顔色是礦物最明顯、最直觀的性質，對我們欣賞和認識礦物有極大的影響，觀察顔色的經驗對于鑒定區分不同礦物是至關重要的。

以上圖片來源：MIM Museum

中國畫常有的顔色主要是花青、藤黃、胭脂、朱砂、赭石、石青、石綠等，前3種是植物顔色，後4種是礦物顔色。植物顔色在空氣中不穩定，易變色；而礦物顔色穩定，千年不變。如綠色的孔雀石，褐紅色的赤鐵礦等都可作為天然顔料。那麼礦物的顔色是怎樣形成的呢？

古代建築彩繪

礦物的顔色是礦物對入射自然光（390~770nm）中不同波長的光波吸收後，透射和反射的。當礦物受到自然光照射，自然光中的某些波段的能量被吸收。被吸收的能量用于把電子躍遷到别的能級，所吸收的光的能級被從自然光中抽離，從而在組成自然光的能級波譜中留下一個或者多個吸收譜線，這一現象叫做光的選擇性吸收。當自然光的一部分以這種方式被吸收，我們的眼睛隻能感受到順利穿過或反射并達到我們眼睛的剩下的殘餘能量。大腦把這些殘餘的能量組合到一起，并記錄成單一的一種顔色，即礦物的體色。

當礦物對白光中的不同波長的光波同等程度的吸收時，礦物所呈現的顔色取決與吸收程度。

如果是均勻地全部吸收，礦物呈黑色；若基本上都不吸收，則為無色或白色；若各色光均被均勻地吸收了一部分，則視其吸收量的多少，而呈現不同濃度的灰色。如果礦物隻選擇性吸收地吸收某種波長的色光時，則礦物呈現出被吸收的色光的殘餘色。

礦物的顔色又可分為體色（body color）和表面色（surface color）。

圖/MIM Museum

對于透明或半透明的礦物，可見光可入射到其内部一定的深度，當晶格内的某些電子從基态躍遷到激發态所需的能量正好與某波長的可見光的能量相當時，這些電子即可吸收入射光中的這部分光而從基态躍遷到激發态，剩餘部分色光則重新透射、散色或反射出礦物的表面而使礦物呈現的顔色，稱為礦物的體色，即礦物透光的顔色，表現為被吸收色光的補色。

有些礦物的體色是有構成材料主要成分的化學元素導緻的，這種叫做自色礦物。體色有非構成材料主要成分而是以礦物中痕量“雜質”存在的元素所導緻的，這種叫做他色礦物。

決定礦物顔色的重要因素主要有以下幾個方面，金屬離子的電子躍遷、離子間的電子轉移、色心緻色和物理光學緻色。但在每個礦物中，有不止一種因素會産生或導緻其顔色。

因素一：分散的金屬離子

在化學元素中，被稱為過渡元素的一組八個金屬元素是許多礦物呈色的原因，也成為色素離子，主要為周期表中第四周期的Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni，以及次要的W、Mo、U、Cu和稀土元素等離子。

因為過渡金屬的離子都具有未填滿的d或f電子亞層，電子在離子内部的軌道間躍遷（即d-d躍遷或f-f躍遷）。

不同的過渡元素趨于産生不同的顔色。例如紅寶石中的紅色是由鉻元素産生的，而金綠寶石中的黃色是由鐵産生的。其中最常見的是通常分别使礦物呈綠色和紅褐色的Fe2 和Fe3 。

此外，還有一些礦物是因為其他元素而呈色的，例如天河石是微斜長石中綠色至藍綠色的變種，含有Rb和Cs，一般Rb2O的含量為1.4%~3.3%，Cs2O為0.4%~0.6%，其顔色有一種說法是含Rb緻色，也有人認為是其中含有微量的Pb取代結構中的K，引起結構上的缺陷産生色心而導緻呈色。

所感受到的顔色還取決于緻色離子在晶體結構中的位置，以及晶體結構的本身。通常情況下，晶體中的過渡元素大多是由氧離子環繞的，然而對于同樣的離子，不同的排列環繞方式将産生不同的影響。例如二價鐵離子在橄榄石中産生綠色，而在鐵鋁榴石中産生紅色。

産生的體色之所以會不同，是與電子從一個能級躍遷到另一個能級所需要的能量有關，環繞過渡元素離子的氧離子的距離和數量将影響電子躍遷能級的能量大小。

圖:MIM Museum

在紅寶石和祖母綠中，環繞每個過渡金屬鉻離子的氧原子的數量是相同的，但晶體中的晶體結構環境是不同的，氧原子與鉻離子之間的距離也是不同的，電子躍遷所需要的能量也不同，這種差别導緻晶體對自然光的吸收稍有不同，而這足以對顔色産生巨大的影響。例如鉻存在于綠柱石結構中，我們看到的是祖母綠濃豔的綠色。而存在于剛玉結構中我們看到的是紅寶石鮮豔的紅色。

