自然科普:矿物世界为何五彩斑斓?
发布时间:2023-06-02
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矿物是大地的瑰宝、自然的精灵,它们千姿百态,五彩斑斓,犹如盛开的鲜花绽放出最美丽的色彩。令人感到好奇的是,它们为什么会五颜六色?这背后究竟有什么样的秘密呢?

我们在搞明白矿物的颜色之前,需要首先明白一个简单的物理原理:当白色的可见光(波长为390~770纳米)进入到矿物之后,这其中的红橙黄绿蓝靛紫七种不同波长的色光会被选择性吸收,透射和反射的各种波长的混合色才是我们看到的矿物的颜色。如果某种矿物将入射光全部吸收,那它就会呈现出黑色;如果它对所有波长的色光都均匀吸收一部分,那它就会呈现出不同程度的灰色;如果它对各种色光基本上都不吸收,则为无色或者白色;而大多数情况是,矿物会选择吸收某些特定波段的色光,从而呈现出吸收光的互补色。

但是,矿物对不同色光的吸收受到多种因素的影响,既有本身物质成分和结构的内因,也有光源、观察者的位置和角度的外因,总结起来就是矿物的颜色分为三大类:自色、他色和假色。举个例子:有人说我黑,原因可能与我本身的肤色、身体的洁净程度、外界的光线甚至观察者的位置与角度有关,如果我确实皮肤黑,那这个就是“自色”;如果是因为我没洗澡显得又脏又黑,那就是“他色”;如果是因为在晚上观察我而觉得我黑,那就是“假色”。对于矿物而言,它们究竟有什么样的具体表现呢?

自色:我本如此

自色是由矿物本身的化学成分及内部结构所决定的颜色,基本上固定,这是鉴定矿物的重要特征之一。例如,绿色是孔雀石的基本色,尽管不同产地的孔雀石会略有差异,但基本色不会变。这是因为孔雀石中含铜。铜离子能使很多矿物和宝石产生蓝色或绿色,这样的离子被称为色素离子,或者这样的元素被称为致色元素。钴、镍、锰、铬、铁等都是常见的致色元素,如果这些元素造成矿物呈色,它们必须是矿物本身的固有组分,而不是外来的机械混入物,这才算是自色。

孔雀石

再如颜色相对比较单一的橄榄石,常为橄榄绿色,只是在颜色深浅上有所变化,它是一种岛状硅酸盐矿物,主要成分是镁铁硅酸盐,化学表达式为(Mg,Fe)2[SiO4]。也就是说,橄榄石晶体是由镁离子和铁离子共同形成均匀的﹑单一相的混合晶体,镁含量较高的被称为镁橄榄石(Mg2SiO4),而铁含量较高的则被称作铁橄榄石(Fe2SiO4),极少情况下还会发现稀有矿物镍橄榄石、锰橄榄石。随着镁离子占据多少的变化,橄榄石的颜色也会变化,其成分中铁含量越多,则颜色就越深,从而显现出黄色、橄榄绿色甚至褐色。这才算是自色。

橄榄石宝石及其原矿

此外,黄铁矿的浅铜黄色、方铅矿的铅灰色、雌黄的黄色等颜色相对固定的矿物和宝石均是如此。

方铅矿

他色:是别人让我变得如此

然而,还有很多意外的情况发生,在某种矿物在形成过程中,一些其它“杂质”成分乘机而入,混入其中造成颜色发生了变化。例如水晶,它究竟是什么颜色?答案可能是五花八门。虽然纯洁无瑕的水晶原本是无色透明的,但实际上有很多紫水晶、黄水晶、红水晶、绿水晶、烟晶、茶晶、墨晶、乳水晶、蔷薇水晶,令人眼花缭乱,主要原因就是外来物质的混入造成的,这就是他色。

紫水晶

最典型的莫过于铬元素。铬的英文名称源自希腊语,原来的意思是“颜色”,因为许多铬的化合物都具有多种多样的颜色,如三氧化二铬(Cr2O3)为深绿色,铬酸酐(CrO3)为橙色,重铬酸钾(K2Cr2O7)为橙色,重铬酸铵((NH4)2Cr2O7)为橙红色,铬酸钠(Na2CrO4)为黄色……几乎每种铬的化合物都有自己特殊的颜色,它就像变色龙一样,它的存在让化学物质的世界变得绚丽多彩。奇怪的是,在刚玉(主要成分为氧化铝Al2O3)矿物中,外来的铬原子(Cr3+)以类质同象的形式代替了部分铝原子(Al3+),从而形成颜色鲜艳的红宝石,而在绿柱石(主要成分是铍铝硅酸盐Be3Al2[Si6O18])中,铬原子(Cr3+)同样以类质同象的形式代替了部分铝原子(Al3+),结果却形成了鲜翠欲滴的祖母绿,真是太神奇了!

