第十节 宝石的特殊光学效应

三、变彩
(一) 定义
宝石的特殊结构对光的干涉、衍射作用产生颜色，且颜色随着光源或观察角度的变化而 变化，这种现象称为变彩。
(二) 变彩的原理
变彩是由于光的干涉、衍射作用而引起的。根据杨氏双缝实验可知，来自光源的光沿箭头方向入射时，在狭缝处形成一个点光源，以确保到达S1、S2两个狭缝的光的性质是完全相同的，当性质完全相同的光通过S1、S2二个狭缝(即杨氏双缝)后，S1、S2便构成一对相干光源，从S1、S2发出的光将在空间叠加。如果光源为单色光，两个子波源的光在某个方向上的波程差为半波长的偶数倍在空间相遇时便得到加强，在屏幕EE'上显示亮的条纹：当两个子波源的光在某个方向上的波程差为半波长的奇数倍在空间相遇时便相互消减，在屏幕EE'上显示暗的条纹。如果光源为白色复合光，衍射和干涉的结果是白光中的单色光的条纹将按波长依次排开，其中心为白光，最靠近白光的为紫色，依次为蓝色、绿色，最远处为红色，上下两侧对称分布。

杨氏试验是一个一维光栅的点间干涉，在宝石中经常遇到的则是二维空间的面干涉和三 维空间的干涉情况，相对来说比较复杂。
(三) 欧泊变彩的特点
欧泊是典型的具有变彩效应的宝石，其颜色及色斑变化特点归纳起来有以下几点。 1)一些灰白色的欧泊不出现色斑，仅显示蓝白色的乳光。 2)一些欧泊仅在灰白色基底上显示蓝、绿色色斑，即仅显示波长较短的颜色的色斑。 3)部分高档欧泊在白或黑色的基底上显示从紫到红的可见光光谱中的全部颜色的色斑。 4)色斑排列特点 同一块欧泊中不同颜色的色斑间杂分布，相邻色斑的颜色并不依可见 光光谱色序排列。即红色色斑可直接与绿色色斑相邻，或在灰蓝色的基底中分散着几块颜疤 近于相同的红色色斑。 5)色斑颜色特点 同一色斑中颜色并不十分均匀，在色斑的边缘可出现按光谱色色序排 列的相邻颜色。如红色色斑边缘可依次出现橙色、黄色、绿色色带。当转动欧泊或转动光源 时，同一色斑的颜色将依光谱色色序变化。如红色色斑在转动时，随着转动角度的加大，红 色色斑可依次向橙色、橙黄色方向变化。
(四) 欧泊的变彩与结构的关系
欧泊的化学成分是SiO22nH2O，在欧泊的结构中二氧化硅为近于等大的球体在三维空间作规则排列。通常，任意一个二氧化硅小球周围都有6个八面体空隙和8个四面体空隙。八面体空隙大小介于0.414～1倍小球直径之间。四面体空隙大小介于0.225～0.5倍小球直径之间。这样欧泊的结构便形成了最典型的天然三维光栅，在此，二氧化硅小球体及球间空隙分别相当于衍射单元和光栅常数。
欧泊的特殊结构决定了其变彩能力和变彩特点。小球的直径、球体间隙的距离及观察角度直接决定了欧泊中色斑的颜色。

从布拉格公式(n1入=2NdsinӨ)中得知，当光线垂直入射时，Ө为90^。，即sinӨ=1，当n1=1时，则有入=2n2d，已知n2=1.45，那么d=入/2.9。因白色可见光入处在700～400nm范围内，那么可产生衍射条件的间隙直径应在从d=700÷2.9=241nm到d=400÷2.9=138nm之间。若：①球体间隙距离在138～241nm之间时，可允许白光中所有波长的单色光通过，形成七彩欧泊；②球体间隙距离在138～204nm之间时，只允许紫至黄的五种光谱色的光通过，形成五彩欧泊；③球体间隙距离在138～176nm之间时，只允许紫至蓝绿的三种光谱色的光通过，形成三彩欧泊；④球体间隙距离在138～165nm之间时，只允许紫、蓝光通过，形成二彩或单彩欧泊。
研究表明，天然欧泊中二氧化硅小球体的堆积不是完全均一的。产生衍射的均匀堆积球体仅存在于大于lmm至小于lcm的小块区域内。每一个均一的小块区域构成了一个独立的三维衍射光栅，该小光栅对允许可见光通过的能力及衍射作用决定了与该光栅相对应的色斑大小及颜色特征。这从某个角度解释了欧泊中相邻色斑的颜色并不遵循可见光光谱色序排列的原因。每个色斑边缘出现相邻颜色色环的原因与转动欧泊时色斑颜色依可见光光 谱色序发生变化的原因是一样的，其根本原因在于观察角度发生了变化，随着欧泊的转动， 即观察角度的变化，人们看到的是该小光栅中衍射图谱中的另一个颜色，即与另一衍射角 g相对应的颜色。
四、变色效应
宝石矿物的颜色随入射光光谱能量分布或入射光波长的改变而改变的现象称为变色效应。
并不是所有的宝石都可产生变色效应，当宝石的可见光吸收谱满足某些条件时宝石才可能具有变色效应。以变石为例(变色机理详见第四章)，变石的化学式为BeAl2O4，致色杂质离子为Cr3+离子，Cr3+离子的外层d电子跃迁吸收的能量为2.17eV，介于红宝石(2.25eV)和祖母绿(2.04eV)之间，在可见光区域内，变石中红光和蓝绿光透过的几率近于相等。若利用日光灯去照射变石，则呈现蓝绿色；用白炽灯照射变石，则呈现红色。除变石外，蓝宝石和石榴石也可具变色效应。