉为“白昼里的祖母绿，黑夜里的红宝石”。变色效应是光源性质和宝石中致色离子的选择性吸收两种作用的共同结果。宝石对红、绿光的吸收达到基本平衡才能在日光和白炽光下产生明显不同的颜色。

1.微量元素在宝石变色效应中的作用

微量元素在宝石内部或发生类质同象替代，改变了宝石的一些物理性质，如宝石的密度、荧光、颜色、折射率，同时使宝石一些特殊的光学效应增强，其中比较明显的就是变色效应。宝石的形成中微量元素是最重要的因素。（表1）

通常情况下变色效应在于采用的光源材料对光的吸收作用以及人视觉系统对颜色的感应。由上表可知微量元素铬、钒2种元素在宝石矿物的变色效应中较常见。为了查明V与Cr在变色效应中的作用，应用电子探针和紫外-可见分光光度计，进行测试分析。试验选用6颗具有变色效应的宝石作为测试样品。（表2）

然后采用JEOL733 型电子探针，在电流为200 mA 加速电压为20 kV 的条件下对5 个样品进行了测试，每个样品测3个点，取平均值。（表3）

测试结果表明：除新疆产的变色蓝宝石外，都含较多的V 所有样品均不同程度地含Cr0。样品中w（Cr2O3） 和w（V2O3） 对比见图1。

2.具有变色效应的宝石学特征及紫外-可见光吸收光谱分析

有色宝石在日光下和白炽灯显示明显不同颜色的现象。由日光与白炽灯光能量分布图（图2 ）看出，日光所含蓝绿光的能量较高，而白炽灯光所含红光的能量较高。由此造成那些对红、绿光的吸收达到平衡的宝石吸收天平的倾斜。

由图2可知，变色宝石在橙黄区（以575-612nm为中心）都有强的吸收，而在红区和蓝绿区各有一个大的透射区。这两个透光区的透射程度基本均衡，这就是变色效应产生的关键要素。

采用紫外-可见光分光光度计，其测试的波长范围为190-850nm。采用快速扫描，测试300-800 nm范围内的透过率。测试条件：室温为24C左右，湿度低于60%。测试结果见图3。

由图3可知，样品1在694nm处有一Cr的吸收峰，而样品2则没有这一现象，这是因为样品1含Cr比样品2多。样品1与样品2在475nm处都显示出非常明显的吸收峰，这是V的典型吸收线。样品5则缺少此峰，但在450nm却有明显的吸收峰，这是因为缺少V而富含Fe与Ti的缘故（表3）。

样品3显示典型的铬谱。样品4在488nm和506nm有两个明显的吸收峰，以及以以575nm为中心的宽吸收带。样品4产生了这种复杂的光谱是因为含Mn，Fe，V3+及微量的。在488nm处吸收峰可能与Mn2+有关，506nm处的吸收峰可能与Fe2+有关，而575nm的吸收宽带，可能是由Cr和V共同作用产生的。[3]

3.结晶取向的关系[4]

金绿宝石的变色现象称为亚利山大石效应。金绿宝石属于斜方晶系，三个结晶轴方间的光学性质是不同的，因此亚利山大石的变色效应应随光学定向而变。

首先采用衍射仪确定该该样品三个面的方向，然后采用光谱仪（带积分球）测定结晶方向的透射光谱。色调与色调角改变值通过复合透射光谱计算得到。为了核对这些色度数据，采用白炽灯、日光氨灯和萤光日光灯三种光源来对比观测该样品（表4）。

合成亚利山大石三个结晶轴方向的透射光曲线形态大致相同。两个吸收带， 一个从起点始延伸至450 nm ，另一个的中心大约位于560nm。两个透射带， 一个在450 -550nm之间， 另一个从60一65Onm处开始至曲线终点（图5）。

合成亚利山大石在三个光源下的色调角（h）和在三对光源下色调角的改变值（h） 的计算结果表5，可以看出沿同一方向，在三种不同源下测量得的色彩不同，计算出色调角也就不同。而且，观察到的色调变化与计算出的色调角和色调角改变值的变化是一致的。同时色调改变值（h）可以定量的判断宝石是否具有亚利山大石效应。

由图5所示，可知这三条曲线总体特征相似，不过通过比较三条曲线可以看出，从600nm 左右开始的透射带的边缘波长位置不同，导致了三个轴方向颜色变化上的差异。根据试验，天然与人工合成的亚利大石的可见光谱不存在差异，因此，人工合成的亚利大石所的到的认识可以完全适用于天然亚利山大石。

通过以上的试验证明，光沿a 轴透射时， 具有最大的颜色变化。为了显示出最佳的亚利山大石效应， 台面应尽可能的平行（100） 面，从而可以让亚利山大石显示从蓝绿色到红色的最佳色彩渐变。下图6为金绿宝石单晶和双晶晶体在切磨时， 台面与原始晶形间的关系。

4.结语

宝石的变色效应通过上述3个方面进行了分析及试验论证总结，从根本上解释了变色效应的成因及其关键的影响因素。变色效应作为宝石多种光学效应中的一种，其本身的物理本质揭示了变色效应是鉴别宝石的一种非常关键的要素之一，可以作为宝石挑选与评价的基础。

参考文献：

[1] 杨永富.变色和多色性宝石的光吸收与颜色[J].矿产与地质，1997（59）.

[2] 马伟幸；王蓓.微量元素对宝玉石物理性质的影响[J].广东微量元素科学，2004（11）.

[3] 李立平；业冬.铬和钒在宝石变色效应中的作用[J].宝石和宝石学杂志，2003（12）.

[4] 李荣清.合成亚利山大石变色效应与结晶取向的关系[J].珠宝科技，1996（4）.