变色和多色性宝石的光吸收与颜色.pdf

孝 曼 夕 皈饮谤 主 莎 穷 1 9 9 年第 3 期 1 9 9 年 6月 黟 手 茂 MI NERAL RES OURCES AND GEOL X Y 第 l l 卷 总第 5 9期 q 变色和多色性宝石的光吸收与颜色 9 1 0 牟 7 垣壅宣 一 摘要宝石的瓤色菲于光嗄啦 从光菲和宝石偏振吸收谱特征 论述宝名变色和宝石多 色性现象 宝石变 色走光潦与光吸 收谱特扯 的综畚蛀应 变色宝石 的谱特 征 包含两个 色量 较太的琏光 色分量 且二色分量强度基本相等时 才能形成光潭变色宝石 宝石的多色性 是宝石 晶体偏振光吸 收引起 的 以蓝宝石 的光吸 收谱圈来糟 明宝石 多色性 的彤成 关薯调宝石瓤 色 宝石多色性 变色宝石 光吸收谱 晶体光学 l 宝石的标准谱与标准色 宝石的光吸收谱是宝石对可见光中各单色光 波长用横坐标表示 的透射率 纵坐标表示 曲线 也常用与透射率 T 成倒数关系的吸收值 A A l o g l T 来表达l 宝石的内反射率 R 曲线也反映了光 吸收 由于谱中涉及透射率而不是透光强度 I 因此须分别测 出可见光 中各单色光的原光强 I 与透过宝石的光强 I 再求出其比值才是透射率 T I I 只当可见光中包含了全部单色光且各单色光的强度都相等时才是理想的标准 白光 此时 宝石的透光强度谱与透射率谱是等效的 然而这样的标准白光是没有的 正由于光源中各单色 光强度不一 才采用了双光束测量方式 图 1 实现了 透射率测量并获得光吸收谱 这种方式得到的谱是宝 石的标准谱 根据标准谱资料计算的颜色是标准色 如果用宝石的透光强度 1 表达宝石的吸收谱 那 么该谱既表达了宝石的透射率 因素 也表达了光源 中 各单色光强度不一的因素 只能得到宝石标准谱 按光 源的不同而构成的畸变谱 谱变意味着色变 光源改变 宝石的颜色是必然的 图 1 双光束光吸收测量 1 9 6 年 l 2 月 1 5甘收稿 作者筒舟 橱永畜 男 9 4 0 年生 教授颦膏袅工程舜 疆士研究生导师 实验童主任 近一年 发表 音成帖石鉴定撵讨 赣翠的光吸收 宝石及内古物的红外谱涮量 等宝石科技论文 1 8 7 维普资讯 2 光源变色的一般规律 对任何物质 包括宝石 颜色的观察都无法采用谱测量的双光束方式 只能用单光束照明 方式 如果甩近于标准 白光的光源照明 颜色将接近真实 由于不存在理想的标准白光 可以说 除了用标准谱作色度计算外是无法观察到真实颜色的 普通照明光源与标准自光偏离甚大z 直射的阳光 白炽灯光有较高的长波分量 光源 自身 的颜色偏黄橙 称暖光源 阴天的自然光 日光灯光有较强的短波分量 偏蓝绿 称冷光源 用该 两种光源测量宝石的光强度 I 谱 单光束 时 分别得到宝石的暖 冷光源畸变谱 用此计算或 直接观察到的颜色将分别是宝石标准色与光源自身的橙黄或蓝绿色的加合色 红宝石在暖光源照明下 由于光源中过量的黄橙色加入而使得颜色更加好看 蓝宝石在冷 光源下由于过量短波分量加入而更 加显蓝 反用暖冷光源照明二宝石时 它们的颜色都难看 了 这正是颜色随光源而变的普遍规律 显然将变色宝石只解释为光源变色因素是不行的 反 之在不同光源下红 蓝宝石的颜色虽然改变了 但其固有的红与蓝并没有改变 只是偏色 也 不能称为变色宝石 3 变色宝石 光源与谱特征的综合效应 只有在不同光源下宝石的色调发生显著变化时才称变色宝石 为此某些国外宝石机构提 出色调变化大于盂塞尔色系中的 1 O 个色调级差时才算显著变化 孟塞尔色系将色调分为 4 