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    是什么决定了矿物的颜色?

    日期:2017年11月23日 09:37
    颜色是矿物最明显、最直观的性质,对我们欣赏和认识矿物有极大的影响,观察颜色的经验对于鉴定区分不同矿物是至关重要的。
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    中国画常有的颜色主要是花青、藤黄、胭脂、朱砂、赭石、石青、石绿等,前3种是植物颜色,后4种是矿物颜色。植物颜色在空气中不稳定,易变色;而矿物颜色稳定,千年不变。如绿色的孔雀石,褐红色的赤铁矿等都可作为天然颜料。
     
    那么矿物的颜色是怎样形成的呢?
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    矿物的颜色是矿物对入射自然光(390~770nm)中不同波长的光波吸收后,透射和反射的。当矿物受到自然光照射,自然光中的某些波段的能量被吸收。被吸收的能量用于把电子跃迁到别的能级,所吸收的光的能级被从自然光中抽离,从而在组成自然光的能级波谱中留下一个或者多个吸收谱线,这一现象叫做光的选择性吸收。当自然光的一部分以这种方式被吸收,我们的眼睛只能感受到顺利穿过或反射并达到我们眼睛的剩下的残余能量。大脑把这些残余的能量组合到一起,并记录成单一的一种颜色,即矿物的体色。
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    当矿物对白光中的不同波长的光波同等程度的吸收时,矿物所呈现的颜色取决与吸收程度。
     
    如果是均匀地全部吸收,矿物呈黑色;若基本上都不吸收,则为无色或白色;若各色光均被均匀地吸收了一部分,则视其吸收量的多少,而呈现不同浓度的灰色。如果矿物只选择性吸收地吸收某种波长的色光时,则矿物呈现出被吸收的色光的残余色。
     
    矿物的颜色又可分为体色(body color)和表面色(surface color)。
     
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    对于透明或半透明的矿物,可见光可入射到其内部一定的深度,当晶格内的某些电子从基态跃迁到激发态所需的能量正好与某波长的可见光的能量相当时,这些电子即可吸收入射光中的这部分光而从基态跃迁到激发态,剩余部分色光则重新透射、散色或反射出矿物的表面而使矿物呈现的颜色,称为矿物的体色,即矿物透光的颜色,表现为被吸收色光的补色。 
     
    有些矿物的体色是有构成材料主要成分的化学元素导致的,这种叫做自色矿物。体色有非构成材料主要成分而是以矿物中痕量“杂质”存在的元素所导致的,这种叫做他色矿物。
     
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    决定矿物颜色的重要因素主要有以下几个方面,金属离子的电子跃迁、离子间的电子转移、色心致色和物理光学致色。但在每个矿物中,有不止一种因素会产生或导致其颜色。
     
    因素一:分散的金属离子
     
    在化学元素中,被称为过渡元素的一组八个金属元素是许多矿物呈色的原因,也成为色素离子,主要为周期表中第四周期的Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni,以及次要的W、Mo、U、Cu和稀土元素等离子。
     
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    因为过渡金属的离子都具有未填满的d或f电子亚层,电子在离子内部的轨道间跃迁(即d-d跃迁或f-f跃迁)。
     
    不同的过渡元素趋于产生不同的颜色。例如红宝石中的红色是由铬元素产生的,而金绿宝石中的黄色是由铁产生的。其中最常见的是通常分别使矿物呈绿色和红褐色的Fe2+和Fe3+。
     
     
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    此外,还有一些矿物是因为其他元素而呈色的,例如天河石是微斜长石中绿色至蓝绿色的变种,含有Rb和Cs,一般Rb2O的含量为1.4%~3.3%,Cs2O为0.4%~0.6%,其颜色有一种说法是含Rb致色,也有人认为是其中含有微量的Pb取代结构中的K,引起结构上的缺陷产生色心而导致呈色。 
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    所感受到的颜色还取决于致色离子在晶体结构中的位置,以及晶体结构的本身。通常情况下,晶体中的过渡元素大多是由氧离子环绕的,然而对于同样的离子,不同的排列环绕方式将产生不同的影响。例如二价铁离子在橄榄石中产生绿色,而在铁铝榴石中产生红色。
     
    产生的体色之所以会不同,是与电子从一个能级跃迁到另一个能级所需要的能量有关,环绕过渡元素离子的氧离子的距离和数量将影响电子跃迁能级的能量大小。
     
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    在红宝石和祖母绿中,环绕每个过渡金属铬离子的氧原子的数量是相同的,但晶体中的晶体结构环境是不同的,氧原子与铬离子之间的距离也是不同的,电子跃迁所需要的能量也不同,这种差别导致晶体对自然光的吸收稍有不同,而这足以对颜色产生巨大的影响。例如铬存在于绿柱石结构中,我们看到的是祖母绿浓艳的绿色。而存在于刚玉结构中我们看到的是红宝石鲜艳的红色。
     
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    当入射光的光谱随光源而改变,如日光与钨丝白炽光的能量分布稍有不同,透过部分晶体,这种差别将足以改变体色,导致大脑把不同条件下透过晶体的残余能量解释为完全不同的颜色。这就是变色效应。有变色效应最著名的就是铬钒致色金绿宝石的变色品种-------变石。石榴石和萤石等矿物也会产生变色效应。
     
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    对萤石的变色有贡献的元素是过渡元素Fe 、V和稀土元素Y、Sr、 Nb 、Sm,在萤石晶体内呈类质同象置换的杂质元素离子。
     
    我国四川平武雪宝顶的白钨矿常呈橘黄色,十分醒目。其颜色成因与主量化学成分和晶体结构关系并不明显,可能与晶体结构中较小的超微结构或是微量元素、稀土元素有关。
     
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    广西阳朔的磷氯铅矿常呈现亮绿色。其实纯净的磷氯铅矿是无色透明的,磷氯铅矿中具有选择吸收的离子主要是Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ni2+,致色元素是以Fe离子为主,Cu离子和Ni离子含量较少,它们比Fe离子少了一个数量级,可以认为磷氯铅矿的颜色主要是Fe离子作用。当Fe3+离子含量较大时会使磷氯铅矿呈现黄色,Fe2+比较多的时候致使磷氯铅矿呈现绿色。
     
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    决定矿物颜色的重要因素主要有以下几个方面,金属离子的电子跃迁、离子间的电子转移、色心致色和物理光学致色。但在每个矿物中,有不止一种因素会产生或导致其颜色。

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