堪比金剛石的紅寶石,是什么元素讓它看起來那麼紅?

2020-12-11 宇宙探索百科

一位中國攝影師曾進入緬甸佤邦地區,用自己的經驗記錄了一顆寶石的製作過程。它有很強的防禦工事,礦工們工作很努力,通常每開採500噸礦石就可以得到一克拉寶石。攝影師稱之為「血鑽」,也就是說這裡的每一顆寶石都是礦工們用自己的血汗甚至生命買來的。

這就是珍貴的紅寶石。

寶石之後

紅寶石鮮紅似火焰,英文名是Ruby,來自拉丁語ruber。它的原意是紅色。它象徵著激情,激情和美麗而忠誠的愛。它被稱為「愛情之石」。現在,西方國家也把結婚40周年稱為「紅寶石婚姻」,以讚美永恆的愛情。

從礦物學角度看,紅寶石實際上是剛玉,其主要成分是氧化鋁。剛玉是目前已知最耐用的結晶氧化鋁。有時它含有微量的鐵、鈦或鉻。它的硬度很高,僅次於金剛石。1812年,德國礦物學家莫斯首次提出了一種表示礦物硬度的標準,即莫氏硬度。以下10種礦物的硬度用1-10表示:滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、石英、黃玉、剛玉和剛玉。這裡的硬度值不是絕對硬度值,而是按硬度的順序表示。從莫氏硬度值可以看出,金剛石的硬度為10,其次是剛玉,為9。鑽石只能在它的表面塗上其他文字。正因為如此,有人這樣看待紅寶石:如果說鑽石是「寶石之王」,那麼紅寶石就是「寶石之後」。

過去,一些礦工錯誤地認為,如果一顆暗淡的紅寶石埋在地下,它最終會變成鮮紅色,並認為紅寶石是剛玉家族中最成熟的成員。雖然他們的理解不正確,但紅寶石顏色越紅,價值越高,這是事實。血紅寶石最為人們所珍視,俗稱「鴿子血紅」。因為它的寶石比鑽石更珍貴。如果它超過2克拉,它是非常珍貴的。世界上最大的「鴿子血紅」也只有55克拉。在瑞士日內瓦的一場拍賣會上,一枚來自緬甸的15.97克拉的「鴿子血紅」寶石以每克拉227萬美元的價格成交。這是紅寶石有史以來的最高單價。

現代科學研究發現,紅寶石已經不像以前那樣成熟和紅潤。這是由於剛玉中其他元素的混合。純剛玉無色,但會含有少量的鉻、鐵、鈦、錳、釩等,使剛玉的顏色發生變化:那些含鉻的,主要是氧化鉻,含量超過1%,會使剛玉呈現紅色,即紅寶石;含鐵、鈦的剛玉呈藍色,鎳多的剛玉呈黃色,錳多的剛玉呈玫瑰色。

紅寶石之所以呈鮮紅色,是因為它含有鉻元素。在一定程度上,剛玉中鉻的含量越高,其顏色越鮮豔。

鉻,讓寶石絢爛多彩

說起鉻元素,我們並不陌生,因為我們日常使用的不鏽鋼菜刀、汽車零件等器皿都含有這種物質,它被稱為最堅硬的金屬。其表面有銀光澤、高熔點、質地堅硬、耐磨、耐高溫、耐腐蝕;用其製成的不鏽鋼不僅強度高,而且耐熱性高,不易生鏽,因此在冶金、化工等行業得到廣泛應用。

有趣的是,鉻的英文名來自希臘語,原意是「顏色」,因為許多鉻化合物有不同的顏色。例如,三氧化二鉻呈深綠色,重鉻酸鉀呈橙紅色,重鉻酸銨呈橙色,鉻酸鈉呈黃色,幾乎每種鉻化合物都有自己獨特的顏色。鉻和變色龍一樣,使化學物質的世界變得五彩繽紛。

為什麼鉻能把無色的剛玉變成鮮紅色?

在解釋這一現象之前,我們需要了解兩個問題:第一,寶石的顏色是什麼?寶石的顏色實際上是它選擇性吸收不同波長可見光的結果。當白光照在寶石上時,它吸收一部分光,反射或透射另一部分。我們眼睛所觀察到的顏色實際上是反射或透射的光的顏色;被吸收的光的顏色消失了。第二個術語叫礦物同構。顧名思義,它意味著不同的物質可以表現出相同的外觀。嚴格地說,它是指礦物晶體結構中的某一粒子(原子、離子或分子)被其他類似的粒子所取代,但礦物的結構形式不變。這種現象能否發生,不僅取決於粒子本身的性質,還取決於外界的溫度、壓力等物理條件。

在剛玉中,一旦外部環境條件適宜,外部鉻原子(Cr3+)將以同構的形式取代部分鋁原子(Al3+)。有學者對紅寶石進行了光譜分析,結果表明,可見光強度最大的吸收峰出現在420nm(對應紫光波長)和550nm、570nm(對應綠光和黃綠光的波長)。雖然它也能吸收其他色帶,但強度很小。因此,紅寶石的顏色是紫、綠、黃三色的混合色,即以紅色為主。理論上,鉻原子有三個價電子,它們可以自由地改變能級。當暴露在可見光下時,電子會吸收光能,這足以保證電子能從一個基態能級躍遷到另兩個基態能級。躍遷到這兩個不同能級所吸收的能量分別相當於紫光和黃綠光,白光被吸收後的剩餘部分形成紅色,變成紅寶石。

也許那些喜歡研究寶石的人會發現另一個奇怪的問題:寶石翡翠有一種明亮的綠色,這也是由鉻引起的。為什麼鉻的存在使一顆寶石變成紅色,另一顆變成綠色?事實上,這是因為在寶石翡翠中,雖然鉻原子(Cr3+)以同構的形式取代了部分鋁原子(Al3+),但翡翠中含有較多的鈹(be2+)和矽(si4+)離子,削弱了翡翠周圍的配位電場強度。也就是說,電子從一個能級到另一個能級的躍遷只需要吸收相對較少的能量這個能量對應於紅光波段,也就是說紅光被大量吸收,殘留的混合色變成了翠綠。

它從哪裡來

物以稀為貴。紅寶石之所以有價值,最重要的原因是它們非常稀有。紅寶石主要分布在緬甸、泰國、越南、印度和中國。紅寶石有一個「姊妹」藍寶石,它們具有相同的物理性質、化學成分、晶體結構,並且通常共存於一起。

紅寶石是明亮的紅色,像火焰一樣容易辨認,但藍寶石不容易區分,因為不是所有的藍寶石都是藍色的。幾個世紀以來,藍寶石的定義一直存在分歧。目前,國際上普遍認為,紅寶石是紅色的,因為它含有鉻;除紅寶石外,藍寶石被稱為藍寶石。因此,藍寶石的顏色可以是藍色、藍綠色、綠色、黃色、紫色、黑色、灰色,甚至無色。隨著剛玉中鉻含量的增加,藍寶石的粉紅色會逐漸加深,並逐漸過渡到紅寶石色。

紅寶石主要來源於砂礦,風化作用使各種原生紅寶石富集。主要成因與火山活動有關。原生剛玉晶體的開採難度很大。通常,砂礦是用手洗出來選的。

隨著科學技術的發展,紅寶石可以手工製造,但人工製品僅在工業上得到廣泛應用。這種人造礦物具有很高的硬度,常用於製造鐘錶軸承或雷射發生器。

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