蓝色蓝宝石中的红色荧光

郜玉杰

2017-08-01 02:20:46

作者按:在日常的研究和检测工作中我们发现,一些蓝色的蓝宝石在紫外灯下会呈现红色荧光,如图1所示。细心的商家也对这一现象产生了警觉,他们怀疑红色荧光的产生与宝石的热处理或者其它新的处理手段有关。本文从蓝宝石的晶体结构、化学成分和紫外-可见光光谱等方面来对红色荧光的成因进行探讨。注:如无特殊说明下文“蓝宝石”特指蓝色蓝宝石。

图1. 蓝宝石在日光下显示蓝色,紫外灯下显示红色 (Guild Lab拍摄)

 

众所周知,蓝宝石的矿物成分为刚玉。刚玉是一种常见的矿物,化学成份三氧化二铝(Al2O3),纯净的刚玉为无色透明的晶体,如图2所示。刚玉的生长环境中常富含多种元素,自然界中常常会出现类质同象替代。一些过渡金属元素离子取代刚玉晶格中的铝离子后可以使刚玉呈现不同的颜色。

图2.刚玉的晶体结构-无类质同象替代

图3.红宝石的晶体结构-Cr取代Al

图4.蓝宝石(不显示红色荧光)的晶体结构-Fe和Ti取代Al

 

铬元素(Cr)常会取代刚玉晶格中的Al3+离子,使宝石呈现红色,我们平常见到的红宝石都含有铬元素,如图3所示。由于铬元素的存在,红宝石在紫外灯下常会显示不同程度的红色荧光。铁元素(Fe)和钛元素(Ti)也可以取代刚玉晶格中的Al3+离子,使刚玉呈现蓝色,如图4所示。大多数的蓝宝石在紫外灯下为惰性,即不显示任何颜色。因此,蓝宝石显示红色荧光是很令人生疑的。

 

图5.蓝宝石(显示红色荧光)的晶体结构-Cr、Fe和Ti同时取代Al

      针对这一问题,Guild宝石实验室的宝石学家们对这类样品进行了常规宝石学测试、显微镜下观察、紫外-可见光光谱和红外光谱测试。基于观察和测试结果,我们认为蓝宝石的红色荧光是一种自然的,与人工处理并无直接关系。主要原因如下:

(1)铬、铁、钛这三种元素并不存在互斥现象,自然界中可以大量共生。即,Cr、Fe和Ti可以同时取代刚玉中的Al3+,形成类质同象,如图5所示。

(2)当红色和蓝色的致色离子都存在时,为什么会优先显示蓝色,而不是红色?如图5所示,铬、铁、钛均存在刚玉的晶格中。其原因在于蓝色的致色机理与红色的致色机理不同。

    红宝石中单独的铬元素周围自由电子吸收部分可见光使刚玉呈红色。铬在刚玉晶格中分布是相对无序的。一个明显的证据就是:与蓝宝石相比,红宝石的色带比较少见,颜色分布更均匀。蓝宝石中,成对的铁和钛可以呈现蓝色,两个离子之间存在大量自由电子,可吸收部分可见光使宝石呈现蓝色。由于蓝色的致色剂需要两种离子同时成对出现,因此蓝宝石的色带会更明显、更常见。观察蓝宝石的色带在原石切割是尤为重要,色带的定向切割对最终切好的宝石成品的颜色起着重要作用

(3)同样是热处理,红宝石作“减法”,蓝宝石作“加法”。一些红宝石进行热处理后红色会得到“提升”,其本质不在于热处理将铬元素的价态改变,而是因为这样的红宝石中常会含一些铁和钛,从而使宝石同时具有些许蓝/紫色调。热处理是要将这些蓝/紫色调去除,使原本已经存在的红色得以显现,是在作“减法”。对于蓝宝石而言,热处理可以改变铁和钛的价态,使原本为无色的样品变为蓝色。是在作“加法”。

(4)紫外-可见光光谱检测到该样品含有Cr元素,在693nm处可见明显吸收峰,如图6所示。

刚玉中致色元素的影响因素表

元素

离子

导致的颜色

致色方式

致色能力

铬Cr

Cr3+

红色

分散离子周围自由电子吸收部分可见光

铁Fe

Fe2+、Fe3+

蓝色

离子间自由电子跃吸收部分可见光

钛Ti

Ti3+、Ti4+

图6.紫外-可见光光谱检测到该样品含有Cr元素(Guild Lab测试)

结语:

      本文从晶体结构、光谱特征等方面对蓝宝石中的红色荧光的成因进行了探讨,我们认为该现象在天然蓝宝石中属于正常的现象,红色荧光的成因与蓝宝石含有一定量的铬元素有关,与可能存在的优化处理技术无直接关系。未来,我们会持续关注该类现象,不断加深理解和认识。欢迎各位宝石学家、资深商家、爱好者们共同探讨交流!

 

 

 

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