欧泊：星空下的宝石幻想

02-18

欧泊：星空下的宝石幻想

珠宝知识307：彩色宝石入门篇（十）：宝石的变彩效应及其评价

【何为变彩效应】

在很多宝石表面会产生一些与宝石本身颜色（体色）完全不同的颜色，给人一种别样的浪漫。例如月光石表面的蓝色、黑珍珠表面的孔雀绿色以及欧泊表面五彩的色斑等等，这些都是变彩效应，其中月光石、黑珍珠表面的颜色由于往往只有一种，因此称之为单色变彩；欧泊、斑彩菊石、变彩拉长石等宝石表面的颜色往往具有多种，称之为多色变彩；也有很多人将月光石、珍珠的单色变彩单独命名为晕彩。那么这些与宝石体色差异较大的颜色是如何形成的呢？

【五彩斑斓的世界】

我们这个世界是五彩斑斓的，在平时的日常工作与生活当中经常能够看到一些五彩斑斓的颜色，例如天空的蓝色、晚霞的红色、海洋的蓝色、气泡的彩色等等，那么说到颜色，就不得不提“光”，因为光是形成颜色的先决条件，没有光又何谈颜色呢？

由于光的本质是一种电磁波，会产生所有“波”能够产生的物理现象，例如干涉、衍射、散射等等，而宝石表面各种各样的颜色与他们的形成原理就与光的这些物理现象密切相关。所以今天在为大家分享宝石的变彩效用之前，先会为大家复习一下相关的物理知识，为了能够让大家更好的了解光的这些物理知识，我们会用日常生活中常见的例子进行简单的对比。

【光的干涉现象】

如果我们将两颗相同的石子同时投放在一个非常平静的湖水里，在湖面中就会形成分别以两个石子为中心的水波，由于两个石子是完全相同的，并且是同时投放的，因此形成的水波的性质也是一模一样的，在水中就会形成下图中的样子——在某些地方水波的振幅是增强的，在某些地方是减弱的，这就是波的干涉现象。

对于“光”来讲，两束完全相同的光（振动方向相同，传播方向相同，频率相同）相遇的时候也会形成干涉现象。对比上图中的水波，波的振幅加强的地方，就是光亮度增强，波的振幅减弱的地方，就是光亮度降低的情况。最典型的就是我们在高中时候学习到的杨氏干涉图像，如果是单色光，会在屏幕上形成明暗相间的条纹；如果光源为白色光，会形成彩色的条带。

不同的实验条件，也往往会形成不同的干涉图样，五彩斑斓。

【薄膜干涉与劈尖干涉】

当光线遇到一个薄膜的时候，会对光线产生多次反射——薄膜表面的反射与薄膜内部对光的反射，但是无论怎样，这些反射出来的光线的前身都是同一条光线，因此他们满足产生干涉的基本条件——光的性质完全相同，这些光线相遇时便会产生干涉，从而形成不同的颜色；同样的原理，劈尖对光的多次反射同样能够产生光的干涉，气泡表面的七彩色就与薄膜干涉和劈尖干涉有密切的联系。

【光的衍射】

光是沿直线传播的，但是光的传播方向也会在某些时候发生变化。当波遇到障碍物或者狭缝的时候，尤其是当障碍物或者狭缝的尺寸与波长的尺寸相近时，波的传播方向会发生明显的变化，这种现象就会被称之为波的衍射现象，从下图中我们可以非常清楚的看到，当狭缝较大的时候，波的传播方向的改变较小，但是当缩小狭缝的时候，波的传播反向就会发生明显的变化。

下图就是一张非常常见的波的衍射现象，波浪是从海面向岸边传播，当遇到狭缝时，波不再沿着直线传播，而是改变了方向，向四面八方传播。

光的衍射现象与此类似，也就是说，当光遇到一些与光的波长相近的障碍物或者狭缝的时候，传播方向同样会发生明显的改变。在高中时代，为了能够得到两个完全相同的光源制作光的“干涉图样”，利用的就是光的衍射现象。

光的颜色除了能够促进光的干涉现象的出现从而产生颜色外，单纯的衍射现象也可以出现多彩的颜色，这同样与不同颜色光的波长不同有关，也就是说，同样的障碍物或者狭缝，对不同颜色光的衍射效果是明显不同的。

