宝石的颜色.ppt

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第四章宝石的颜色,第一节宝石颜色的概念,一、颜色的定义颜色是眼睛和神经系统对光源的感觉，它是光源在眼睛的视网膜上形成的讯号刺激大脑皮层产生的反应，这种生理的反应就是颜色的感觉。

产生宝石颜色的三要素：

光源、宝石和观察者（器）。

没有光，就不能感知颜色；没有宝石，就无法感知颜色的对象；没有眼睛或观测器，就无法感知颜色的存在。

光与色之间有着不可分割的密切关系，光是产生色的直接原因，色是光被感觉的结果。

二、可见光光谱可见光是一种电磁波，在整个电磁波谱中，能引起人眼视觉的仅占很小部分。

物理学上将波长在380760nm之间可以被人的肉眼视觉的光称为可见光。

不同波长的光具有不同的颜色，它们从长波一端向短波一端的顺序依次为红色（700nm）、橙色（620nm）、黄色（580nm）、绿色（510nm）、蓝色（470nm）、紫（420nm），两个相邻颜色之间可有一系列过渡色。

然而颜色与波长的上述对应关系并不是完全固定的，在光谱中除了三点即572nm（黄）、503nm（绿）和478nm（蓝）的颜色不受光强度影响外，其余颜色在光强度增加时，都略向红色或蓝色偏移。

如在光强度增加的条件下，原本525nm的绿色看上去微具蓝色。

人眼对可见光光谱的分辨能力人眼对可见光光谱有敏锐的分辨能力。

在540nm附近及可见光光谱两端，人眼具有最高分辨能力，在这些范围内，只要波长改变lnm，人眼便能分辨出颜色的差异；在多数部位需改变12nm，人眼才能分辨出颜色的变化。