當入射光的光譜随光源而改變，如日光與鎢絲白熾光的能量分布稍有不同，透過部分晶體，這種差别将足以改變體色，導緻大腦把不同條件下透過晶體的殘餘能量解釋為完全不同的顔色。這就是變色效應。有變色效應最著名的就是鉻釩緻色金綠寶石的變色品種-------變石。石榴石和螢石等礦物也會産生變色效應。

對螢石的變色有貢獻的元素是過渡元素Fe 、V和稀土元素Y、Sr、 Nb 、Sm，在螢石晶體内呈類質同象置換的雜質元素離子。

我國四川平武雪寶頂的白鎢礦常呈橘黃色，十分醒目。其顔色成因與主量化學成分和晶體結構關系并不明顯，可能與晶體結構中較小的超微結構或是微量元素、稀土元素有關。

廣西陽朔的磷氯鉛礦常呈現亮綠色。其實純淨的磷氯鉛礦是無色透明的，磷氯鉛礦中具有選擇吸收的離子主要是Fe2 、Fe3 、Cu2 、Ni2 ，緻色元素是以Fe離子為主，Cu離子和Ni離子含量較少，它們比Fe離子少了一個數量級，可以認為磷氯鉛礦的顔色主要是Fe離子作用。當Fe3 離子含量較大時會使磷氯鉛礦呈現黃色，Fe2 比較多的時候緻使磷氯鉛礦呈現綠色。

決定礦物顔色的重要因素主要有以下幾個方面，金屬離子的電子躍遷、離子間的電子轉移、色心緻色和物理光學緻色。但在每個礦物中，有不止一種因素會産生或導緻其顔色。

因素二:電荷遷移

在某些礦物晶體中，電子能從一種離子類型移動到另一種離子類型并返回，電子可通過吸收一定能級（波長）的光獲得能量來實現這一點。在電荷遷移過程中會發生可見光的選擇性吸收，導緻殘餘體色。電荷遷移效應能産生比金屬離子的電子躍遷強得多的吸收，故顔色也強得多。

在藍色剛玉（藍寶石）中，鐵和钛離子之間發生電荷遷移并産生藍色。

這裡電子在鐵和钛離子之間擺動過程中發生電荷的遷移，也就是說，當能量以光輻射形式進入到晶體時，這兩個金屬的離子态快速的變化，有Fe2 變為Fe3 又變回，由Ti4 變為Ti3 又變回。透過剛玉晶體結構的殘餘能量到達你的眼睛，被大腦綜合的解釋為“藍色”。

電荷遷移也可以在同一個金屬離子間發生。鐵可作為一個很好的例子，因為它是常見元素。很多礦物晶體中，兩個鐵離子間長被氧原子分隔開，同樣電子也在兩個不同價位的鐵離子之間反複的擺動。所見到的是堇青石和海藍寶石中一樣的參與藍色。

由于同種電荷的遷移可以人為的控制，所以電荷遷移成因的礦物晶體顔色大多也可以人為的改變。例如黃綠色的綠柱石，由于含有導緻黃色的三價鐵離子（Fe3 ）而顔色暗淡，通過加熱可以使Fe3 獲得一個電子而産生更多的導緻藍綠色的二價鐵離子（Fe2 ），形成海藍寶石。也可以通過輻照，使二價鐵離子（Fe2 ）失去一個電子而産生更多的導緻黃色的三價鐵離子（Fe3 ），形成金色綠柱石。

因素三:色心緻色

色心是晶體結構中的缺陷，它會吸收能量。這些缺陷可在生長過程形成，也可由輻照産生。輻照可以是天然的或者人工的。

大部分堿金屬和堿土金屬化合物的呈色主要與色心有關，最常見的是由于晶格中的陰離子空位而産生的F心（F-centre）。由于礦物晶格中陰離子空位，局部正電荷過剩，能捕獲電子，發生相應的電子轉移，選擇性吸收某些色光，導緻礦物呈現其補色。

如螢石的紫色、石鹽的天藍色即分别是因晶格中F-空位和CL-空位所引起的F心所緻。純淨石鹽(NaCl)為無色透明，與鉀鹽(KCl)共生的石鹽有時呈藍色，其成因被認為是由于40K放射出自由電子，使Na 變成了中性的鈉原子所緻。将石鹽(NaCl)用X射線照射或者金屬鈉蒸汽熏染則呈藍色。當加熱到200℃時顔色消失。

石英中出現煙晶是因為有作為雜質的鋁離子Al3 存在，Al3 代替Si4 ，鋁離子Al3 的單獨存在還不足以産生褐色，需要長時間的天然或者人工輻照才能把電子擠開，形成[AlO4]4-空穴色心，造成紫外到可見光範圍的吸收。如果輻照的時間足夠長，石英可變成全黑色，形成墨晶。将晶體加熱可使顔色複原，使電子回到原來的位置。