O 个 级差 图 2 其中包括 了 R 红 Y 黄 G 绿 B 蓝 P 紫 五个基色 相邻 二基色级差为 8 级 大于 1 O 级差意味着色调变化超过了相邻基色 的确是显著变化 每基色相差 8 级只是人 为规定 但人眼对各色的色敏度并不相等 因此均按 1 0 级色差的统一规定并不妥当一一作 者 无论如何 般宝石的光源变色是无法达到如此大 色 差 它仅是个别变色宝石的特征 因此须讨论其光吸收谱特 征 金绿变石有三个 偏报 吸收谱并呈现三色性 在讨论 变色 而不是多色性 时只须其类似的一谱即可说明 图 3 一 A 引用资料 变石中的C r d 电子跃迁引起了 4 2 0 士 n m 和 5 8 0 士n m 的强 吸收 相应地出现 了橙红和 蓝绿两个 遥光分量构成了它的颜色 用谱作色度计算或在近于标准 的 白光下观察 其色 为浅黄 须指出的是 能观察到的且人 眼不敏感的浅黄只是人眼十分敏感 但叉无法直接观察到 的强度大致柜等的橙红与蓝绿二分色的合色 图 2 孟塞尔色系的色调划分 在暖冷光源下观察变石的颜色时分别相当于两个单光束畸变谱 图 3 一B和 c 因无样品 仅为作者甩标准谱和光源谱拟合 呈现的颜色 标准谱与畸变谱的明显差别表现在橙红与蓝绿 两个透光色分量的强度差 标准谱时橙红一蓝绿 暖光源时橙红 蓝绿 冷光源时橙红1 2 级 这便是色调显著变化的变 1 8 8 维普资讯 色宝石 与之相比 红宝石和祖母绿 及翠榴石 在吸收谱中也出现了类似的红与绿两个透光色分 量 但红宝石为红 绿 而祖母绿为红 绿 不同光源造成的谱畸变还不能使二分色的强度达 到相等或者颠倒的程度 其固有的红或绿分色总是强于另一分色 它们只是偏色还不能达到改 变原有色调的程度 不能称变色宝石 由此看来 变色宝石的谱特征应包含了两个色差 较大 以互补色为最好 的透光色分量 且二分色分量 强度基本相等时才能形成光源变色宝石 所指的分色 强度是人 眼的感知强度 或捌激强 度 而不是透 射率 或光强度 近于红外或紫外光波长的可见光 尽管透 射率很高 人眼也是 不敏感 的 只表现 为低的蒯激强 度 将变色宝石归于呈色元素 c r 不无道理 变石即 是如此 但更多的含铬宝石并不是变色宝石 很多含铬 宝石 如变石 红宝石 祖母绿 翡翠 晶体中的氧八面 配位体 中的 C r d 电子跃迁引起了两个 强吸收带称 铬双峰 不同宝石的峰位波长 强度及次级小吸收峰 4 0 0 5 0 0 6 0 0 70 0h i l l 囝 3 变石的吸收谱 A 及单光 柬畸变谱 B c 有所不同 由此出现了两个或一个透光分量形成了它们的不同颜色 二色分量中一个明显强 于另一个或者只有一个色分量 翡翠 时将无形成变色宝石的可能 只有二分量强度相当时才 有可能 反之 不一定含铬的宝石 尤其是可机动添加色素离子的合成宝石则可调配成变色宝 石 从根本上讲 还是要用谱来谈色 而不是用孤立的呈色离子谈色 4 宝石的偏振光吸收引起多色性 用 晶体方向不同 来谈多色性并不是准确的概念 均质体宝石也有不同的晶体方向 如 二 三 四次轴方向 但并无多色性I 而多色性宝石中必竟在同一方向上也会出现两个颜色 涉 及晶体光学异向性的多色性与双折射一祥 仅与光学非均质晶体的偏振光相关 一 轴和二轴晶体分别有 N o N e 和 N g N m N p偏光 g E 特定的光轴方向上 N o 和 N m是 自然光 每个偏光都有其自身的与其它偏光不同的折射率 也有它的偏振光吸收谱和相应的 颜色 这是光学异向性的实质 用一块偏光片使其振动方向与晶体的某一偏光方向平行 