在整个可见光光谱中，正常视觉可分辨出100多种不同的颜色。

三、宝石的颜色及宝石颜色的分类宝石的颜色宝石的颜色是宝石对不同波长的可见光相互作用的结果。

一般情况下，我们看到某一宝石的颜色，是由于宝石自身的致色因子对光源的不同波长或能量具有不同程度的选择性吸收和透射或反射所致。

当光照射到宝石上，部分被反射，部分被吸收，部分被透过。

透明的宝石以透射光为主，兼有对光的反射，颜色主要由透过的光谱组成所决定；不透明宝石以反射为主，兼有透射和吸收，颜色则以反射光谱为主。

例如：

我们看到的一粒红宝石的色调为红色，是因为红宝石中杂质铬离子不同程度地选择性吸收了光源中黄绿光和蓝紫光，而透射出橙、红光及部分蓝光（未被吸收的残余能量的组合）。

宝石的颜色可分为非彩色系、彩色系两类。

彩色是指太阳光谱中的各单色光及其复合色光，彩色除了有明度差异，还有色相和彩度的差异。

宝石对不同波长的可见光选择性吸收时，宝石就有了各种颜色，所呈现的颜色是残余光中各色光的混合色，绝大部分宝石属彩色系列。

非彩色系指由白色、黑色及它们之间过渡的灰色系列，称为黑白系列。

纯白色反射率为100，纯黑色为0。

非彩色只有明度的差异。

当反射率达到8090以上时呈白色，吸收率在80一90以上时呈黑色，介于二者之间呈灰色。

非彩色系列的宝石有无色钻石、无色水晶、无色长石，还有黑玛瑙、黑曜岩等。

第二节宝石颜色的表征方法,一、宝石颜色的表征方法根据中国颜色体系国家标准，表征颜色的三个重要的物理量分别为：

色相、明度、彩度。

1色相Hue色相（也称为色彩）是颜色的主要标志量，是各颜色之间相互区别的重要参数，红、橙、黄、绿、青、蓝、紫及其他的一些混合色名均是由色相的不同而加以区分之。

色相的划分并非绝对，常见6色、8色、20色、100色，但无论数目多少，其划分方法仅有一种，即把各色相按太阳光谱中的波长顺序进行排列，构成一个色谱带。

彩色宝石的色相取决于对可见光的选择性吸收。

由单色相组成的宝石，在自然界中几乎不存在，绝大多数宝石的颜色均是由多种不同波长的色相相互组合而形成的混合色。

色相混合主要表现为以下三种：

加色混合、减色混合、中性混合。

以下仅讨论与宝石色相有关的加色和减色混合。

加色混合即色光三原色（R、G、B）按不同比例混合，以获得更多的色相。

加色混合效果是借助人的视觉器官来协调完成的，因而它是一种视觉混合。

加色混合的作用是提高宝石的色相和明度，但其彩度不变。

三原色按一定比例可混合为白色。

为标准化起见，国际照明委员会CIE规定红、绿、蓝三原色的波长分别为700nm、546.1nm、435.8nm。

通常取光通量为1光瓦的红基色光为基准，于是要配出白光，就需要4.5907光瓦的绿光和0.0601光瓦的蓝光，而白光的光通量则为：

v=1+4.5907+0.0601=5.6508光瓦。

减色混合指颜料三原色Y、M、C按不同比例的混合，混合后的色调成分越多，其黑浊度越大。

三原色按一定比例混合则为黑色。

由加色混合和减色混合组成最常见的12色相环。

2明度Value明度（也称亮度Luminance或色调Tone）指光对宝石的透、反射程度，对光源来讲，即相当于它的亮度。

明度是人眼对宝石表面的明暗感觉，一般而言，宝石的光反射率越高，明度越高。

3彩度Chroma彩度（也称饱和度Saturation）指彩色的浓度或彩色光所呈现颜色的深浅和鲜艳程度。

对于同一色相的彩色光，其彩度越高，颜色就越深，或越纯；反之彩度越小，颜色就越浅，或纯度越低。

高彩度的彩色光可因掺人白光而降低纯度或变浅，变成低彩度的色光。

彩色光中灰色成分越多，其彩度越低。

彩度以可见光谱中单色光为最高或最大，作为100100=1，当混入其他色光后变不纯，其数值变小，纯白色的彩度等于零。

彩度通常用Pe表示。

色相、明度、彩度三者间的关系。

二、宝石颜色的测量,颜色定量测量常用的系统有CIE色度学系统和孟塞尔颜色系统。

一般来说，两个系统测量的对象有所不同：

CIE（国际照明委员会）色度学系统侧重于对色光的测量，孟氏系统则测量物体的表面色。

色度学系统主要用色度坐标来描述光谱色和光谱混合色的明度、色相、彩度。

现代色度学系统采用CIE所规定的一套颜色测量原理、数据和方法，即CIE标准色度学系统。

孟塞尔颜色系统是用颜色立体模型表示表面色的一种方法（表色体系）。

它可以把表面色的三种基本特性明度、色相、彩度，用三维坐标形式全部表征出来。

11931CIEXYZ表色系如果色光是单一波长的光，那么匹配所得到的数量就是这个单色光的刺激值。

如果波长遍及可见光范围，则得到刺激值按波长的变化，这个变化称为光谱三刺激值。

CIERGB光谱三刺激值是317位正常视觉者，用CIE规定的红、绿、蓝三原色光，对等能光谱色从380nm到780nm所进行的专门性颜色混合匹配实验得到的。

匹配光谱每一波长为等能光谱色所对应的红、绿、蓝三原色的数量，称为CIERGB光谱三刺激值，记为r（A）、g（入）、b（A）。

因此，匹配某波长入的等能光谱色C（A）的颜色方程为C（入）=r（入）（R）+g（入）（G）+b（入）（B）,在颜色匹配实验中所得到的R、G、B的量值称为颜色三刺激值。

在XYZ标准色度系中，光源、颜色、宝石的透射及反射颜色等自然界所能观察到的任何颜色均能由x、r、Z这三个参数来表征，表示匹配某种颜色时所用的三原色的数量，即三刺激值。

