宝石基本特性

原子轨道
能 量
原子能级
Eg
能带
导带——未充填满电子
禁带宽度-两能带间能量差ev 满带（价带）-充满面电子 禁带 满带——已充满电子
•处在价带顶部的电子当受到大于Eg的外来能量（可见光） 激发，可跃迁到导带。吸收可见光能量而使晶体产生颜色。
能带理论所解释的宝石颜色
致色原因
禁带宽度Eg低于可见光 能量
• 研究意义：
– 宝石颜色是评价宝石质量和价值的重要依据； – 不少宝石的特有颜色可作为重要鉴定特征； – 了解宝石颜色的致色原因，对宝石的合成、改
色、鉴别等工作都一定的指导意义。
1、颜色的本质
• 颜色是具有一定波长的电 磁波。一定波长的可见光， 会呈现一定的颜色。
• 在整个电磁波谱中，能引 起人眼视觉的可见光只是 一小部分，一般取 400~700nm波长作为可见 光的范围（实际范围可达 380~780nm）。
相当于被吸收色光的补色或补色的混wk.baidu.com
合色；
– 如果宝石普遍均匀的吸收所有色光，
则宝石随吸收程度不同而呈黑、灰或
白色；
– 如果所有的色光都有通过宝石，则宝
石呈无色透明。
2、宝石颜色的致色机理
• 五种机理：
– 过渡金属离子的内部电子跃迁致色 – 离子间的电荷转移致色 – 色心致色 – 能带间的电子跃迁致色 – 物理光学致色
第一节 宝石的光学性质
• 一、宝石的颜色 • 二、宝石的光泽和透明度 • 三、宝石的折射率和色散 • 四、宝石的多色性 • 五、宝石的发光性 • 六、宝石的特殊光学效应
光与宝石的关系示意图
相互作用
光
宝石
产生的效应
影响最佳加工 琢型及比例
评价宝石的 重要依据
鉴定宝石的理 论基础及方法
一、宝石的颜色
发 1个电子形成空穴色心。
• 两者结果都造成有不成对的电子而发生能级分裂，吸
收光波产生颜色。
例：紫色萤石的致色原因
F- F- F-
Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+
F- F- F-
F- e- F-
Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+
F- F- F-
• 萤石成分：Ca F2 • 由于Ca2+含量过高和受放射性
– 400nm紫光相当于3.10ev ; 700nm红光相当于1.77ev – 即可见光的能量范围大致为1.77~3.10ev 。
波长越短，能量越大。
白 光
宝石的颜色
• 宝石颜色是宝石对不同波长的可见光选择
性吸收的结果。
• 当可见光（白光）照射宝石时： – 如果宝石选择吸收了某些波长的色光，
则宝石呈透射或反射色光的混合色，
因素，对光发生物理光学作用而使宝石呈色。 • 这些作用主要有：
（1）过渡金属离子的内部电子跃迁致色
• 当宝石组分中含有：Ti 、 V 、 Cr 、 Mn 、 Fe 、 Co 、
Ni 、 Cu 等，都是宝石产生颜色的物质基础，称为“色 素离子”。
• 这类离子存在 d 轨道上未成对的单电子，受到周围配位
体阴离子电子云影响，d 轨道的能级会发生分裂，所产 生的能量差值可能与某种波长的可见光能量相当。
蓝宝石的致色原因
• 蓝宝石成分：Al2O3 含Fe2+ 、Ti4+ 等杂质。
Fe2+——Ti4+ 电荷转移
• 吸收红、黄光，呈蓝色。
（3）色心致色
• 色心：可以吸收光波的晶体结构缺陷。
• 主要有两种：
– 缺失原子（缺位）—— 受放射性幅照捕获 1
个电子形成电子色心；
– 额外原子（填隙原子）——受放射性幅照激
禁带宽度Eg在可见光能 量范围内 禁带宽度Eg大于可见光 能量
由微量组分引起的颜色
颜色 紫-蓝色 黄色 红色 白色
红色
纯净无色
蓝色 黄色
矿物实例 铜蓝 金、黄铁矿 铜 银、铂
赤铜矿、辰砂
金刚石、刚玉、绿柱石 石英、黄玉、萤石
Ⅱb型金刚石（含硼） Ⅰa型金刚石（含氮）
（5）物理光学致色
• 指由于宝石内部的结构、构造、裂隙、包裹体等
• 受辐照后，Al3+邻近的Oˉ的1 个价电子被激发离开其轨道，
出现未配对电子——空穴色 心。
• 产生极强的紫外——可见光 范围的吸收，呈烟灰色。
（4）能带间的电子跃迁致色
根据能带理论，晶体中的电子按能量高低分别位于各能带中。被电子占 满的能带称为满带，未占满的称为导带，导带的能量较高。各能带间有一 能量间隙，称为禁带。电子可以由满带向导带跃迁，但必须吸收超过中间 的禁带宽度所代表的能量才能发生。
吸
释
收
放
• 通过红光、蓝光（少量）
光 能
光 能
• 呈红色、紫红色
A
吸收
（2）离子间电荷转移致色
• 在晶体结构中，相邻离子间在外来能量（光能）作用
下，可使电子从一个原子的轨道跃迁到另一个原子轨 道上去，即离子间发生电荷转移。
e
• 离子间电荷转移分三类型： – 非金属离子——金属离子 – 金属离子——金属离子 – 非金属离子——非金属离子
成的白光。
• 将各种色光的颜色排成扇形圆环图，任意一对对
角扇形区两种颜色的色光，都可以适当比例混合
成为白光，这两种颜色称为互补色。
紫红
靛
橙
蓝
黄
绿 黄绿
700nm
400nm
• 颜色表示方法：
– 波长（λ） 单位：纳米（nm） – 能量（E） 单位：电子伏（ev）
E(ev) × λ(nm) ≈ 1240
• 单色光的波长由长到短，对应的颜色感觉由红到紫。
红色 770——620nm 橙色 620——590nm 黄色 590——560nm 黄绿 560——530nm
绿色 530——500nm 青色 500——470nm 蓝色 470——430nm 紫色 430——380nm
• 日常见到的自然光，就是由以上几种色光混合而
• 当白光入射宝石晶格，d 电子受到相同能量光波激发，
从基态（低能轨道）跃迁到激发态（高能轨道），这部 分光波的能量转移给被激发电子，即吸收，其余光波透 射或反射出宝石，混合呈色。
红宝石的呈色机理
D
• 成分：Al2O3 含Cr2O3
放 热
• Cr3+→Al3+ 有3个d电子 C
基态 e 激发态
• 吸收紫光、绿-黄光
幅照影响，造成F – 缺位而为
电子占据——电子色心。
• 该色心吸收黄绿光波，使萤石 呈紫色。
例：烟晶的致色原因
O2- O2- O2-
Si4+ Si4+ Si4+ Si4+
O2- O2- O2-
辐照
H
O2- O1- O2-
Si4+ Al3+ Si4+ Si4+
O2- O2- O2-
• 成分：SiO2 • Si4+←Al3+﹢H+(Na+)