给女朋友买宝石之前，记得先读这篇文章补补课
图片：starbright / CC0
宝石为什么有颜色？宝石中可能有哪些致色元素？
今天也是好天气（茶
前言
珠宝玉石因其美观、耐久、稀少的特性，古往今来受到人们的喜爱与追捧。其中，宝石五光十色的外观不仅赋予了宝石独特的美感，并因此被人们赋予了美好的寓意。
在现今的五大宝石中，除无色钻石之外，彩钻、红宝石、蓝宝石、祖母绿和金绿宝石均带有独特而鲜艳的颜色，并因此具备了极高的观赏价值和经济价值；同时，其颜色也成为宝石质量的评价指标之一。
按宝石学观点，宝石的颜色根据成因可以分为自色、他色和假色三种：自色即为宝石矿物本身形成的颜色，他色是指掺杂的色素离子使矿物整体产生的颜色，假色即为光学作用(衍射、干涉等等)所产生的颜色。
其中，上述颜色的致色原理可以大致分为致色元素、晶体缺陷和光学效应三种，但实际上的影响因素相互制约、错综复杂，实际颜色的成因可能是多种因素的相互作用。
致色元素
致色元素可以导致矿石产生对应的自色和他色。例如朱砂、孔雀石等即为 HgS、Cu(II)等所产生的自色，红宝石、蓝宝石等即为掺杂离子产生的他色。
（孔雀石也可以琢磨成宝石的！不要看不起铜锈！！！）
- 晶体场理论
过渡金属离子周围的配体可使其外层 d 轨道发生能级分裂。电子在吸收特定波长的可见光后，可以跃迁至激发态，然后在返回基态时释放对应能级差的光电子，显现出对应的互补色。
当然，部分电子构型全空和全满的离子此时无法有效跃迁，故往往无色，例如 Ca2+、K+ 等主族离子和 Zn2+ 等等。但其他元素的离子常有丰富多彩的颜色，且不同价态往往有不同的颜色。
如宝石中含有过渡金属如宝石中含有过渡金属离子，将会对宝石颜色产生重大影响。在轻过渡系元素中，晶体场的d-d跃迁使得离子显现出独特的颜色，而部分重过渡系元素的f-f跃迁同样可以使其显现出对应的颜色。常见的过渡金属离子为 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu，其次为 W、Mo、U 和稀土元素等(锆石等)，含有上述离子的矿物将会显现出丰富多彩的颜色。
例如，对于红宝石而言，刚玉(α-Al2O3)本身是无色的，但 Cr3+ 离子部分替代了 Al3+，同时用于 Al2O3 中晶格的限制，使 Cr3+ 的能级分裂程度与自由溶液中有所不同，因而显现了红色。与此同时，水溶液中的[Cr(H2O)6]3+ 离子为紫色(十二水合硫酸铬钾晶体的颜色)。
- 电荷转移跃迁
在矿物晶格中，相邻的离子在外来能量的激发下，可以发生电荷转移跃迁(荷移跃迁)，其本质相当于氧化还原过程。在跃迁过程中，电子同样会吸收特定波长的光，而使整体显示出特定的颜色。该过程可以在金属离子之间发生，也可以在金属离子与非金属离子之间进行。
常见的实例为蓝色蓝宝石中 Fe(II)-Ti(IV)的电荷转移跃迁，以及部分宝石中掺杂的 Mn(II)-Mn(III)所产生的电荷转移跃迁等。同样地，朱砂中 Hg(II)和 S(II)均为满壳层结构，但由于荷移跃迁的效应，使其颜色为深红色。
（对，蓝宝石的定义是非红色的宝石级刚玉，所以还可以有黄色蓝宝石、绿色蓝宝石、粉橙色蓝宝石……）
不过，d-d/f-f跃迁事实上也是部分禁阻的，其颜色浓度不会过高，而荷移跃迁没有选律等限制，因而其吸收峰极为明显，而往往会导致宝石颜色过深直至不透明，反而降低了品质。
- 分子轨道理论
对于部分有机宝石(珊瑚、琥珀等)而言，其颜色可能直接来自于小分子的吸收谱带，因而与分子轨道理论产生了一定程度上的联系。
分子轨道作为一种分子结构的成键理论，基于单电子近似和原子轨道线性组合原理(LCAO)，而形成的一套处理离域键的理论。
基于分子轨道的观点，我们可以得知：
