博文

红宝石的红色从哪里来精选

已有 14248 次阅读 2014-5-6 19:22 |个人分类:科普写作|系统分类:科普集锦| 钻石, 岩石, 矿物, 宝石, 红宝石

红宝石的红色从哪里来

文/马志飞

2001年，一位中国摄影师进入缅甸的佤邦地区，用自己的亲身经历记录下了一种宝石的产出过程。这里防卫森严，矿工辛苦劳作，在矿洞里面工作的时候平均每挖矿工都要配一个监工，而且每次出矿洞的时候都必须经过严格的检查。尽管如此艰辛，大家的的收获也积极微小，通常每开采500吨的矿石才能得到1克拉这种宝石。感慨于这种红色宝石的来之不易，这位摄影师称之为“血钻”，寓意为这里的每一粒宝石都是辛苦的矿工用血汗甚至生命换来的。

这，就是珍贵的红宝石。

宝石之后

红宝石的颜色鲜红似火焰，英文名称为Ruby, 其名称来源于拉丁文Ruber，原意是红色。象征着激情、热情，也象征着美好忠贞的爱情，被人们誉为“爱情之石”。在欧洲贵族的生活圈里，红宝石一直都是婚姻的见证。现在，西方国家还把结婚的第四十周年称为红宝石婚，用于赞美永恒的爱情。

从矿物学的角度来说，红宝石其实就是刚玉，其主要成分是氧化铝(Al₂O₃)。刚玉，是目前已知最耐久的一种结晶氧化铝，有时含微量铁、钛或铬等，它的硬度很大，仅次于钻石的矿物成分金刚石。1812年，由德国矿物学家莫斯首先提出了一种表示矿物硬度的一种标准，即莫氏硬度，分别用1到10来表示以下十种矿物的硬度大小：滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。这里的硬度值并非绝对硬度值，而是按硬度的顺序表示的值。从莫氏硬度值中我们可以看出，金刚石的硬度为10，刚玉的硬度为9，紧随其后，也就是说，只有钻石才能在其表面刻划。也正因为如此，有人这么评价红宝石：如果说钻石是“宝石之王”，那红宝石就是“宝石之后”。

在过去，有矿工认为，颜色暗淡的红宝石如果埋在地下，最终将变成鲜红色，并认为红宝石是刚玉族中发育最成熟的成员。虽然他们的认识不正确，但颜色越红其价值越高倒是一点不假。血红色的红宝石最受人们珍爱，俗称“鸽血红”。这种红宝石因产量稀少，比金刚石还贵重，2克拉以上即很珍贵，世界上最大的一颗鸽血红也只有55克拉。一枚产自缅甸的15.97克拉的“鸽血红宝石”，在日内瓦拍卖会上的成交价是每克拉227万美元！这是迄今为止拍卖单价最高的红宝石。

现代的科学研究发现，红宝石并不像过去人们想象的那样如同果实一般慢慢成熟、变红，而是由于矿物刚玉中混入了其他元素造成的。纯净的刚玉是无色的，但其中会含有少量的铬、铁、钛、锰、钒等，这些含量极微的物质改变了刚玉的颜色。含铬元素者，主要为Cr₂O₃，含量可达1%以上，会造成刚玉呈现出红色，即为红宝石，含铁和钛者可呈现出蓝色，含镍者为黄色，含锰者为玫瑰色。

所以，红宝石之所以鲜红艳丽，得益于其中的铬元素，在一定程度上讲，刚玉中铬的含量越高，其颜色就越鲜艳。

铬，让宝石绚烂多彩

说起铬元素，大家并不会感到陌生，因为在我们日常使用的不锈钢菜刀、汽车零件等器具中都采用了这种物质，它号称是最硬的金属，在元素周期表中，它排名24，表面带有银色光泽，熔点高，质地坚硬、耐磨、耐高温、抗腐蚀，用它制作不锈钢，不仅强度大大提高，而且耐热性加大，还可以防止生锈，被广泛应于冶金工业和化学工业中。

有意思的是，铬的英文名称源自希腊语，原来的意思是“颜色”，因为许多铬的化合物都具有多种多样的颜色。比如：三氧化二铬（Cr₂O₃）为深绿色、铬酸酐（CrO3）为橙色、重铬酸钾（K₂Cr₂O₇）为橙色、重铬酸铵（(NH4)₂Cr₂O₇）为橙红色、铬酸钠（Na₂CrO₄）黄色……几乎它的每种化合物都有自己特殊的颜色，所以，它就像“变色龙”一样，它的存在让化学物质的世界变得绚丽多彩。