该晶 体偏光将通过 而其它偏光被滤除 此时该晶体偏光的折射率 偏振光吸收及颜色观察均得以 检测 这是晶体光学异向性的测量方法 以蓝宝石为倒 lI C轴 即三次对称轴 是 Ne偏光韵 振动方 向 在 上C轴的平面方 向上 多 向 则是 No偏光 的振动方 向 图 4 一 A 光沿J C轴的晶体方 向入射时 在光的传播方向上 同时包含了与传播方向垂直的N o 和 N e 偏光 且 N o 上N e 在该光路上置一偏光片 在晶体 的光入射或出射位均是等效的 当偏光片振动方向 ll N o 光 或J C轴 时 图4 一 B 一1 N e 光滤除 蓝宝石的 N o偏光吸收谱得以检测 图 4 一 c 一1 当偏光片方向平行 N e 光 1l C 轴 图4 一 B 2 时 N 光被滤除 N e 偏光吸收谱得以检测 图4 一 c 2 此时若不加偏 光片 图 4 一 B 一3 则 N o和 N e 偏光均通过 测得 N o N e 的非偏振吸收谱 图 4 一 c 一 3 若光沿晶体C轴入射 那么加或不加偏光片都只能检测到N o吸收谱 若光斜空 C轴入射 1 B9 维普资讯 加上偏光片只能分别检测到 N o 及 N e 的分量值 与折射率一样记为 N o 及 N e A 囝 4 蓝宝石的二偏光及偏振吸收 测量 分析了全部晶体方向的光吸收也不过 归结刊 No和 Ne 两个偏光上 而仅在 l I C轴的晶体 切片方向上将揭示了蓝宝石的二偏光或光学异向性 因此 用晶体的方向来谈光学异向性只不 过是为了说明晶体的偏振光振动方向位于晶体的什么方向 通常谈的蓝宝石上C轴方向是表 达 No偏光 C轴是表达 Ne 偏光 5 蓝宝石的多种色性 图4 一c是一个较为简单且具代表性的山东蓝宝石的吸收谱图 以代换 A l 出现的 F e d 电子跃迁引起了 3 6 6 3 7 8和 5 0 n m吸收蜂组成了 a带吸收 a 带吸收了蓝色而呈现黄色 那么只有 a带吸收的蓝宝石 图 4 一 c 一l 8 是黄色蓝宝石 中子辐照黄色 蓝宝石可不具 a 带 从图 4 一 c 一1 和一2 可以看出 a 带对于N o 或 N e 偏光的吸收强度基本相等 即N 0 N e 那么 a带吸收是不具光学异向性或多色性的 只有 a带吸收的蓝宝石也就是无多色性的 黄色蓝宝石 成对代换 A I 的 F e T i 离子对的电荷转移引起 5 8 0 士n m的宽带吸收称 b 带 它产生 了颜色纯正的蓝色 那么只具 b带吸收的蓝宝石 图 4 一 c 1 b 是蓝色极佳的蓝宝石 b 带吸收强 度为 No Ne 图 4 一 c 一1 和 2 j No时为深蓝 Ne时为浅蓝 于是只具 b带吸收 的蓝宝石出现了无色调变化 都是蓝 只有深浅变化的多色性 可称吸收性 更多的山东蓝宝石是 b二带同时出现 还有别的带在此不作分析 其颜色将是浅黄 不 具偏振性的a 带引起 探蓝 N o时的b带 和浅蓝 N e 时的b带 的不同加合 N o 偏光吸收时 为浅黄 探 蓝 深蓝 图 4 一 c 一1 Ne 偏光时为浅黄 浅蓝 浅绿 图 4 一 c 2 N0 Ne时 图 4 一 c 一3 为深蓝 浅绿一蓝绿 从谱与色 的分析可知 有不具多色性的黄色蓝宝石 极少 或 多或少附加了弱的 b带 仅 具颜色深浅变化而无色调变化的纯正蓝色蓝宝石 多为合成 和同时具有颜色深浅及色调变 化的多色性蓝宝石 大多数天然宝石 也只有从偏振光吸收 吸收带 多吸收带构成的吸收谱 特征 才能对颜色的异向性作出准确的认识 1 9 0 维普资讯 6 