晶之緣天然水晶: 礦晶寶石大揭秘

摘自中國湖南國際礦物寶石博覽會

大自然的礦物寶石五彩繽紛，
正是因為這豐富多彩的顏色
而吸引大家的目光，
也成為礦物愛好者們關注的焦點。

許多珍貴的礦物寶石都有自己獨特的顏色特徵，如鴿血紅、矢車菊藍、祖母綠等，還有一些同一種礦物呈現出不同的顏色，那這些顏色究竟是怎麼形成的呢？讓我們來揭秘五彩繽紛的礦物！

顏色的形成

1.顏色的本質

一定的物體包括發光體具有固定的光譜特徵，具有特定的顏色，所以顏色是客觀存在的。但是，另一方面，顏色又受到人眼和大腦對物體輻射的接收和判斷，接收和判斷的正確度影響到不同人對顏色的表達。形成顏色要具備三個條件：

（1）（白）光源；
（2）反射或折射時改變這種光的物體；
（3）接受光的人眼和解釋它的大腦。

三個條件缺一不可，否則就沒有顏色。

2.光輻射的特徵

太陽的光輻射包括了從紅外光到宇宙射線的各種電磁輻射，人的眼睛能夠感覺到的光線僅限於波長為400到800nm（或頻率在12500-25000波數）的一小段。當這個波段的電磁輻射（或光線）的強度大致相同時，我們看到的是白光。

3.寶石對光的吸收

白光照射到寶石上，會被寶石吸收，如果均勻地吸收所有的可見光，寶石將呈現灰色到黑色，如果只是吸收了可見光中的某些波長的光線，對光線不均衡地吸收，寶石將呈現出色，這種性質稱為「選擇性吸收」。

4.寶石的顏色

寶石不均衡地吸收（選擇性吸收）白光，導致被吸收的較弱波長的光線和未被吸收的較強的波長的光線混合在一起透射（或者反射）出寶石，形成顏色。這種由殘餘光線的形成的顏色稱為「剩餘色」，由剩餘色性形成的顏色稱為寶石的「體色」。

與寶石體色對應的是寶石的輝光和暈彩，例如黑歐泊的體色是深藍色，它的變彩有紅、黃、綠等多種顏色。

寶石顏色的描述方法

1.顏色的互補

寶石對白光中各色光波不等量吸收，選擇性吸收後所呈現的顏色遵從色光的混合—互補原理。當兩種色光混合後呈現白色，則稱這兩種色光為互補色光。紅光與青光、綠光與品紅光、藍光與黃光等都是互補色光。如寶石對白光中的黃光吸收較多，對其他色光吸收程度相近，則呈現藍色。

寶石礦物顏色的深淺，取決於寶石對各色光波吸收的總強度。吸收的總強度大，顏色就深，反之顏色則淺。

2.顏色要素

寶石的顏色特徵可以用色度學規定的色調、明度、飽和度三要素來描述：

（1）色調（色相，Hue）指顏色的種類，彩色寶石的色調取決於光源的光譜組成和寶石對光的選擇性吸收，也是彩色間相互區分的特性，如紅色、綠色和藍色。

（2）明度（亮度，Value）指人眼對顏色明暗度的感覺。彩色寶石的明度的大小取決於寶石對光的反射或透射能力，即寶石本身顏色的深淺和加工的光學效果。

（3）飽和度（純度，彩度，Chroma，Saturation）指顏色的純淨度和鮮豔度。彩色寶石的飽和度取決於寶石對可見光光譜選擇性吸收的程度。可見光光譜中各種單色光的飽和度最高，其值為1，白光的飽和度最小，其值為0。

3.顏色的定性描述

通常對顏色的命名方法是將主色調放在後面，用顏色修飾詞描述次要的色調，如綠黃色、紫紅色等，把顏色濃度的修飾詞放在最前面，如淺黃綠色，淡藍紫色等。

4.顏色的定量描述

顏色的定量描述可以採用色度學的三要素的數值，但是，數值不夠直觀，現在常用的一種方法是孟塞爾表色系統（Munsell Color System），在孟塞爾表色系統中將色調分為10種，分別以英文名稱的字頭表示：紅（R）、黃（Y）、綠（G）、藍（B）、黃紅（YR）、綠黃（GY）、藍綠（BG）、紫藍（ PB）、紅紫（RP）。每種色調又細分為10個等級，分別從1-10；再對顏色的明度從暗到明亮分為0到10共11個等級，透明的有色寶石的明度級別都在2-8級之間。

寶石顏色的呈色機理

1.致色元素

化學元素中有些元素的氧化物和水合物帶有顏色，這些元素主要屬於元素週期表的過渡元素和鑭系元素，稱為致色元素，主要有Ti、V、Cr、Mn、Fe、 Co 、Ni、Cu和稀土等。在寶石中，這些元素對寶石的顏色也扮演著重要的角色。但是，物體具有顏色的機制非常複雜，有些非致色元素在特定的分子結構中會產生顏色，同樣，致色元素在不同的分子結構，具有不同的致色作用，例如紅寶石中的Cr3+導致紅色，祖母綠中的Cr3+導致綠色。當致色元素的化合價不同時，產生的顏色也不一樣，例如鈣鐵榴石中的Fe3+導致淺黃色，鐵鋁榴石中的Fe2+深紅色。過渡元素致色作用的機制可用各種物質結構的理論來解釋。

