珠宝园中的两朵名花

珠宝园中的两朵名花

珠宝是珍珠和宝石的统称。珍珠是蚌壳内由于病理变化或外界砂石和微生物等进入体内所形成的圆形颗粒物，多为乳白色或略带黄色，有光泽；宝石则是颜色鲜艳的单晶矿物。珠宝由于其美丽的外观、形成年代的远久、出产的稀有和价格昂贵，历来受到人们特别是女士的青睐。许多宝石都因自己特有的颜色而闻名于世，甚至价值连城：透明闪光的金刚钻，有绿宝石王之称的祖母绿，水晶中的黄晶、紫晶、茶晶、墨晶等。在这百花争艳的珠宝“花园”中，红宝石和蓝宝石可谓当之无愧的两朵名花。

人们对于红宝石的构成认识较早，红宝石的主体成分是氧化铝（Al₂O₃）。由纯氧化铝构成的晶体，因Al　^3＋和O^2－之间的化学键很强，使晶体硬度很大，外观又像玉石，因而俗称为刚玉。纯刚玉本不显色，但当刚玉中混入了4%或稍多一点的三氧化二铬（Cr₂O₃）时，便产生了透明闪光的鲜美红色，即形成了名贵的红宝石。铬的“加盟”为什么产生了红色呢？这是由铬离子的电子层结构特点及在晶体中的所处环境决定的。Cr^3＋核外共有21个电子，分成3层，从内到外电子层分别是2、8和11个电子，其中最外层电子由于彼此间的较小能量差异，又分为3s、3p和3d三个亚层。C1^3＋最外层的11个电子，在3个亚层的电子数依次是2、6、和3，可表示为3s²3p⁶3d³。其中3d亚层共包括5个原子轨道，最多可容纳10个电子。对于一个孤立的Cr^3＋离子，如处于气态的Cr^3＋，其3d亚层的5个原子轨道是能量相等的；但当Cr^3＋进入了刚玉的晶体结构中时，每个Cr^3＋即被位于正八面体顶点位置的6个O^2－所包围。由于O^2－所形成的“配位场”的静电作用，使Cr^3＋的5个d轨道分为三低二高的两个能级（见图4－4）。基态下Cr^3＋的3个d电子都处于低能态，但当红宝石被可见光照射时，位于低能态的电子，就会吸收黄绿色光和紫光，而跃迁至高能态，因此红宝石就显现出其补色——红色略带紫色。

红宝石显色的机理可以归结为由于配位体场静电作用的影响，使中心离子的d亚层发生了能级分裂，光照时发生了从低能态向高能态的跃迁，吸收了可见光而显色。这种显色的原因可称为“配位场效应”显色。

图4－4　红宝石中显色机理

当1902年法国化学家维尔纳叶（1856—1913）在实验室成功地制造出人造红宝石后，人们立即将目光投向了蓝宝石的复制。向刚玉中添加钴化合物显然成了实验方案的首选。但令人遗憾的是，此后的一系列实验都以失败告终。维尔纳叶借鉴于红宝石的制作经验，通过实验分析了天然蓝宝石的化学成分后，向刚玉中添加了小于千分之一的铁和钛的氧化物，人造蓝宝石的制作也获得了成功。至于蓝宝石显现蓝色的奥秘的揭开，那已是此后约60年的事了。实验测试分析了蓝宝石的结构，其中Fe^2＋和Ti^4＋离子相距很近，因此当受到光照时，属于Fe^2＋的低能态的电子就有可能吸收一定波长的可见光，转移到Ti^4＋的高能态中：

光谱实验测定表明：电荷发生转移时所吸收光波的峰值在588纳米左右，此外还在其他一些波长有较小的吸收。该晶体除蓝色和蓝紫色的可见光外，其他各色光全都被吸收了，因此蓝宝石就显示过自己特有的蓝色。蓝宝石的显色原因显然与红宝石不同，导致其显色的最主要原因是由于离子间通过吸收可见光后的电子转移，这种显色的机制又称为“电荷转移显色”。

红、蓝宝石的主体虽然都是刚玉，但因所含杂质不同、显色机理不同，导致显现出不同颜色。除用作饰物外，红、蓝宝石还可用于精密仪器、机械钟表的轴承、激光发射器等。所以，红宝石和蓝宝石从“名”到“实”都不愧为珠宝园中的两朵名花。以刚玉的主体的宝石，除红宝石和蓝宝石外，由于所含杂质不同，还可呈现出多种不同颜色：镍（Ni）的掺入使它成为黄宝石；镍（Ni）和铬（Cr）的结合得到橙宝石；钴（Co）、钒（V）和镍（Ni）的总效果得到绿宝石；引起红色和蓝色的杂质的组合，又得到紫宝石；钛（Ti）的加入会出现星芒，如星彩红宝石和星彩蓝宝石。宝石的美丽色彩真让人百看不厌、惊叹不已。