结束语 将变色宝石仅归于光源变色的普遍规律是不够的 笼统地提呈色离子的作用也不说明问 题 还是应回到引起颜色成因的光吸收谱上 如果将变色宝石的谱特征又联系到一宝石的几个 偏振吸收谱上 那又造成了变色与多色性两个不同概念的混淆 也常见到将 有无 a带吸收 或 4 5 0 n m吸收 作为鉴定天然 有 a带 与台成 无 a 带 蓝宝 石的依据 的说法 这很不妥当 的确 迄今 尚未见到不具 s带吸收的天然 蓝宝石的报道 但是 只要宝石合成或者在合成配料中加人一点过量的 F e a带即可出现 也许以牺牲一点台成蓝宝 石的颜色为代价 多少出现了绿调 换得 天然 的贵冠是值得的 须知 宝石合成者往往比鉴定 者更了解光吸收和颜色 后记 1 9 9 7 年 5月 5 6日在成都召开了四川省宝石学会学术会议 中国地质大学吴国忠 教授谈到 有人生产的合成蓝宝石颜色与山东天然蓝宝石相近 被不法 山东蓝宝石商人作为天 然蓝宝石售出 参考文献 1 荆其试辱 色度擘 北京 t 科学 出版社 2 Th eCo l o rer Na t u r a l Co r u n d u m K s c h 血e t 弛f e t c J Ge mm 1 9 8 8t 6 0 7 6 2 1 3 R G 伯恩斯 晶体垢理论的矿均学应用 北京 t 科学出 瞳社 4 K 拿骚 董色的橱理化学 北京 t 科学出版牡 OPTI CAL ABS oRPT1 0N AND CoLOR 0F GEM S W I TH C0L oR CHANGE NATURE AND PLEOCHR0I S M Ya n g Yo ng f u M础a De p v t m t ch 靠g d Co l l e ge o j Te c h n o l o g y Ch e n g d u 6 1 0 0 5 g Ab s t r a c t Co l o r s o f g e ms r e f r o m o p t i c a l a h s o r p t i o u Th e p o l a r i z a t i o n a b s o x p t i o n s p e c t r a o f gems s r e s t u d i e d a n d t h e c o l o r c h a n g e p h e n o me n a a s we l l a s t h e p e o c h r o i s m a r e d i s c u s s e d f r o m t h e a n g l e o f s p e c t r o s c o p y Th e c o l o r c h a n g e o f g e m i s r e s u l t e d f r o m t h e co mp r e h e n s i v e e l f e ra o f o p t i c s o u r c e a n d o p t i c a l a b s o r p t i o n s p e c t r u m S p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c o f t h e c o l o r c h a n g e g e ms i n c l u d e t wo p h o t i c c o l o r comp o n e n t s wi t h s t r o n g e r c h r o