他色也可以是由于微量的杂质元素进入矿物晶格中,造成矿物晶格缺陷,从而引起颜色变化。水晶的不同颜色就是由于存在晶格缺陷所导致的。此外,含硼可使钻石变蓝,含氮使钻石变黄色,含石墨或其他灰色包裹体可使钻石变成黑色,在外界环境的辐射、温度及压力的影响下破坏钻石内部晶体结构还可以形成绿色、粉色、红色及褐色的钻石;碧玺(电气石)富含锂、锰和铯者呈玫瑰色或淡蓝色,富镁者呈褐色或黄色,富铬者呈深绿色,富含铁者呈黑色;石英岩中混入了铬云母而形成绿色东陵石,混入蓝线石而形成蓝色东陵石,混入锂云母而形成紫色东陵石,混入赤铁矿而形成红色东陵石;苏纪石因混入锰元素而形成紫色的舒俱来;查罗石因混入锰元素而形成紫龙晶;玉髓中含有铬可呈绿色,含铁则为葱绿色或暗绿色,台湾著名的蓝玉髓则是由于其中含有少量的硅孔雀石而形成的;极其微量的铬与钒进入到石榴石中,改变了它原来的晶格结构,结果就形成了惊艳的翠绿色,即著名的沙弗莱石。

沙弗莱石

假色:我只是看起来如此

所谓假色,就是矿物表面由于物理原因所引起的颜色,包括光的反射、散射和干涉等作用,而不是矿物本身的化学成分决定的,最典型的就是变彩和锖色。

名贵宝石欧泊所展现出的彩色就是变彩,它的颜色看起来像是在不同的角度观察光盘表面所看到的彩虹色,变幻莫测。欧泊的矿物学名称叫“蛋白石”,主要成分是含水的二氧化硅,含水量通常为5%~10%,化学表达式为SiO2·nH2O,而二氧化硅晶体是以硅氧四面体作为基本结构单元,也就是说,硅原子的4个价电子与4个氧原子形成4个共价键,硅原子位于正四面体的中心,4个氧原子位于正四面体的4个顶角上。在欧泊的结构中,这些二氧化硅就像是紧密堆积在一起的小球一样在三维空间中作规则排列,这些小球的直径约150~300纳米,小球之间还有很多孔隙,充填着水和空气,这样的结构像是一个天然的三维光栅,当白色光线照射欧泊时,随着入射角的变化,不同波长的单色光就会不断地发生衍射,于是我们看到了五颜六色的彩光。

白欧泊

锖色现象比较少见,仅发现于斑铜矿、自然银、自然铋、辉铋矿、针镍矿以及人工培育的铋晶体等极少数矿物表面。斑铜矿的锖色跟水面上有一层薄油层的颜色原理相似,又像是电焊的焊接点出现的那种色彩,颜色比较稳定。究其成因,乃是由于薄膜干涉现象所致。由于斑铜矿在空气中被氧化从而在表面形成了一层氧化物薄膜,当外部光线照射到薄膜上,光波会在薄膜的上下界面分别反射,因相互干涉而形成新的光波,正因为不同颜色光波的波长不同,而斑铜矿表面的氧化程度深浅不同,氧化物薄膜有薄有厚,所以它的表面就会呈现出五颜六色的光芒。

除了上述自色、他色和假色之外,还有一些比较特殊的颜色变化。如堇青石的“多色性”,如果从不同的角度进行观察,就会发现它呈现出两种不同的颜色——淡蓝色和蓝紫色,因此,堇青石有“二色石”之别称。更有甚者,个别堇青石会呈现出三种不同的颜色——淡蓝色和紫蓝色、黄灰色。这种性质不同于多色碧玺。多色碧玺是在同一块碧玺宝石上有多种颜色,而且颜色不随观察者的角度而变化;但堇青石的多色性与观察者的角度有关,这是由于它内部晶体结构具有方向性差异所造成的,不同的方向对各种色光的吸收能力不同,故而会表现出颜色深浅或色调的变化。

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