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红宝石为什么那样红

2014-09-10马志飞

百科知识 2014年4期
关键词:刚玉红宝石蓝宝石

马志飞

001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。那里防卫森严,矿工辛苦劳作,通常每开采500吨矿石才能从中得到1克拉宝石。感慨于这种宝石的来之不易,这位摄影师将其称为“血钻”, 寓意为这里的每一粒宝石都是矿工用血汗甚至生命换来的。

纪录片中提到的宝石,就是珍贵的红宝石。

宝石之后

红宝石鲜红似火焰,其英文名称为Ruby,来源于拉丁文Ruber,原义是红色,象征着激情、热情和美好忠贞的爱情,被人们誉为“爱情之石”。 现在,西方国家还把结婚的第40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。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,德国矿物学家莫斯首先提出了一种表示矿物硬度的标准,即莫氏硬度,分别用1~10来表示以下10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,刚玉的硬度紧随其后,为9。也就是说,只有钻石才能在其表面刻画。也正因为如此,有人这样评价红宝石:如果说钻石是“宝石之王”,那么红宝石就是“宝石之后”。

在过去,有矿工误以为,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,但红宝石颜色越红,价值越高,倒是一点儿不假。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”宝石在瑞士日内瓦拍卖会上的成交价是227万美元/克拉。这是迄今为止拍卖单价最高的红宝石。

现代科学研究发现,红宝石并不像过去人们认为的那样,如同果实一般慢慢成熟、变红,而是由于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,主要为氧化铬,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,可使刚玉呈现出蓝色;含镍较多的刚玉为黄色;含锰较多的刚玉为玫瑰色。

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,大家并不陌生,因为我们日常使用的不锈钢菜刀、汽车零件等器物中都含 有这种物质,它号称是最硬的金属。其表面带有银色光泽,熔点高,质地坚硬,耐磨,耐高温,抗腐蚀;用它制作的不锈钢不仅强度高,而且耐热性大,还不易生锈,被广泛应用于冶金和化学工业中。

有意思的是,铬的英文名称源自希腊语,原来的意思是“颜色”,因为不少铬的化合物都具有不同的颜色,如三氧化二铬为深绿色,重铬酸钾为橙红色,重铬酸铵为橘黄色,铬酸钠为黄色……几乎每种铬的化合物都有自己特殊的颜色,铬就像变色龙一样,让化学物质的世界变得绚丽多彩。

铬元素为什么能将无色的刚玉变成鲜艳的红色呢?

在解释这一现象之前,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。当白色光照射到宝石上时,它吸收了一部分光,反射或透射另一部分光。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的颜色;那些被吸收掉的光的颜色已经不见了。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。严格来说,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。能否发生类质同象现象,不仅要取决于质点本身的性质,而且也取决于外部温度、压力等物理条件。

在刚玉这种矿物中,一旦外界环境条件适合,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+)。曾有学者对红宝石进行光谱分析,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),虽然对其他波段的颜色也有吸收,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。从理论上讲,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,电子会吸收光能量,其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,而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:宝石祖母绿具有鲜艳欲滴的绿色,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,也就是说,电子从一个能级跃迁到另外一个能级,只需要吸收相对较少的能量,这个能量对应的恰恰是红色光波段,即红光被大量吸收,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、印度及我国。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,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、蓝绿、绿、黄、紫、黑、灰色,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。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。

随着科技的发展,红宝石已经可以人工制造,但人工制品只在工业上广泛使用。这种人造矿物硬度很高,常被用来制造钟表的轴承或激光发生器等。

【责任编辑】赵 菲

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