由于三刺激值X、Y、Z是三种独立的数值，即：

XYZx=-y=-z=-X+Y+ZX+Y+ZX+Y+Z上式中：

x、y、z为XYZ制的色度坐标，且三个色度坐标中有一个是不独立的，因而可以用x，y直角坐标系来表示各种色度，这种平面图形就是CIE色度图。

任何一个颜色（物体色或光源色），都能用独立的线性无关的三个原色适当地相加（减）混合与之匹配。

实验证明：

用红、绿、蓝三原色产生其他各种颜色最方便，所以这三种颜色是最优的三原色。

三原色量的多少用三刺激值（X、Y、Z）表示，而其中的r值表征物体色的明亮程度。

CIE标准色度学系统用三刺激值X、Y、Z和色晶坐标x、y、z来定量表示每一个颜色。

对于无色或微带颜色的物质可通过三刺激值计算其“白度”（用黄度指数表示）来表征其颜色状况。

CIE色度图,根据颜色色度坐标值及色度图上的投影点可以较准确地了解颜色特点。

如某宝石的颜色色度坐标值为x=016，y=055，将x、y投影于色度图中得到投影点S，过S正作直线并延长交光谱曲线于S点，S点所指示的波长为5113nm，该波长值即是该颜色的主波长，它粗略地代表人眼对宝石颜色的感觉，说明该宝石的大致颜色为绿色。

再看S点与光源坐标正点的距离，S点越接近百点，说明该色纯度（相当于彩度）越低，即颜色越不鲜艳。

刺激值中的Y值大致表示了该颜色的明度。

2按标准色样的表色系孟塞尔表色系统是根据颜色视觉特点所制定的颜色分类和标定系统，已被国际上广泛采用作为分类和标定表面色的方法。

孟塞尔用一个三维空间的类似球体模型来表示各种表面色的三种基本特性：

色相、明度、彩度，其球体的中央轴代表无彩色白黑系列中性色的明度等级，白色在顶部，理想白色明度值定为10，黑色在底部，理想黑色明度值为10。

如图所示，颜色立体水平剖面上的各个方向代表10种孟塞尔色相，分别用英文名称的字头表示：

红（R）、黄（Y）、绿（G）、蓝（B）、黄红（YR）、绿黄（GY）、蓝绿（BG）、紫蓝（PB）、红紫（RP）。

细分时每个色相又分成10个等级，从110。

样品离中央轴的水平距离代表彩度的变化，在孟塞尔系统中称为孟塞尔彩度，中央轴的彩度为0，离开中央轴愈远，彩度数值越大。

孟塞尔表色系统,在孟塞尔图册中，颜色立体各色调的垂直剖面的颜色样品列入图册的同一页，全图册共40页。

如图所示，其中央轴表示19明度等级，右侧是黄色色调（5Y）的颜色，在明度值为9时，黄色的彩度最大，这一颜色是5Y914。

在孟塞尔图册中，颜色的标定办法为HVC，其中H代表色相，V代表明度，斜线后的C代表彩度。

例如某颜色的标号为10Y812，它的色调是黄（Y）与绿黄（GY）的中间色，明度值为8，彩度值为12，从这些标号可知，该颜色是一较明亮的鲜艳的绿黄色。

3GemDialogue系统GemDialogue系统是珠宝界常用的立体颜色模型系统的一种。

此系统借助各种颜色的塑料膜与宝石对比，来对宝石颜色三要素进行描述与评价。

GemDialogue颜色手册由21张透明的颜色标尺（即色标）及3张色罩组成。

它可以提供多达60000种的颜色标样。

21张色标相当于21种色相，囊括了有色宝石主要的色相范围。

每张色标上有10个彩度级别的颜色浓度带，分别为100，90，80，10，代表颜色彩度由大到小，以至近无色。

色罩有透明黑灰色、不透明黑白色及透明褐色3种，每张色罩上也都有10种不同强度的色带，用于描述隐藏于颜色中的黑灰色调或褐色调的强度及不透明宝石。

第三节宝石颜色的成因,一、传统宝石学颜色成因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、他色和假色。

