矿物颜色成因

学术 2024-11-02 08:01 上海

1.矿物为什么如此多彩？

肉眼可见的色彩源于自然可见光（波长390～770nm）七色光。当自然光射向矿物，矿物选择性的吸收可见光中不同波长的色光，透射和反射出来的各种可见光的混合色就是矿物的颜色。

七色光具有特殊的互补关系，图中相对的扇形区所代表的颜色就是互补色。

图1.不同色光间的互补关系

当矿物对自然光中不同波长的光波均匀的全部吸收时，矿物呈现黑色。若基本上都不吸收，则为无色或白色。若各色光被均匀的部分吸收，则呈现不同浓度的灰色，如果矿物选择性的吸收某种波长的色光时，则矿物将呈现出被吸收色光的补色。

2.矿物颜色的成因

2.1自色idiochromatic color

自色是由于矿物本身固有化学成分和晶体结构决定的对自然光选择性吸收、折射、反射而表现出来的颜色。是光波与晶格中的电子相互作用的结果（具体成因作用如下）。矿物的自色比较固定，是矿物鉴定的首选标志。

2.1.1离子内部电子跃迁致色

internal electron transition

过渡型离子具有未填满的d或f轨道，在配位阴离子作用下，这些轨道发生能级分裂，形成两组或几组不同能级的轨道，各组间的能量差(即晶体场分裂能)与可见光的能量相当。当可见光照射时，位于低能轨道上的电子便能吸收与晶体场分裂能相当的色光，跃迁到较高能级的轨道上(称为d—d跃迁或f—f跃迁)。由于部分色光被吸收，矿物便呈现出其补色。例如，红宝石(含铬刚玉)就是类质同象的Cr³⁺中3个d电子吸收绿光并跃迁而呈现红色的。

图2.红色刚玉

色素离子chromophoric ion具有不饱和的d或f轨道，自然光照射时能实现d-d或f-f跃迁而使矿物呈色的离子。（图2）这类离子主要为元素周期表第四周期的Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni，其次W,Mo,U,Cu和稀土元素的离子。

图3.常见色素离子与致色

2.1.2离子间电荷转移致色

interionic charge transfer

矿物中一些变价元素的离子在光波作用下发生相邻离子间的电子转移，产生光化学氧化-还原反应。因为电子转移过程中部分光波被吸收，所以导致矿物呈现被吸收光波的补色。例如，蓝闪石呈蓝色就是其结构中Fe²⁺与Fe³⁺之间电荷转移的结果。

图4.蓝闪石

2.1.3能带间电子跃迁

interband transition

能带理论认为，矿物中原子或离子的外层电子均处于一定的能带。

被电子占满的能带能量较低，称满带或价带(valence band)，未被电子占满的能带能量较高.为导带(conduction band), 能带间的能量间隙为禁带(forbidden band)。若禁带宽度与某种可见色光能量相当，矿物受自然光照射时，处于满带或价带的低能电子便会吸收能量大于禁带的部分色光而跃过禁带到达高能态的导带，从而使矿物呈色。

2.1.4色心

color centre

能选择性吸收可见光波的晶格缺陷称为色心。

图5.紫色萤石

对于无色透明的晶体，其禁带宽度大于可见光的能量，核外电子不能吸收任何能量的可见光。但是，当矿物晶格中某种离子含量过剩、缺失，或存在杂质离子及机械变形等引起晶体内点电荷不平衡而成缺陷时，缺陷部位的电子跃迁所需能量若减小到与可见光相当的程度，可见光照射时便能选择性吸收色光而转移并呈色。大部分碱金属和碱土金属化合物矿物的呈色主要与色心有关。例如，萤石的紫色和石盐的蓝色就分别是因晶格中F⁻和CI⁻空位所引起的F心（晶格中阴离子空位，缺陷部位正电荷过剩，晶体内电子选择性吸收某种光波获得能量，向缺陷部位移动以平衡车电荷）所致。

2.1.5体色与表面色

自色还可以分为体色和表面色。透明矿物多为体色，金属晶格矿物多为表面色。

图6.橄榄石的绿色是体色

体色body color是透射光的颜色，是被吸收光的补色。表面色surface color是反射光的颜色，与被吸收色光一致，是吸收能量后处于激发态的电子回到基态时释放出的能量。

图7.赤铁矿的棕红色是表面色

2.1.6矿物的标准色

矿物的颜色丰富多变，为便于描述，科学家选择颜色较为稳定的矿物设计了标准色。（图）

图8.矿物标准色与矿物对照表

2.2他色allochromatic color

他色是因含其他杂色物质而形成的颜色，与矿物自身成分和结构无关。

图9.因含大量铬云母微粒而呈现绿色的热液石英，表明成矿流体与超基性岩有过强烈的水热反应

2.3假色pseudochromatic color

可见光照射矿物时，受其表面或内部特殊物理界面影响发生干涉、衍射、散射等所产生的颜色。是一种物理光学效应导致的呈色。

2.3.1锖色tarnish

锖色是某些不透明矿物表面的氧化膜使反射光发生干涉形成的不均匀彩色。

图10.黄铜矿的锖色

2.3.2晕色iridescence

晕色是某些透明矿物，因内部存在一系列平行密集的解理面或裂隙面，对入射光产生连续反射引起光的干涉，使矿物表面呈现彩虹般的色带。

图11.水晶内部贝壳状断面形成的变彩

2.3.3变彩play of color

变彩是某些透明矿物因内部存在许多细微叶片状或层状结构界面，使入射光发生衍射干涉作用，从而出现不均匀的色彩，这种不均匀的色彩会随观察角度的变化而变化。

图12.拉长石的变彩

2.3.4乳光（蛋白光，opalescence）

乳光是某些矿物因含有许多远小于可见光波长的其他矿物颗粒或胶体微粒，使入射光发生漫反射形成的乳白色浮光。

图13.月长石（条纹长石）的乳光

3.矿物的条痕streak

条痕是矿物粉末的颜色，粉末消除了假色、减弱了他色、突出了自色。一般用条痕板（白色无釉瓷片）测试。

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参考资料：

[1]《结晶学与矿物学》李胜荣

END

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2NjY1NDY0NA==&mid=2247573187&idx=3&sn=d57a0642b8d27f3c3d77d44d9b301909

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