- 离域范围越大，其总能量越低，体系降低的能量称为离域能；
- 吸收光谱随离域范围增大而逐步红移，可能导致出现颜色 / 颜色加深。
因而，在具有大共轭范围的分子，其吸收峰可能落入可见光范围内而显现出颜色。对于特定环境下形成的有机宝石，其分子中可能含有这样的分子，因而附带有特征颜色。
例如，多米尼加产的蓝色琥珀，在地质时期可能由于森林火灾导致的不完全氧化过程，使得部分有机物形成了高度不饱和的多环芳烃(蒽、苝、并四苯等)，其中苝(perylene)可能是蓝色荧光的主要来源。
在日光下，蓝琥珀受到紫外线的照射，将产生显著的蓝色荧光；而人造光源下或无紫外线条件时，蓝珀颜色与普通琥珀类似。
晶体缺陷
理想晶体完美地符合晶体生长的规律，但实际情况下的晶体很难完全符合理想状态，在生长过程中常常包含缺陷。其中，由于晶体缺陷形成的色心往往可以显现出颜色。
色心致色最常见的实例为萤石。如果在萤石晶格中的某位置缺少一个 F-，为保持电中性，在该空穴中将填充电子，而电子受到可见光激发跃迁，并吸收特定波长的光而显现出紫、蓝、红等颜色。
类似地，纯净的金刚石是无色透明的，而含 B、N 的金刚石则与同一周期的 Si 类似，可视为形式上的“p 型”和“n 型”，分别具有空穴色心和电子色心，而形成了蓝色和黄色的金刚石。其中含硼金刚石甚至具有了一定导电性，人造的硼掺杂金刚石可作为半导体材料。
光学效应
宝石的光学效应常常使其呈现特殊光学效果或假色。其中，常见的光学效应为反射、折射、衍射和散射等。
例如，光在拉长石中的显微包裹体与定向排列的聚片双晶间发生反射现象，形成其特有的乳光 / 晕彩效应。此外，部分金属宝玉石矿物由于表面氧化，可以在表面形成锖色，类似于油滴的干涉效应，但刮去表面后则呈现矿物本身颜色。
光学效应往往与元素组成无直接关联，在此不具体说明了，但是举一个有趣的例子：Opal/ 欧泊。
欧泊矿物由一定尺寸的 SiO2 微球构成，日光通过矿物时在微球构成的光栅，将发生衍射现象，呈现出特有的彩虹色。
而现今研究的光子晶体，其原理与天然的欧泊类似，具有特定周期性的结构，可用于实现对单个光子的操纵。
改色
既然了解了颜色形成的机理，那么对天然宝石的优化处理在逐步发展之中。根据改色的处理工艺，可大概分为热处理、辐照、充填和染色法。后两者暂且不表，原理较为简单。
- 热处理
通过在一定条件下加热宝石("烧")，改变致色离子的含量和价态，可以调整宝石颜色和透明度。例如山东蓝宝石的颜色往往较重，且透明度低，可通过调节氧化还原条件下进行加热，使得部分 Fe(III)还原成 Fe(II)，进而形成了荷移跃迁，改善蓝色调，并增大透明度。
类似地，红宝石、海蓝宝石、锆石等等也可利用该方法。
- 辐照法
通过人为辐射，高能粒子与宝石晶格相互作用，可形成和增加色心等缺陷，进而产生或改变颜色。部分色心不够稳定，经加热后平衡，其颜色将褪去。此外，部分宝石颜色的成因是天然辐射形成。
例如，无色钻石经辐照后形成色心，可带有黄色或绿色等颜色。
小结
宝石的颜色丰富多彩，在给人以美觉感受的同时，也使宝石本身具有更高的经济价值。宝石颜色的成因较为复杂，主要可分为物理因素(光学效应)和化学因素(元素 / 晶体缺陷)两大类。在实际情况下，这两类因素相互影响，相辅相成，共同构造出宝石绚烂的颜色。
最后，开始放图（
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Reference
教科书就略过了……
Intense Blue Diamond with Very High Boron Concentration | Gems & Gemology
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