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科学星|大自然中珍贵宝石的色彩是从哪里来的？


北京联盟_本文原题：大自然中珍贵宝石的色彩是从哪里来的？
在赋予宝石美丽的诸多因素中 ， 颜色是一个主要因素 。 凝重洁白的羊脂白玉、翠绿幽深的翡翠、艳若“鸽血”的红宝石、五彩缤纷的碧玺、色彩斑斓的欧泊 ， 无不令人眼花缭乱 ， 目不暇接 。 人们在惊叹宝石的颜色如此美丽多彩的同时 ， 也一定想探个究竟：为什么宝石是五颜六色的呢？
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什么是宝石的颜色
颜色是具有一定波长的电磁波 。 实际上 ， 宝石的颜色是人眼对可见光的一种反应 。 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 400～700纳米（nm）波长作为可见光的范围 ， 由于个体的差异 ， 有的人可能会比其他人能见到的波长更长或更短一些 ， 可观察到的可见光范围可达 380～780nm 。 不同波长的可见光 ， 对应着不同的颜色 ， 从700～400nm的可见光波长分别与红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色相对应 。
而宝石的颜色是宝石对可见光在400～700nm范围内的光波进行选择性的吸收后,　透射或反射出的光波的混合色 。
当白光到达宝石的表面 ， 一部分被反射 ， 另一部分被折射进入宝石 。 如果宝石选择吸收了某些波长的色光 ， 则透射或反射色光的混合色 ， 就是我们所观察到的宝石的颜色 ， 相当于被吸收色光的补色或补色的混合色 。 因此 ， 尽管两颗宝石可能选择性吸收的色光不同 ， 最终却有可能呈现相同的颜色 。
若宝石普遍均匀的吸收所有色光 ， 则随吸收程度不同 ， 宝石呈黑、灰或白色；如果所有的色光都通过宝石 ， 则宝石为无色透明的 。
宝石中的致色元素
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宝石以美丽的颜色深受人们的喜爱 ， 自然界产出的宝石或多或少含有各种产生颜色的致色元素 ， 这些常见的元素有：钛（Ti）、钒（V）、铬（Cr）、　锰（Mn）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）以及一些稀土元素 ， 如钇（Y）、铈（Ce）、铯（Cs）、锶（Sr）等 ， 它们是宝石产生颜色的物质基础 。 在宝石中 ， 有一类宝石的颜色与其化学组成的某一主要元素有关 ， 这种元素出现在它的化学式中 ， 而且其颜色往往比较稳定 ， 这类宝石叫自色宝石（即由作为宝石主要化学成分的过渡族元素致色的宝石） 。 如：含锰的蔷薇辉石和菱锰矿总是呈红色、橙黄色；含铜的孔雀石和透视石总是呈绿色；含铜的蓝铜矿总是呈蓝色 。 尽管孔雀石、透视石和蓝铜矿这三种矿物都含Cu2+ ， 但由于蓝铜矿的结构导致了铜离子在其中的吸收不同于另外的两种宝石 ， 因此颜色也不同 。
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另一类宝石叫他色宝石 。 他色宝石是由微量元素致色的宝石 ， 即组成宝石的主要元素不产生特征的颜色 。 当它纯净时 ， 宝石无色透明或不透明时呈现白色；当它含有不同的微量元素时 ， 则会呈现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同的颜色 。 这些微量元素通常含量极少 ， 百分之零点几至百分之几的含量 ， 就可使宝石呈现鲜艳的颜色 。 因而 ， 他色宝石的颜色会发生很大的变化 ， 甚至比无色的宝石更常见 ， 如红宝石和蓝宝石就是他色宝石 。
红宝石、蓝宝石的矿物名称是刚玉 ， 刚玉的化学式为Al2O3 。 当它纯净时是无色的 ， 若微量的铬代替铝时 ， 刚玉就呈红色( 红宝石) ， 当刚玉中含微量的铁和钛时 ， 就呈蓝色(蓝宝石) 。 如果刚玉中混入其他的杂质元素 ， 还可呈现黄色、绿色、橙色等不同的颜色 。
由于不同宝石的内部结构不同 ， 同一种致色元素在不同宝石中对光波的选择性吸收也会不同 ， 因此对宝石颜色的贡献也不一样 ， 这就是为什么铬在刚玉中呈红色 ， 而当它在祖母绿中出现时却使祖母绿呈绿色的原因 。


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