【光栅衍射】

通常情况下，光的干涉与光的衍射是同时存在的，最为典型的当属光栅衍射。在很多光学实验中，为了得到两束完全相同的光，所采用的就是结合光的衍射作用。光栅本质上就是在一个光学器件中按照一定的规律分布一些与光的波长相近的狭缝，无数个狭缝就相当于无数个完全相同的光源，能够满足光的干涉条件，从而产生彩色光，是宝石中一项非常重要的形成变彩效应的原理，例如欧泊。

【光的散射】

刚刚我们讲到，光的衍射现象是改变光传播方向一个非常重要的原理，而光的散射同样能够改变光的传播方向。例如在黑天的时候打开一个手电筒，我们可以看见一束非常明显的光柱，但是，手电筒其实并没有直接照射到人的眼睛里面，而仅仅是从侧面观察到，这表明已经有部分光线改变了传播方向，这种现象其实就是光的散射，而这种现象的出现一般与小颗粒的物质有关。

因此光的散射就是光在传播过程中，部分光线的传播方向发生改变的现象。虽然散射现象仅仅是部分光改变了传播方向，但是由于散射现象与光的波长、颗粒的尺寸等相关要素有关，同样能够产生不同的颜色。根据颗粒大小的不同以及散射出来的效果，可以将散射现象分为瑞利散射、米氏散射、拉曼散射等。

【瑞利散射】

瑞利散射又称为“分子散射”，颗粒的尺寸是远小于光的波长的，小于波长的十分之一，散射的强度与入射光波长的四次方呈反比，也就是说，波长越短，散射越强，在可见光的范围内，蓝紫光的散射强度更强，因此可以将短波长的光与长波长的光有效的分开，从而产生漂亮的颜色，例如晚霞的红色、天空的蓝色等都与瑞利散射密切相关。

【米氏散射】

米氏散射发生的条件是颗粒的大小与光的波长相近的时候产生的，散射强度与波长的二次方程反比，波长的变化引起的散射强度不如瑞利散射那样剧烈，可以近似的认为不同波长的散射强度基本相同，发生散射时几乎包含了所有波长的波，因此产生的散射光一般为白色，例如胶体的散射光为白色或灰白色，生活中的白云、浪花的颜色等等。

夏天风景 o

好了，复习完了光的一些物理现象，不同宝石的变彩效应与那些光的物理显现象有关呢？

【主要与光栅衍射有关的宝石】

欧泊是所有具有变彩效应当中最为典型的宝石之一，通过扫描电镜可以清晰的解析显微结构，可以发现欧泊主要为SiO2·nH2O组成的小球形成起来的，那么小球的尺寸就会明显影响到光的一些物理现象：

（1）小球的尺寸过小时，会满足瑞利散射的条件，例如埃塞俄比亚具有蓝紫色变彩的欧泊，SiO2·nH2O小球尺寸在80-100nm之间；

埃塞俄比亚欧泊的球状结构

（2）小球聚集之后形成层状结构，满足薄膜干涉条件，例如埃塞俄比亚欧泊部分欧泊的层状结构在100-300nm之间。

埃塞俄比亚欧泊的层状结构

埃塞俄比亚欧泊不同颜色的变彩

（3）小球堆积后球体之间的空隙与光的波长相当，形成三维光栅，形成变彩，例如澳大利亚欧泊的SiO2·nH2O小球尺寸在150nm～400nm之间。

澳大利亚欧泊的显微结构特征

小球的尺寸决定小球之间的空隙，从而决定光发生颜色的条件，进而决定欧泊变彩的颜色；《系统宝石学》做过统计，小球之间的空隙在138-204nm之间，允许白光中所有波长的单色光通过，形成七彩欧泊；间隙在138-204nm之间，只允许则色到黄色的光通过，形成五彩欧泊；球体间隙在138-176nm之间，只允许紫色到蓝色色光通过，形成三彩欧泊；间隙在138-165nm之间时，只允许紫色和蓝色光通过，形成单彩或者二彩欧泊。

【主要与薄膜干涉有关的宝石】

主要与薄膜干涉有关的宝石包括斑彩菊石、珍珠、变彩拉长石等宝石有关，这一类宝石最重要的特点就是结构上属于层状结构，形成了薄膜干涉的基础，而薄膜的厚度则决定了变彩效应所产生的颜色和效果。