1自色由作为宝石矿物基本化学组分中的元素而引起的颜色，这些致色元素多为过渡金属离子，如铁铝榴石、绿松石、孔雀石、蓝铜矿等。

2他色由宝石矿物中所含杂质元素引起的颜色。

他色宝石在十分纯净时呈无色，当其含有微量致色元素时，可产生颜色，不同的微量元素可以产生不同的颜色。

如尖晶石，其化学成分主要是MgAl2O4，纯净时无色，含微量的Co元素时呈现蓝色，含微量Fe元素时呈现褐色，而含微量Cr元素时呈现红色。

另外同一种元素的不同价态可产生不同的颜色，如含Fe2+常呈棕色，含Fe3+则呈现浅蓝色。

同一元素的同一价态在不同的宝石中也可引起不同的颜色，如Cr3+产在刚玉中产生红色，在绿柱石中产生绿色。

3假色假色与宝石的化学成分和内部结构没有直接关系，而与光的物理作用相关。

宝石内常存在一些细小的平行排列的包裹体、出溶片晶、平行解理等。

它们对光的折射、反射等光学作用产生的颜色就是假色。

假色不是宝石本身所固有的，但假色能为宝石增添许多魅力，这一方面的具体内容已在宝石的特殊光学效应一节里进行了较详细的叙述。

二、近代科学宝石颜色的成因,

（一）离子内部的电子跃迁呈色（晶体场理论）晶体场理论研究的对象是处于宝石晶体结构中的过渡金属元素和某些镧系、锕系元素。

它把晶体场看成一种正负离子间的静电作用，将带有正电荷的阳离子称为中心离子，把带有负电荷的阴离子和络阴离子统称为配位离子，或简称配位体。

晶体场理论与其他理论的区别在于，它把配位体处理为一个点电荷，点电荷作用的实质是产生静电势场力，这种静电势电场又被称之为晶体场。

晶体场跃迁包括dd跃迁和f-f跃迁。

元素周期表中第四、五周期的过渡金属元素分别含有3d和4d轨道，镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道。

在配位体的存在下，过渡元素五个能量相等的d轨道和镧系元素七个能量相等的f轨道分别分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道。

当它们的离子吸收光能后，低能态的d电子或f电子可以分别跃迁至高能态的d或f轨道，这两类跃迁分别称为dd跃迁和f-f跃迁。

由于这两类跃迁必须在配位体的配位场作用下才可能发生，因此又称为配位场跃迁。

过渡金属元素的dd电子跃迁引起宝石颜色变化的最好例子是红宝石、祖母绿及变石，下图1为三者的紫外可见吸收光谱。

红宝石中致色离子为Cr3+，从Cr3+的3d3电子组态导出的自由离子谱项为：

基谱项为4F，激发谱项为4P、2G、2D等。

八面体场中，由基谱项4F分裂为三个能级，即4A2、4T2、4T1红宝石的吸收光谱特征表明，在可见光区域内，出现两个强而宽的吸收带，分别由4A24T2、4A24T1能级之间的跃迁所致。

d电子在4A24T2、4A24T1能级间跃迁的过程中，分别吸收2.25和3.02eV能量，其余吸收后的残余能量组合成红宝石的颜色。

祖母绿吸收光谱特征表明（见图1-4-13），在可见光区域内，出现两个强而宽的吸收带，分别由4A24T2、4A24T1能级之间的跃迁所致。

d电子在4A24T2、4A24T1能级间跃迁的过程中，分别吸收2.04和2.92eV能量，其余吸收后的残余能量组合成祖母绿的颜色。

变石的化学式组成（BeAl2O4）介于红宝石和祖母绿之间，影响铝氧八面体的金属离子只有Be一种，因此Cr3+离子与周围配位体电场强度低于红宝石而高于祖母绿，它的金属氧离子之间化学键的性质也介于红宝石和祖母绿之间。

变石中Cr3+离子4A24T2跃迁吸收的能量为2.16eV，介于红宝石（2.25eV）和祖母绿（2.04eV）之间，而4A24T1跃迁所吸收的能量（2.98eV）与红宝石和祖母绿相差不大。

