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¿Por qué las piedras preciosas tienen varios colores?
Secretos de la formación de los colores y métodos de medición
Los colores de las piedras preciosas son ricos y variados, y poseen un encanto único que siempre ha gustado a la gente. La calidad de las piedras preciosas depende en gran medida de su color. El color de una gema es un indicador importante en la evaluación de las piedras preciosas, y la mayoría de los tratamientos de optimización para las piedras preciosas implican cambiar o mejorar su color. Por lo tanto, comprender las causas de la coloración de las piedras preciosas es un requisito previo crucial para su tratamiento de optimización. Sólo dominando cómo adquieren su color las piedras preciosas se puede determinar si una piedra preciosa puede ser optimizada, qué esquema de optimización adoptar y qué plan experimental establecer. Existen cinco teorías comunes sobre la coloración de las piedras preciosas: la teoría de la mineralogía clásica, la teoría del campo cristalino, la teoría de los orbitales moleculares, la teoría de las bandas de energía y los efectos ópticos físicos. Estas teorías constituyen las teorías de coloración de las piedras preciosas naturales comunes, y lo que sigue es una breve introducción a estas cinco teorías de coloración.
Diagrama esquemático de los tres elementos del color
Índice
Sección I Color y medición del color de las piedras preciosas
Los colores de las piedras preciosas son ricos y variados, y determinar los tipos de colores de las piedras preciosas es crucial para evaluar su valor. Los diferentes grados de color también afectan al valor de las piedras preciosas; por lo tanto, evaluar con precisión los colores de varias piedras preciosas es un requisito previo fundamental para determinar su valor. Al evaluar las piedras preciosas de color, el color es el factor más importante. En general, cuanto más atractivo sea el color de una gema, mayor será su valor. Los colores brillantes, ricos e intensos suelen ser más atractivos que los demasiado oscuros o claros. Por supuesto, hay excepciones, como los diamantes, en los que cuanto mayor sea la blancura del color del diamante, mayor será su valor.
1. El significado de los colores de las piedras preciosas
Desde la antigüedad, la gente ha amado las piedras preciosas por su encanto único, especialmente los tonos ricos y coloridos de las piedras preciosas, como el rubí rojo sangre de paloma, la esmeralda verde vivo, y el jade, todos los cuales dejan una impresión duradera. El color es un indicador importante para evaluar la calidad de las piedras preciosas y desempeña un papel crucial en la determinación de su calidad, cuya importancia se refleja principalmente en los tres aspectos siguientes.
(1) El color de los minerales de las piedras preciosas es una base importante para evaluarlas.
El color de una piedra preciosa es fundamental para su evaluación y determina su valor. Por ejemplo, en los diamantes, una diferencia de un grado en el color puede suponer una diferencia de precio de aproximadamente 5%. Cuanto mayor es la blancura, mayor es el grado del diamante; por el contrario, los diamantes con tonos amarillos o marrones tienen grados inferiores, y sus precios caen en picado. Los precios de los diamantes de color varían, y diferentes diamantes de color tienen diferentes precios. Sin embargo, en general, los precios de los diamantes de colores raros pueden multiplicarse. Otras piedras preciosas de color, como rubíes, zafiros y esmeraldas, también se clasifican en diferentes grados en función del color, y el valor de las piedras preciosas en diferentes grados puede variar significativamente.
(2) El tratamiento de optimización de las piedras preciosas suele consistir en mejorar su color
Los métodos de tratamiento de optimización de las piedras preciosas suelen implicar el cambio o la mejora del color de las piedras preciosas, por lo que la mejora de las piedras preciosas también puede denominarse alteración del color de las piedras preciosas. A medida que mejora el color de la piedra preciosa, la transparencia también cambia en consecuencia. Esto se debe a que la transparencia es una propiedad relacionada con el color. Por ejemplo, los zafiros azules parecen tener muchos colores negros opacos a simple vista, pero el azul transparente puede verse cuando se cortan en finas láminas. La mejora de la transparencia suele acompañar a la mejora del color. Por lo tanto, sólo determinando la causa del color de la piedra preciosa se pueden averiguar los métodos para mejorarla. Comprender la causa del color es un requisito previo para estudiar los tratamientos de optimización de las piedras preciosas.
(3) El estudio de las causas del color de las piedras preciosas proporciona una base teórica para las piedras preciosas sintéticas y la mejora de las piedras preciosas.