2.色心

色心是一種能導致物體產生顏色的晶格缺陷，可分為電子色心和空穴色心兩類：

①電子色心：電子佔據了陰離子空位時所產生的色心。也可認為電子被捕獲並佔據了通常情況下，本不應有電子存在的位置時，就形成了電子色心。

②空穴色心：由於陽離子缺失而相應產生的電子空位。也可認為一個本該存在電子的位置上缺少一個電子，留下一個「空穴」和一個能吸收光的未配對的電子，這種缺陷稱為「空穴」色心。

色心是某些寶石品種的主要致色原因，如螢石、紫水晶、煙晶、藍色托帕石和鑽石等。

色心和致色元素的最大區別是，色心形成的顏色在一定條件下（如高溫），會由於晶格缺陷的變化或者消失，從而改變色心的性質，致使顏色發生改變或者褪色，稱為色心轉移和漂白。這種機制在寶石的顏色改質處理中發揮很大的作用。

3.物理呈色

由於光的干涉、繞射、色散、散射和反射等物理現象導致的顏色，它常常疊加在寶石因選擇性吸收而呈現的體色上，進一步增加寶石顏色的美麗和神秘感。如歐泊的變彩、日光石的褐紅色反射、鑽石的火彩等。

4.寶石顏色的成因分類

（1）自色寶石：致色元素以寶石的主要成分出現的稱為自色寶石，如菱錳礦（MnCO3）的粉紅色是由成分中的Mn元素致色；橄欖石（(Mg,Fe) 2SiO4）綠色由成分中Fe元素致色。

（2）它色寶石：致色元素以微量元素的形式出現的稱為它色寶石，如剛玉(Al2O3),當成分純淨時無色，當含微量元素Cr3+時形成紅色，稱為紅寶石；當含微量Fe和Ti元素時形成藍色，稱為藍寶石。。

（3）色心致色寶石：由電子色心或空穴色心致色的寶石。如紫水晶為電子色心致色，加熱後會轉變為黃色，成為黃水晶，進一步加熱，會退色成無色。

（4）物理色：由於光的物理現象造成的顏色，有些人也稱之為假色，表示不是選擇性吸收造成的顏色。

表一：自色寶石與它色寶石一覽表

自色寶石			它色寶石
寶石	致色元素	顏色	寶石	致色元素	顏色
鈣鉻榴石	Cr3+	綠色	藍錐礦	Ti4+	藍色
錳鋁榴石	Mn3+	橙色	藍寶石	Ti4++Fe2+	藍色
薔薇輝石	Mn3+	粉紅	綠色綠柱石	V3+	綠色
磷錳礦	Mn2	紫色	紅寶石、尖晶石	Cr3+	紅色
橄欖石	Fe2+	黃綠	祖母綠	Cr3+	綠色
鐵鋁榴石	Fe2+	暗紅	紅色綠柱石	Mn3+	紫紅
綠松石	Cu1+	天藍	海藍寶石	Fe2+	藍綠
孔雀石	Cu2+	綠色	綠玉髓	Ni2+	綠色
矽孔雀石	Cu2+	藍綠	合成藍尖晶石	Co2+	藍色

解釋寶石致色機制的理論

除了物理呈色，寶石顏色的形成機制可以用各種物質結構的理論來解釋，目前常用的，對顏色現象的解釋具有成效的理論有：晶體場理論、配位場理論、分子軌道理論、能帶理論等。

生活中的礦石

礦物究竟和我們的生活有哪些息息相關的面向，我們今天就來一探究竟。

我們生活中最熟悉的礦物之一就是黃金了，黃金也是最早發現和使用的金屬之一。

早在新石器時代（約1萬年～4000年前）人類就已認識了黃金。中國最遲在商代中期（西元前14～13世紀）已掌握了製造金器的技能，在河南安陽等地出土的殷商文物中即有金箔。人類發現並利用黃金的歷史，比我們現在所熟悉的銅、鐵、鋁等眾多常見金屬還早幾千年。

黃金之所以最早被人類認識，是因為黃金的特殊物理性質所決定的，黃金在自然界可以單質形態存在，而其他金屬往往以化合物的形態存在。

隨著人類社會的不斷發展，黃金現在不僅是做為首飾的首選材質，身分、地位的象徵，更是成為了全世界的硬通貨。

除此之外，銀、銅、鐵、鋁等眾多的礦物在我們的日常生活中也是無所不在，例如銀飾、銅電線、鐵鍋、鋁鍋、瓷器裡的高嶺土、化妝品中的雲母、爽身粉裡的滑石、止瀉用的蒙脫石等等。

粉筆裡的石膏、裝潢使用的石膏板，雕塑家常用到石膏模型，製作豆腐需要用石膏做凝固劑，骨折了，醫生在正骨之後用石膏將受傷的肢體固定起來；

人類對石棉的使用已被證明上溯到古埃及，當時，石棉被用來製作法老王們的裹屍布。在芬蘭，石棉纖維還在舊石器時代的陶器工坊被發現了。希臘歷史學家希羅多德（西元前5世紀）曾談到用來裝盛被焚燒屍體骨架的耐火容器。據說查理曼大帝（742年-814年）擁有一塊用石棉製成的白色桌布，他在一次宴請客人的飯後將桌布扔於火中以使客人感到驚奇。

中國周代已能以石棉纖維製成織物，因沾污後經火燒即潔白如新，故有火浣布或火烷布之稱。

石棉製品或含石棉的製品有近3000種。主要用於機械傳動、煞車以及保溫、防火、隔熱、防腐、隔音、絕緣等方面，其中較重要的是汽車、化學、電器設備、建築業等製造部門。