第3讲-传统颜色成因理论-颜色成因教学课件

第3讲传统宝石学颜色成因石 斌中国地质大学（武汉）珠宝学院7/15/2024宝石颜色成因理论传统宝石学颜色成因传统宝石学颜色成因理论有哪些？传统宝石学颜色成因自色他色假色致色元素与结构有关的光学效应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：自色宝石颜色是由组成宝石矿物的固有化学成分的元素而形成，称为自色。这种宝石称为自色宝石。绿松石：蓝色化学分子式：CuAl6(PO4)4(OH)85H2O颜色由Cu2+引起。孔雀石：绿色化学分子式：CuCu2 2(CO(CO3 3)(OH)(OH)2 2 颜色由Cu2+引起。橄榄石：中到深的草绿色 化学分子式：（MgMg、FeFe）2 2SiOSiO4 4 颜色由Fe2+引起。铁铝榴石：红色-Fe2+致色化学分子式：Fe3Al2(SiO4)3 锰铝榴石：橙色-Mn2+致色化学分子式：Mn3Al2(SiO4)3 钙铬榴石：绿色-Cr3+致色化学分子式：Ca3Cr2(SiO4)3 他色宝石颜色是由组成宝石矿物固有化学成分以外以外的少量或微量杂质元素而形成的,称为他色。这种宝石称为他色宝石。大部分宝石都是他色宝石。分子式：Al2O3，纯净时无色。Cr：红色Fe、Ti：蓝色或绿色他色宝石例子：刚玉分子式：MgAl3O4，纯净时无色。红色尖晶石：Cr3+蓝色尖晶石：Fe2+或Zn2+其他颜色 绿色：Fe3+（稀少）褐色：Cr3+,Fe3+.Fe2+等他色宝石例子：尖晶石分子式：（Na,K,Ca)(Mg,Fe,Mn,Li,Al)Na,K,Ca)(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3 3(Al,Cr,Fe,V)(Al,Cr,Fe,V)6 6(BO(BO3 3)3 3(Si(Si6 6O O1818)(OH,F)(OH,F)4 4他色宝石例子：电气石他色宝石例子：电气石红色：Mn致色蓝色：Fe致色绿色：Cr,V,Fe致色褐、黄色：Mg致色宝石矿物的致色离子n不论是自色宝石，还是他色宝石，引起宝石颜色的离子都常常是过渡元素离子，特别是第4周期过渡元素的8个过渡金属离子。n宝石矿物的着色效应主要集中在这8个元素的各种离子中，这些离子常被称为着色离子或致色离子。KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRbPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHaTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnLiBeNaMgHBCNOFNeAlSiPSClArHeFrRaAcRfDbSgBhHsMtUunUuuUub镧系镧系 LaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu锕系锕系 AcThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLrAAB B B B BB BA A A A A0过渡元素n核外电子的共同特点是价电子依次在次外层的d轨道中，价电子层构型通过为(n-1)d110ns12.8个过渡元素的电子式为Ar3d1104s12钛钛钒钒铬铬锰锰铁铁钴钴镍镍铜铜TiTiV VCrCrMnMnFeFeCoCoNiNiCuCu3d24s23d34s23d54s13d54s23d64s23d74s23d84s23d104s1+2+3+4+2+3+4+5+2+3+6+2+3+4+6+7+2+3(+6)+2+3+2(+3)+1+2n8个过渡元素的离子一般都呈现颜色，这是因为d轨道上有未成对电子。