在可见光区域内，变石中红光和蓝绿光透过的几率近于相等，于是外部环境的光源条件（色温）就决定了变石的颜色。

例如，色温较高的日光灯中蓝绿色成分偏多，导致变石中蓝绿色成分的叠加，而呈现蓝绿色。

反之，白炽灯光源中色温偏低，导致变石中红色成分的叠加，而呈现红色。

（二）离子间的电荷迁移呈色（分子轨道理论）分子中单个电子的状态函数称为分子轨道。

根据分子轨道模型，认为一个分子中所有的轨道都扩展至整个分子上。

占据这些轨道的电子不是定域在某个原子上，而是存在于整个分子之中。

根据分子轨道理论，电子可以从这一个原子轨道上跃迁到另一个原子轨道上去，这种电子跃迁称为电荷迁移。

某些分子既是电子给体，又是电子受体，当电子受辐射能激发从给体外层轨道向受体跃迁时，就会产生较强的吸收，这种光谱称为电荷迁移光谱。

伴随电荷转移，在吸收光谱中产生强吸收带，如果电荷转移带出现在可见光范围内，则产生相应的颜色。

电荷迁移有多种形式，它可以发生在同核原子价态之间，也发生在异核原子价态之间。

1金属金属原子间的电荷迁移金属金属原子间的电荷迁移可分为同核原子价态之间的电荷迁移和异核原子价态之间的电荷迁移。

（1）同核原子价态之间的电荷迁移同核原子价态之间的电荷迁移来自不同价态的同一过渡元素的两个原子之间的相互作用，当两个不同价态的同核原子分布在不同类型的格点中，且两者之间有能量差时，电子可发生转移，并产生光谱吸收带，从而使宝石呈现颜色。

堇青石的蓝紫色的产生是这种情况的典型实例。

在堇青石中，Fe3+和Fe2+分别处于四面体和八面体位置中，两个配位体以共棱相接，当可见光照射到堇青石时，其Fe2+的一个d电子吸收一定能量的光跃迁到Fe3+上，此过程的吸收带位于17000cm-（相当于黄光），使堇青石呈现蓝色。

蓝色、绿色电气石和海蓝宝石也是由于Fe2+Fe3+间的电荷迁移而呈的色。

（2）异核原子价态之间的电荷迁移异核原子价态之间的电荷迁移的典型实例是蓝宝石，在蓝宝石中Fe2+与Ti4+分别位于相邻的以面相连接的八面体中，Fe、Ti离子的距离为0.265nm，二者的d轨道沿结晶轴重叠，当电子从Fe2+中跑到Ti4+中时，Fe2+转变为Fe3+，而Ti4+转变为Ti3+，即Fe2+Ti4+Fe3+Ti3+。

电荷迁移的这一过程，伴随着的光谱吸收能为2.11eV，吸收带的中心位于588nm，其结果是在蓝宝石的c轴方向只透过蓝色，呈现蓝色。

当两个八面体在垂直c轴方向上以棱相连接时，这时电荷转移吸收带略向长波方向位移，使蓝宝石在非常光方向上呈现蓝绿色。

异核原子价态之间的电荷迁移，也是蓝色黝帘石、褐色红柱石呈色的原因。

2其他类型的电荷迁移除了上述两种类型的电荷迁移外，还有非金属与金属原子之间的电荷迁移和非金属与非金属原子之间的电荷迁移。

宝石中常见的非金属与金属原子之间的电荷迁移为O2-Fe3+。

O2-Fe3+之间的电荷迁移对可见光光谱中紫色、蓝色光强烈吸收，导致宝石呈金黄色。

金黄色绿柱石、金黄色蓝宝石的颜色均由O2-Fe3+之间的电荷迁移引起。

（三）能带间的电子跃迁呈色（能带理论）能带理论是研究宝石材料的一种量子力学模式，是分子轨道理论的进一步发展。

它较好地解释了天然彩色钻石的呈色机理及其金刚光泽的产生原因。

能带理论认为：

固体中电子并非束缚于某个原子上，而为整个晶体所共有，并在晶体内部三维空间的周期性势场中运动。

电子运动时的能量具一定的上下限值，这些电子运动所允许的能量区域就称之为能带。

它与晶体场理论和分子轨道理论的区别是：

晶体场理论和分子轨道理论主要适用于局部离子和原子团上的电子，电子是定域的，是局部态之间的跃迁；能带理论则与之相反，它认为电子是不定域的，是非局部态之间的电子跃迁。