由于篇幅有限，下面以斑彩菊石为例为大家进行简单的介绍。斑彩菊石进入到宝石的行列时间相对较短，但是由于具有非常鲜艳的颜色，并且随着观察角度的变换而产生不同的颜色，再加上是古生物的一种，带有一种明显的年代感和对生命的敬意，受到了很多消费者的喜欢。

斑彩菊石的主要成分是文石和有机质，其次是方解石，同样是根据扫描电镜的分析，发现斑彩菊石主要为层状结构，并且与有机质互层，这是形成薄膜干涉的基础，因此薄膜的厚度决定了伴彩菊石颜色的种类及变化。下图就是斑彩菊石的显微结构以及结构示意图。

层状结构决定了薄膜干涉的发生，因此薄膜的厚度与宝石形成的颜色密切相关，根据统计，红色的文石层的平均厚度为232nm，绿色的平均厚度为194nm，而紫色的平均厚度为145nm。

【与散射有关的宝石】

在宝石中主要形成颜色的散射现象主要为瑞利散射和米氏散射，与散射有关的宝石主要包括月光石、芙蓉石、刚玉、蛋白石等，其中以月光石的颜色成因最为典型。但是月光石的结构同样为层状，主要为钠长石与钾长石互层，但是由于“层”的厚度过小，不能够满足干涉的条件，因此无法用光的干涉理论来解释月光石的月光效应。

由于散射效应同样与尺寸有关，因此当“层”的尺寸过小时（89.5-149.8nm），会满足瑞利散射的条件，形成漂亮的蓝色，而“层”的尺寸与光的波长相近时（166.9-6582.5nm），满足米氏散射的条件，从而形成白色-灰色晕彩。下图为月光石（白色乳光）在显微镜下观察到的条纹结构。

如何评价宝石的变彩效应？

1、颜色本身的评价

变彩效应的本质是通过光的物理效应产生除宝石体色以外的颜色，因此颜色本身的评价占据了首位，同样是要包括色相、明度和饱和度这三个物理参数，以欧泊为例，黑欧泊由于具有较深的体色，使得欧泊表面的变彩中的颜色看起来饱和度更高、明度更高。

但是，相比之下，白欧泊由于具有相对更高的透明度，使得变彩的颜色在白色的背景之上，饱和度降低，因此颜色看起来就不那么鲜艳了；

2、变彩与宝石体色之间的差异

通常情况下，变彩效应与宝石体色之间的差异越大，变彩效应的观察才会更加的明显，黑欧泊与白欧泊之间的对比其实也可与这种对比有关。以月光石为例，月光石的变彩效应以蓝色为贵，而灰色-白色的月光石价格相对较低，从美观度来讲，蓝色会更加的漂亮，除了颜色本身因素以外，一个重要的原因就是蓝色的月光与白色或者无色的体色构成明显的对比。

3、不同颜色变彩之间的匹配

有些宝石例如拉长石、欧泊、斑彩菊石等通常会在表示的表面形成多种颜色的变彩，那么不同颜色之间的协调程度，或者不同颜色之间能够形成一些特殊图案，也是评价他们的重要因素之一。

下图中欧泊，是有很多短且平直的线条组成，被称之为“Chinese Writing”欧泊，这种类型的变彩效应在外国人的眼里非常像中国文字。

下图是一些被称之为孔雀、稻草纹、小火花的欧泊

4、变彩效应的方向性

变彩效应主要与光的物理作用有关，那么光的物理现象的发生与光的入射方向有着密切的关系，反应在宝石上面就会发现，很多变彩效应的与观察方向密切相关，因此变彩效应的方向性就变得尤为重要，下面这颗欧泊在转动方向的过程中，变彩变得相对较弱，影响了美观度，若能够达到360°无死角观察到变彩效应，会大大的升高欧泊的价值。

再以月光石为例，月光石通常会做成弧面型的，因此晕彩效应效应在弧面上的效果就会大大地影响宝石的价值，而月光效应同样会随着观察角度的不同而发生变化，因此在切磨的时候需要进行定向。若定向不准确会造成月光效应偏离弧面的中央，影响宝石的美观度，进而降低宝石的价值。下图为一串月光石的手链，但是每颗珠子的月光效应所在的方向却是不同的。