如果离子中电子都已自旋配对，如Cu+1、Cr6+等不致色。离子Ti3+V2+V3+Cr3+Mn2+未成对d电子数13235颜色紫红紫绿蓝紫粉红离子Fe2+Fe3+Co2+Ni2+Cu2+未成对d电子数45321颜色浅蓝棕粉红绿蓝过渡元素KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRbPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHaTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnLiBeNaMgHBCNOFNeAlSiPSClArHeFrRaAcRfDbSgBhHsMtUunUuuUub镧系镧系 LaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu锕系锕系 AcThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLrAAB B B B BB BA A A A A0稀土元素稀土元素符号名称M3+电子组态符号名称电子组态Sc钪ArGd钆Xe4f7Y钇KrTb铽Xe4f8La镧XeDy镝Xe4f9Ce铈Xe4f1Ho钬Xe4f10Pr镨Xe4f2Er铒Xe4f11Nd铷Xe4f3Tm铥Xe4f12Pm钷Xe4f4Yb镱Xe4f13Sm钐Xe4f5Lu镥Xe4f14Eu铕Xe4f6稀土元素Ln3+颜色4f电子组态Ln3+颜色4f电子组态La3+无色4f0Tb3+浅淡红色4f8Ce3+无色4f1Dy3+淡黄色4f9Pr3+绿色4f2Ho3+黄色4f10Nd3+淡紫色4f3Er3+粉红色4f11Pm3+粉红色4f4Tm3+淡绿色4f12Sm3+淡黄色4f5Yb3+无色4f13Eu3+无色4f6Lu3+无色4f14Gd3+无色4f7稀土元素磷灰石 化学通式为X5ZO43(F,Cl,OH)、晶体属六方晶系的磷酸盐矿物的总称。式中X代表Ca,Sr,Ba,Pb,Na,Ce,Y等，Z主要为P，还可为As,V,Si等。萤石萤石又称为氟石，化学成分为CaF2，晶体属等轴晶系的卤化物矿物。Ca常被Y和Ce等稀土元素代替。主要致色离子的光谱特征主要致色离子的光谱特征铬（铬（CrCr3+3+）的吸收光谱主要表现为：红端有许多窄线，最强的两条位于深红区，另有两条位于橙区。在黄或绿区有一宽吸收带，此带的宽度、位置、强度与宝石的颜色密切相关。蓝区可有数条窄带，紫区吸收。主要形成绿色和红色。红宝石：红区有3条吸收线，黄绿区宽的吸收带，蓝区3条吸收线，紫区吸收。主要致色离子的光谱特征主要致色离子的光谱特征铬（铬（CrCr3+3+）的吸收光谱主要表现为：红端有许多窄线，最强的两条位于深红区，另有两条位于橙区。在黄或绿区有一宽吸收带，此带的宽度、位置、强度与宝石的颜色密切相关。蓝区可有数条窄带，紫区吸收。主要形成绿色和红色.红色尖晶石：红区有吸收线，黄绿区吸收带，紫区吸收 主要致色离子的光谱特征主要致色离子的光谱特征铬（铬（CrCr3+3+）的吸收光谱主要表现为：红端有许多窄线，最强的两条位于深红区，另有两条位于橙区。在黄或绿区有一宽吸收带，此带的宽度、位置、强度与宝石的颜色密切相关。蓝区可有数条窄带，紫区吸收。主要形成绿色和红色.变石：红区有吸收线，黄绿区吸收带，蓝区1条吸收线，紫区吸收主要致色离子的光谱特征主要致色离子的光谱特征铬（铬（CrCr3+3+）的吸收光谱主要表现为：红端有许多窄线，最强的两条位于深红区，另有两条位于橙区。在黄或绿区有一宽吸收带，此带的宽度、位置、强度与宝石的颜色密切相关。蓝区可有数条窄带，紫区吸收。主要形成绿色和红色.