紫晶緻色的機理與煙晶類似，含有微量鐵離子的水晶，經過天然或人工的輻照，一個電子将從Fe3 中擠出，形成Fe4 。一旦Fe4 離子形成，在O2-離子和Fe4 之間将發生電荷遷移，形成[FeO4]4-空穴色心，可見光中的紅黃部分波段被吸收，形成紫色的紫晶。這種紫色在100℃以下完全穩定；在100℃～ 300℃時基本穩定；隻有當溫度達到400℃以上時，樣品才基本失去紫色。

近期出現的帕德瑪橙紅色 - 橙黃色藍寶石，緻色的主要原因是铍擴散緻色。超高溫條件下誘生的晶格缺陷（Be2 離子等價或不等價替代Mg2 、Al3 ，在替位過程中産生大量的陽離子空位）是導緻橙紅色 - 橙黃色藍寶石緻色的内因條件。嚴格的說，外來的Be2 離子不屬于緻色離子，它不參與橙紅色 - 橙黃色呈色，而是起到一種類似活化劑或拓展空位的作用，産生空穴色心。

因素四:能帶間電子躍遷

礦物中的原子或離子，其外層電子均處于一定的能帶，能帶的下部為價帶，上部為導帶，價帶與導帶之間為禁帶（帶隙）。當自然光通過礦物時，礦物将吸收能量使電子從價帶向導帶躍遷，所需的能量取決于禁帶的寬度，即價帶頂部與導帶底部間的能量差，又稱能量間隔，一般以⊿Eg表示。若禁帶寬度大，所需的能量大，電子難以躍遷；反之則易于躍遷。不同礦物由于禁帶寬度不同而呈現各種顔色。

礦物禁帶寬度窄（⊿Eg<1.77eV），能量間隔比可見光能量小，可見光的各色光都可以使電子躍遷，從而是各種波長的可見光被大量吸收，礦物不透明，從而産生表面色，即反射色(reflection color)，它表現為與被吸收色一緻的顔色。躍遷到導帶上的電子是不穩定的，又極易回到價帶上，返回時電子的大部分能量仍以光的形式輻射，具有很強的反射能力，是晶體形成金屬的顔色和光澤。通常金屬元素的⊿Eg=0eV，如自然金、自然銅；部分硫化物，如黃鐵礦和方鉛礦，⊿Eg<0.4eV。對色光大緻是均勻的吸收并再輻射，表現為銀白色、鋼灰色、鐵灰色等。黃鐵礦對波長約520nm以上的綠、黃、橙紅色光均有較強的吸收，再輻射後即呈現混合色—淺黃銅色。

礦物禁帶寬度中等（⊿Eg=1.77eV～3.10eV），能量間隔在可見光範圍内，礦物可選擇吸收能量比自身⊿Eg大的各色光，使電子躍遷呈色。如辰砂⊿Eg=2.0eV，它選擇吸收了黃、綠、青、藍、紫的色光，透過橙、紅色光而呈現紅色。

礦物禁帶寬度大（⊿Eg>3.10eV），能量間隔比可見光的能量大。因此，在正常情況下，可見光範圍内的能量不能使電子躍遷，光不被吸收而大部分被透過，使礦物呈無色透明。如無色透明的金剛石⊿Eg=5.5eV。有些礦物由于雜質元素的加入，在禁帶中形成局部能級，使礦物顔色發生變化，如金剛石中含N時呈黃色，含B時呈現藍色。

5、物理光學緻色

假色（Pseudochromatic color）：是由物理光學效應所引起的顔色，是自然光照射在礦物表面或進入到礦物内部所産生的幹涉、衍射、散射等引起的顔色。假色隻對個别礦物有輔助的鑒定意義。

礦物中常見的假色主要有：

锖色（Tarnish）：某些不透明礦物的表面氧化薄膜引起反射光的幹澀作用而使礦物表面呈現出斑駁陸離的彩色即锖色。锖色大多可以用小刀挂掉。如斑銅礦表面獨特的藍、靛、紅、紫斑駁的彩色。

暈色（iridescence）：某些透明礦物内部一系列平行密集的解理面或裂隙面對光連續反射，引起光的幹涉，從而使礦物表面常出現如同水面上的油膜所形成的彩虹般的色帶，成為暈色。在魚眼石、白雲母、冰洲石、透石膏等無色透明晶體的解理面上最易見到。

變彩（play of color）：是指當從不同方向觀察某些透明礦物時，其不均勻分布的各種顔色會随之發生變換。這是由于礦物内部存在很多厚度與可見光波長相當的細微葉片狀或者層狀、粒狀結構，引起光的衍射、幹涉作用所緻。例如，拉長石具有美麗的藍綠色、金黃色、紅紫色等連續的變彩；歐珀呈藍、綠、紫、紅燈色彩。

歐泊

拉長石

礦物的顔色如同它的成分和結構一樣複雜，不是一種緻色機理就可以解釋的，是很多的成因綜合的結果，所以顔色也變化萬千。而且很多礦物的緻色原理現在也沒有搞清楚，所以以上成因可以說隻是理論原因或者是典型礦物的顔色成因。

圖文來源/國檢珠寶培訓中心

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