岩石和矿物怎样与光玩来产生令人叹为观止的彩色

岩石和矿物不只反射光。它们与它玩并既作为波又作为粒子与光相互作用。

HARD SCIENCE — JULY 28, 2023

Elizabeth Fernandez

Annelisa Leinbach / Big Think; Wikimedia Commons

关键要点

无论是珍贵的宝石还是只躺在沙滩上，岩石和矿物以多样范围的彩色而来。

     在原子水平的内在的过程往往是对这些彩色负责的。

在这些岩石中的不纯度不只是缺陷。它们是使这些矿物质真的独一无二的。

岩石和矿物就在我们周围。有些因它们的美丽被珍视，而另一些是如此常见以至于它们容易的被忽视。它们以各种颜色和阴影而来。一些捕捉光，一些弯曲光，一些甚至打破光。

但为什么红宝石是红色的而几乎有相同化学式的蓝宝石以多种颜色而来呢？为什么地球上最丰富的矿物之一石英有如此一个多样的颜色和不透明度呢？为什么有些矿物创造它们自己的彩虹世界呢？对这些问题的答案以一些迷人的物理学结合岩石在分子尺度上怎样行为。

红宝石、蓝宝石和祖母绿（天哪！）

甚至最原始的切割红宝石、蓝宝石或祖母绿因是不完美的得到它的绚丽的彩色。

让我们从红宝石和蓝宝石开始，两者都是各种刚石。当氧化铝变得被紧密的包成一个六方晶体结构时这种矿物形成。刚玉以它的纯粹形式是透明的，然而，偶尔一个铬阳离子能取代在晶格内的一个铝阳离子。这不需要用太多------也许 100 个原子中仅 1 个被取代------但造成的不完美意味着铬现在从击中宝石的光中吸收绿色或紫色光子。然而，红光继续被传递，创造绚丽的红宝石色调。

一块未切割的红宝石。(Credit: Geru Parent / Wikimedia Commons)

如说过的，蓝宝石以众多种颜色而来------粉红色、红色、黄色、金色、紫色、桃色、香槟色，当然那个珍贵的蓝色。与红宝石一样，蓝宝石源自在一个刚玉晶格内铝阳离子被替换，只是这次它们被用铁和钛阳离子取代（少至10000个样离子中1个）。当一定波长的光落在一个蓝宝石上时，它被吸收并造成一个电子从一个铁到一个钛阳离子的转移。这造成一种蓝色蓝宝石。为产生不同的彩色，其他微量元素必须在蓝宝石中存在，诸如铅、钴、硅、镁或铬。

说到铬，当它取代无色矿物绿柱石中 1% 的铝阳离子时某些非常不同的事情发生：这造成红光和黄光被吸收，创造一个丰富的绿色祖母绿。

钙铀云母有一个石灰绿色。当被置于紫外光下时它荧光。(Credit: Daderot / Wikimedia Commons)

所有年龄的辐射乐趣

某些矿物质当被紫外光照射时闪烁令人毛骨悚然的热粉红色、鲜艳的黄色或甚至一个看起来外星人的绿色。当矿物内的阳离子或某些不纯物（叫活化剂）吸收一个紫外线光子时这种现象发生，造成一个电子被提升到一个更高能量的原子轨道。当电子回到它的基态时，它并不直接的去那里反而是通过几个不同的能量轨道跃迁。这些跃迁之一可能造成原子在可见光谱中发射一个更长波长的光子。当这发生时，矿物在一个叫荧光的过程中“辉光”。

矿物以一个范围的彩色荧光，包括蓝色（如萤石和白钨矿）、黄色（菱石）、红色（菱锌矿）和紫色（磷灰石）。然后是钙铀云母，一种包含块一样晶体的矿物。它几乎是50%的铀，将荧光亮绿色。

总是追逐彩虹

有些石头似乎含有一个彩色的彩虹。例如，蛋白石取决它们被观望的角度闪烁出多种彩色。这些石头的彩虹色不得不与微小球体的二氧化硅的排列有要做的。这些球体之间的距离是微小的------在可见光的波长的数量级上。正因为如此，它们起一种衍射光栅的作用，将光分隔成它的成分颜色。

一个蛋白石的神奇彩虹色。(Credit: Wikimedia Commons)

珍珠的彩虹色是相似的。当一小块沙子或其他异物进入贝壳时一个珍珠在一个牡蛎内形成。慢慢地，它被珍珠层覆盖，珍珠层是一种碳酸钙。珍珠层的厚度是接近可见光的波长。因此，如果您从不同角度观察珍珠，光将在珍珠内的不同层反射掉。

     这些光的波长将要么一起加（相长的干涉），要么减（相消的干涉）。这种干涉取决于光的波长以及它怎样与层之间的距离比较，因此，一个珍珠的颜色将略有变化，取决于各种颜色是相长的还是相消的相互作用。

虎眼（光的快感）

虎眼以它的迷人的金色、琥珀色和红棕色带闻名。但直到最近为止它的特殊光泽的原因躲避了科学家们。

像蛋白石和珍珠一样，虎眼似乎来捕捉光。最初，科学家认为宝石是作为石棉在一个叫假形态（与产生石化木相同的过程）的过程中慢慢取代石英的配方单位被创造。然而，更仔细检查揭示了起作用的一个不同过程。

当水渗进含有石英和青石棉（也称为蓝石棉）的一块岩石内的裂缝时虎眼形成。石英和青石棉溶于水中，随它们溶解石英慢慢开始来结晶，同时沿着裂缝青石棉的纤维形成。然后岩石再次开裂这个过程重复，只有现在，青石棉的纤维被略偏移。这种偏移创造虎眼闻名的杂色条带。当这些裂缝发生时，青石棉也被暴露到空气中并与氧气反应创造氧化铁，赋予石头它的特有的红棕色色调。

一块虎眼石 (Credit: Photolitherland / Wikimedia Commons)

现在这是一块不同颜色的石英

矿物不一定是罕见的宝石是有趣的。进行任何徒步旅行并随机捡起一块石头。它将可能是全部或部分石英。这是因为石英是地球表面上第二最常见的矿物（仅次于长石）。它构成地球地壳的12%。石英晶体甚至构成大多数海滩上的沙子。

石英在地球深处出自凝固的岩浆形成二氧化硅的晶体。以它的纯形式，石英是一种无色透明晶体。但许多因素能影响石英的外观和颜色------例如，当形成石英的岩浆富含其他矿物质时或者当含有溶解矿物质的水渗进形成石英晶体并引入新元素时。

蔷薇石英可能有少量的铁、钛或锰。在石英中辐照的铁杂质也创造紫水晶的皇家紫色，如果紫水晶长时间暴露到热和压力，这些相同的杂质产生黄水晶的火热橙色和黄色。乳白色石英含有少量液体或气体内含物，这赋予这种矿物它的不透明的光泽。最后，碧玉往往是一个石英晶体与铁的凝聚体，赋予它一个红色。

烟熏石英因它的烟黑色晶体得名。当自然辐射激活石英中的铝杂质时晶体改变颜色。(Credit: Parent Géry / Wikimedia Commons)

光和颜色

这些矿物质不只反射光。它们与它玩。它们以一种波的形式与光相互作用，它们以一种粒子的形式与光相互作用。电子移动、获得和失去能量。这些岩石中的杂质不只是缺陷。它们是使这些矿物质真的独一无二的。

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