祖母绿：红区有吸收线，橙黄区弱吸收带，蓝区弱吸收线，紫区吸收 主要致色离子的光谱特征主要致色离子的光谱特征铁（铁（FeFe2+2+）具有很强的致色作用，但是吸收的波段变化较大，既有导致宝石呈绿色的红光区吸收。又有导致宝石呈红色的蓝光区吸收。出现的特征吸收线（带）的主要位于绿和蓝区。橄榄石：蓝区453、473、493nm有3条吸收窄带 主要致色离子的光谱特征主要致色离子的光谱特征铁（铁（FeFe2+2+）具有很强的致色作用，但是吸收的波段变化较大，既有导致宝石呈绿色的红光区吸收。又有导致宝石呈红色的蓝光区吸收。出现的特征吸收线（带）的主要位于绿和蓝区。铁铝榴石：具典型的铁的吸收光谱，黄绿区有三条强吸收窄带，分别为576nm、527nm和505nm被形象地称为“铁窗”。另外，橙区617nm和紫区425nm有弱吸收。主要致色离子的光谱特征主要致色离子的光谱特征铁（铁（FeFe3+3+）的致色作用不强，通常是导致黄色，在蓝紫光区有吸收窄带.黄色蓝宝石：蓝区450、460、470nm有3条吸收窄带主要致色离子的光谱特征主要致色离子的光谱特征铁（铁（FeFe3+3+）的致色作用不强，通常是导致黄色，在蓝紫光区有吸收窄带.金绿宝石：蓝区444nm处有一强的吸收窄带主要致色离子的光谱特征主要致色离子的光谱特征锰（锰（MnMn2+2+）的主要形成粉、橙色。吸收光谱主要表现为：最强的吸收位于紫区并可延伸到紫外区，部分蓝区有吸收。菱锰矿：410nm、450nm、540nm三条吸收带。主要致色离子的光谱特征主要致色离子的光谱特征锰（锰（MnMn2+2+）的主要形成粉、橙色。吸收光谱主要表现为：最强的吸收位于紫区并可延伸到紫外区，部分蓝区有吸收。锰铝榴石：主要有430nm、420nm、410nm三条吸收带和460nm、480nm、520nm三条吸收线；有时可有504nm、573nm吸收线。主要致色离子的光谱特征主要致色离子的光谱特征钴（钴（CoCo2+2+）具有很强的致色作用，通常导致鲜艳的蓝色。吸收光谱主要表现为：三条强而宽的吸收带分别位于黄、绿区。由于地壳中Co的丰度很低，很少有Co2+致色的天然宝石，所以，Co2+的特征光谱又有指示合成或者人造宝石的作用，如合成蓝色尖晶石、钴玻璃等。合成蓝色尖晶石：绿、黄和橙黄区有三条强的吸收带，绿区吸收带最窄 主要致色离子的光谱特征主要致色离子的光谱特征钴（钴（CoCo2+2+）具有很强的致色作用，通常导致鲜艳的蓝色。吸收光谱主要表现为：三条强而宽的吸收带分别位于黄、绿区。由于地壳中Co的丰度很低，很少有Co2+致色的天然宝石，所以，Co2+的特征光谱又有指示合成或者人造宝石的作用，如合成蓝色尖晶石、钴玻璃等。钴玻璃：绿、黄和橙黄区有三条强的吸收带，黄区吸收带最窄 主要致色离子的光谱特征主要致色离子的光谱特征稀土元素稀土元素:稀土元素有特征的吸收光谱，常形成特有的细线，如黄色的磷灰石常有位于黄光区的细线。铀虽不能导致鲜明的颜色却能产生明显的吸收谱，例如绿色锆石可以出现10多条吸收线均匀地分布在各个色区。磷灰石：显稀土谱黄区和绿区有两组密集的吸收线物理光学致色（假色）n色散n散射n干涉n衍射n包裹体物理光学致色：色散定义n当白色复合光通过具棱镜性质的材料时，复合光分解而形成不同波长光谱的现象称为色散，它是由于光在同一介质中的传播速度(折射率)随波长而异所造成的。物理光学致色：色散物理光学致色：色散色散的强弱可以用色散值来表示。通常将材料对红光（686.7nm）和紫光（430.8nm）两单色光的折射率之差规定为材料的色散值色散值。物理光学致色：色散n色散的宝石学意义：美观：高色散宝石的火彩鉴定n色散值较大的宝石：钻石（0.044）、锆石（0.038）、CZ（0.060）合成碳硅石（0.104）、闪锌矿（0.156）人造钛酸锶（0.190）、合成金红石（0.330）物理光学致色：色散钻石：色散值为0.044物理光学致色：散射定义光束在介质中传播时，由于物质中存在的不均光束在介质中传播时，由于物质中存在的不均匀团块，部分光线偏离原方向分散传播的现匀团块，部分光线偏离原方向分散传播的现象称为光的散射。