那铬元素为什么会将无色的刚玉变成鲜艳的红色呢？

我们首先需要明白两个问题：第一，什么是宝石的颜色？所谓宝石的颜色，其实就是它对不同波长的可见光选择性吸收的结果，当不同波长的白色光照射到宝石上时, 它吸收了一部分光子，反射或透射另一部分光子，这种被我们眼睛观察到的颜色其实就是反射或透射出来的光子的颜色，那些被吸收掉的光子的颜色已经不见了。第二，矿物学领域有个术语叫“类质同象”，顾名思义就是指不同的物质可以表现出同样的外观，严谨的说就是指在矿物晶体结构中某种质点（原子、离子或分子）被其他一些类似的质点所代替，但是矿物的结构形式并不发生变化，能否发生这种现象不仅要取决于质点本身的性质，也取决于外部温度、压力等物理条件。

在刚玉这种矿物中，合适的外界环境条件下，外来的铬原子（Cr³⁺）就以类质同象的形式代替了部分铝原子（Al³⁺）。有学者对红宝石进行光谱分析的结果显示：它对可见光强度最大的吸收峰出现在420纳米处（对应于紫色光的波长）和550纳米、570纳米处（对应于绿色和黄绿色光的波长），虽然对其他波段颜色也有吸收,但强度都较小，因此红宝石呈现的颜色为紫、绿、黄色的补色的混和色, 即主要为红色。从理论上解释，铬原子有3个价电子，这3个价电子能够自由地改变能级，当受到可见光照射时，电子吸收光能量，吸收的能量足以保证电子从一个基态能级跃迁到另外两个能级，其中，跃迁到这两个不同能级所吸收的能量分别相当于紫光和黄绿光，此后，被吸收后的白光残余部分就形成了红色，故而成了红宝石。

可能那些喜欢研究宝石的读者会发现另一个奇怪的问题；宝石祖母绿具有鲜脆欲滴的绿色，它的成因也是因为含有铬元素，为什么铬的存在让一种宝石变成红色，另一种却变成了绿色呢？其实这是由于，在宝石祖母绿中，虽然也是铬原子（Cr³⁺）以类质同象的形式代替了部分铝原子（Al³⁺），但祖母绿中多了铍（Be²⁺）和硅（Si⁴⁺）两种离子，从而使得其周围配位电场强度减弱，相对于刚玉而言其能级降低了，也就是说，电子从一个基态能级跃迁到另外一个能级，只需要吸收相对较少的能量就可以保证激发，这个能量对应的恰恰是红色光波段，即红光被大量吸收，从而残余的混合色就成了祖母绿的绿色。

你从哪里来

物以稀为贵。红宝石之所以价值不菲，最重要的原因还是由于它们十分稀有。红宝石的产地比较少，主要分布于缅甸、泰国、越南、印度、中国等地。红宝石有一个“亲姊妹”—— 蓝宝石，它们的物理性质、化学成分、晶体结构都一样，而且通常共生在一起。红宝石的颜色鲜红似火焰，易于辨认，但是蓝宝石不太好区分，因为并非所有的蓝宝石都是蓝色的。几个世纪以来，关于蓝宝石的定义一直存在分歧。目前，国际上统一的意见是：因含铬而呈现出红色者称为红宝石，除红宝石之外的其他所有色调的宝石级刚玉都被称为蓝宝石。所以，蓝宝石的颜色可以是蓝色、蓝绿、绿、黄、紫、黑、灰甚至无色。随着刚玉中铬的含量不断增加，蓝宝石中的粉色会逐渐加深，逐渐过渡为红色的红宝石。

红宝石主要来自砂矿，由各种原生红宝石经风化作用富集而成，主要成因都与火山活动有关。当富含氧化铝的岩浆侵入距火山口有一定距离的地壳浅部岩石，由于岩浆冷却速度快，便会形成很多裂隙和气孔，其中的易挥发物形成一些晶洞，然后在这些晶洞中就会形成结晶较好的刚玉晶体。原生刚玉晶体开采十分困难，通常情况下都是将砂矿淘洗后用手挑选。

随着现代科技的发展，红宝石已经可以人工制造，但人工制品不能用作宝石，只在工业上广泛使用。我国早在1958年即已正式生产人造红宝石，这种人造矿物硬度很高，常被用来制造钟表的轴承，或者制造激光发生器等。