色彩之謎：探索礦物寶石斑斕色彩背後的科學原理

 

摘自中國湖南國際礦物寶石博覽會 

以下文章若出現藍字乃本人註解。 

01

五彩繽紛的礦物

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？

綠柱石

今天我們一起來一探究竟吧！

02

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，寶石將呈現出顏色，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。

03

寶石顏色的描述方法

1.顏色的互補與加和律

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。

文章中，似乎沒有提到顏色的加和律（應該是多打了）。在台灣，加和律通常是指加法交換律。加法交換律的定義是：對於任意兩個數 a 和 b，它們相加的順序不影響結果。

在色彩學中，指的是色光加法混合 (Additive Color Mixing)的原理。這個原理描述的是當不同顏色的光線混合在一起時，會產生新的顏色。與顏料混合（減法混合）不同，色光混合是將不同波長的光線疊加在一起，結果會變得更亮。

但是在礦物學中，直接對應於「顏色的加和律」（色光加法混合）的現象並不常見，因為礦物的顏色通常是由其化學成分、晶體結構以及其中含有的雜質等因素以減法混合的方式產生的。

然而，有一些礦物會展現出與光線相互作用而產生特殊的光學效應，這些效應在某種程度上可以被視為與「加和」概念相關，因為它們涉及到不同波長光線的組合或干涉，最終被人眼感知為特定的顏色。以下是一些例子：

1. 具有多色性 (Pleochroism) 的礦物：堇青石 (Iolite)、電氣石 (Tourmaline) 和 透輝石 (Diopside)……
2. 具有變彩效應 (Play of Color) 的礦物：蛋白石 (Opal)……
3. 具有發光性 (Luminescence) 的礦物：螢石 (Fluorite) 、方解石 (Calcite)……
4. 具有暈彩效應 (Adularescence) 的礦物：月光石 (Moonstone)……

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（色彩）、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）

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，飽和度值為1，白光的飽和度最小，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，分別用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。

04

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，可分為電子色心和電洞色心兩類：

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 電洞色心：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「電洞」和一個能吸收光的未配對的電子，這種缺陷稱為「電洞」色心。

色心是某些寶石種的主要致色原因，如螢石、紫晶、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消失，而改變色心的性質，致使顏色改變或褪色，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1 自色寶石與它色寶石一覽表圖片

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

05

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。

大自然賜給了我們如此之多的美好，

讓我們靜靜的徜徉在礦晶的海洋中，

慢慢的欣賞這靜謐的美好吧！

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