象称为光的散射。物理光学致色：散射物理光学致色：散射瑞利散射拉曼散射物理光学致色：散射瑞利散射引起光散射的不均匀团块的尺度不同，散射的规律引起光散射的不均匀团块的尺度不同，散射的规律不一样。不一样。小粒子的散射小粒子的散射：引起光散射的不均匀团块看为半径：引起光散射的不均匀团块看为半径为为a a的球形颗粒，入射光的波长为的球形颗粒，入射光的波长为，当，当2 2 a a/0.3 0.3时，散射过程遵从时，散射过程遵从瑞利散射定律瑞利散射定律，即散射光，即散射光强与强与 4 4成反比。成反比。物理光学致色：散射物理光学致色：散射瑞利散射引起光散射的不均匀团块的尺度不同，散射的规律引起光散射的不均匀团块的尺度不同，散射的规律不一样。不一样。大粒子的散射（米氏散射）：大粒子的散射（米氏散射）：2 2 a/a/较大时，较大时，散射光强与散射光强与波长的关系就不十分明显波长的关系就不十分明显。物理光学致色：散射物理光学致色：散射散射引起的颜色例子：蓝色：月光石、蓝色石英、乳欧泊紫色：萤石（钙的显微晶体的散射）红色：红宝石玻璃、铜或金的显微晶体的散射白色：乳石英猫眼效应：海蓝宝石猫眼、辉石猫眼等星光效应：各种刚玉、石榴石的星光光泽：珍珠、鱼眼石等的光泽闪光：砂金石、黑跃岩等的闪光月光石月光石天然星光水晶 猫眼物理光学致色：干涉定义：定义：同方向、同频率、有恒定初相差的两个单色光同方向、同频率、有恒定初相差的两个单色光源所发出的两列光波（相干光）的叠加。源所发出的两列光波（相干光）的叠加。相干条件相干条件:同频率同频率,同振动方向同振动方向,有恒定相位差有恒定相位差.补充条件补充条件:1.:1.振幅相差不悬殊；振幅相差不悬殊；2.2.光程差不能太大。光程差不能太大。物理光学致色：干涉普通光源获得相干光的途径普通光源获得相干光的途径p pS S *分波面法分波面法分振幅法分振幅法p p薄膜薄膜S S*物理光学致色：干涉SdDxOP干干涉涉条条纹纹I光强分布杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉实验装置实验装置物理光学致色：衍射衍射衍射：（光）：（光）波在传播过程中遇到障碍物偏离几何路径传播波在传播过程中遇到障碍物偏离几何路径传播（进入几何（进入几何阴影区阴影区）的现象。）的现象。abS(a)aS(b)b物理光学致色：干涉与衍射1.衍射与干涉一般是同时存在的衍射与干涉一般是同时存在的 共同本质共同本质 形式上区别形式上区别2.衍射是衍射是一切波动一切波动固有的特性固有的特性3.引起衍射的障碍物分为：引起衍射的障碍物分为：振幅型振幅型孔孔 缝缝位相型位相型光学厚度光学厚度 nh 不均匀的玻璃板不均匀的玻璃板4.若若 趋于零趋于零衍射现象消失衍射现象消失几何光学是几何光学是 趋于趋于 零的极限情况。零的极限情况。障碍物限度与障碍物限度与 的比的比只要以某种方式使波前或位相发生变化只要以某种方式使波前或位相发生变化引入空间不引入空间不均匀性，这种不均匀性的特征限度与均匀性，这种不均匀性的特征限度与 在一定范围。在一定范围。物理光学致色：干涉与衍射光的干涉条纹和衍射条纹的比较光的干涉条纹和衍射条纹的比较物理光学致色：干涉与衍射晕彩：由于解理或裂隙的存在而产生的干涉现象。如晕彩石英。物理光学致色：干涉与衍射变彩：由于宝石的特殊光学效应对光的干涉、衍射作用产生颜色，且颜色随着光源或观察角度的变化而变化。小结：传统宝石学颜色成因缺陷1、无法解释同一种致色离子（如Cr）在不同宝石（如红宝石、祖母绿及变石）所呈现的颜色；2、无法解释蓝宝石、堇青石等的颜色成因；3、无法解释钻石等的颜色成因；4、无法解释辐射引起的颜色成因；