能带又可分为：

导带（又称空带），由未填充电子的能级所形成的一种高能量带。

带隙（又称禁带），价带最上部的面（又称为费米面）与导带最下部面之间的距离，禁带的宽度随矿物键性的不同而不同；价带（又称满带），由已充满电子的原子轨道能级所构成的低能量带，当自然光通过宝石时，宝石将吸收能量使电子从价带跃迁至导带，所需的能量取决于带隙的宽度，即价带顶部与导带底部间的能量差，又称能量间隔，一般用Eg表示。

不同的宝石由于能量间隔不同而呈现不同的颜色。

与晶体场理论一样，电子从导带返回至价带的过程中，其吸收的能量仍以光的形式发射出来。

例如，IIa型钻石带隙的能量间隔（Eg=54eV）大于可见光的能量，即电子从价带跃迁至导带时吸收的能量为54eV，故吸收主要发生在紫外光区，对可见光能量无任何吸收，故理论上，a钻石为无色,由于Ib型钻石中含有微量的孤氮原子，氮原子外层电子（1s22s22p3）比碳原子（1s22s22p2）多一个，额外的电子则在禁带中生成一个杂质能级（氮施主能级），由此缩小了带隙的能量间隔，电子从杂质能级跃迁至导带所吸收的能量为2.2eV（564nm），故该类钻石显橙黄色。

（四）晶格缺陷呈色宝石晶体结构中的局部范围内，质点的排列偏离其格子状构造规律（质点在三维空间作周期性的平移重复）的现象，称为晶格缺陷。

其产生原因与宝石晶体内部质点的热振动、外界的应力作用、高温高压、辐照、扩散、离子注入等有关。

例如，在上地幔的高温高压环境中结晶出的金刚石晶体，被寄主岩浆（金伯利岩岩浆或钾镁煌斑岩岩浆）快速携带到近地表时，温压条件的迅速改变和晶体与围岩物质的相互碰撞，则易导致侵位金刚石晶体的结构局部发生改变，并诱发晶格缺陷，使一部分原本无色的金刚石的颜色发生改变，从而形成褐黄、棕黄色及粉红色金刚石。

1电子心（F心）电子心（F心）是由宝石晶体结构中阴离子空位引起的。

就整个宝石晶体而言，当阴离子缺位时，空位就成为一个带正电的电子陷阱，它能捕获电子。

如果一个空位捕获一个电子，并将其束缚于该空位，这种电子呈激发态，并选择性吸收了某种波长的能量而呈色。

因此，电子心是由一个阴离子空位和一个受此空位电场束缚的电子所组成的。

例如，紫色萤石晶体中的氟离子离开正常格位，而形成一个阴离子空位（缺少负电荷），该结构位显示正电性，形成一个带正电的电子陷阱。

为了维持晶体的电中性，阴离子空位必须捕获一个负电子，由此产生了颜色。

2空穴心（V心）空穴心（V心）是由晶体结构中阳离子缺位引起的。

从静电作用考虑，缺少一个阳离子，等于附近增加了一个负电荷，则附近一个阴离子必须成为“空穴”才能保持静电平衡。

因此，空穴心是由一个阳离子空位捕获一个“空穴”所组成的。

例如，烟晶中以类质同象形式替代Si4+的A13+杂质，在晶格位中形成正电荷不足的位置（正电荷陷阱），为了维持暂时的电中性，Al3+离子周围必须有相应的正一价阳离子存在。

当水晶受到辐照后，与最近邻的O2-将失去一个多余的电子，而残留下一个空穴，形成空穴心（V心）。

利用辐照源的带电粒子（加速电子、质子）、中子或射线辐照宝石，通过带电粒子、中子或Y射线与宝石中离子、原子或电子的相互作用，最终在宝石中形成电子空穴心或离子缺陷心。

如辐照处理钻石、蓝黄玉等，辐照的本质是提供激活电子、格位离子或原子发生位移的能量，从而形成辐照损伤心。