Los colores de piedras preciosas como el granate, la malaquita y el olivino se deben a sus componentes inherentes, y estas piedras preciosas no pueden tener sus colores cambiados utilizando métodos convencionales de tratamiento de optimización. La mayoría de los colores de las piedras preciosas se deben a impurezas causadas por iones de impureza, como en los rubíes, zafiros, esmeraldas, jade y ágata. Basándose en las causas del color de las piedras preciosas, durante la mejora, el contenido y el estado de valencia de ciertos iones de impureza causantes del color pueden alterarse para cambiar o mejorar el color de la piedra preciosa, aumentando así la calidad de la piedra preciosa mejorada. Por lo tanto, el estudio de las causas del color de las piedras preciosas es la base teórica para mejorarlas.
2. La física del color
(1) Color y ondas luminosas
Los fotones transportan la energía de la luz y, cuando llegan al ojo humano, crean la sensación de color. El color es la percepción de la luz por los ojos y el sistema nervioso; la respuesta generada por las señales formadas en la retina del ojo estimula la corteza cerebral. La formación de la percepción del color tiene tres componentes principales: la fuente de luz, el objeto y el ojo humano. La modificación de uno o varios de estos tres alterará la percepción del color. Las gemas interactúan con la luz y fenómenos como la reflexión, la refracción, la transmisión, la interferencia y la difracción que se producen en la superficie de la gema dan lugar a diferentes colores.
El rango de energía del espectro de radiación electromagnética es bastante amplio, desde los fotones de ondas de radio muy largas hasta los fotones de rayos muy cortos, con una energía que oscila entre menos de la milmillonésima parte de un electrón voltio y más de cien millones de electrones voltios.
La luz visible que el ojo humano puede aceptar y percibir es una parte muy pequeña del espectro electromagnético, con un rango de longitud de onda de 400-700nm y una energía de unos 1,7-3,1eV. Si las condiciones de observación son suficientemente buenas, el rango puede ampliarse hasta 380-760nm (Figura 3-1). La luz visible incluye los colores que vemos, a saber, rojo, naranja, amarillo, verde, cian, azul, púrpura y otros varios. Las distintas longitudes de onda de la luz visible producen colores diferentes; el color de la luz visible con la longitud de onda más larga y la energía más baja es el rojo, con un rango de longitud de onda de 647-760nm; la luz visible con la longitud de onda más corta y la energía más alta es el púrpura, con un rango de longitud de onda de 400-425nm. Otros colores de luz visible se sitúan entre 425 y 647 nm. Las longitudes de onda de varios colores de luz visible y sus colores complementarios se muestran en la Tabla 3-1.
Tabla 3-1 Longitudes de onda de los distintos colores de la luz visible y sus colores complementarios
| Longitud de onda/nm | Color espectral | Complemento |
|---|---|---|
| 400 ~ 425 | Morado | Amarillo-verde |
| 425 ~ 455 | Azul | Amarillo |
| 455 ~ 490 | Verde-azul | Naranja |
| 490 ~ 500 | Azul-verde | Rojo |
| 500 ~ 560 | Verde | Magenta |
| 560 ~ 580 | Amarillo-verde | Morado |
| 580 ~ 595 | Amarillo | Azul |
| 595 ~ 647 | Naranja | Verde-azul (cian) |
| 647 ~ 760 | Rojo | Verde |
La esencia del color de un objeto es el resultado de la absorción selectiva por parte del objeto de diferentes longitudes de onda de luz visible. La esencia de la absorción selectiva de diferentes longitudes de onda de luz visible de un objeto es la absorción de fotones de luz visible con diferentes energías. Cuando la luz natural incide sobre una piedra preciosa, ésta absorbe parte de la luz y también transmite parte de ella. El color que presenta la piedra preciosa es el color complementario de la luz absorbida, coherente con el color de la luz transmitida (Figura 3-2). Por ejemplo, en el caso del rubí, cuando la luz blanca atraviesa el rubí, los iones de cromo contenidos en el rubí ganan energía absorbiendo todos los fotones violetas y verdes, así como la mayoría de los fotones azules, mientras que los fotones de otros colores, predominantemente rojos, atraviesan el rubí, haciendo que la gema aparezca de color rojo.
Una sola longitud de onda de luz no produce el color que forma un objeto; más bien, la radiación del objeto es una mezcla de fotones con diferentes energías, donde la banda de energía con mayor proporción determina el color del objeto. Una mezcla uniforme de varios colores de luz forma la luz blanca. La generación de los colores de las piedras preciosas es el resultado de la absorción selectiva de fotones de diferentes longitudes de onda de la luz visible. Cuando la luz blanca atraviesa una piedra preciosa, la luz absorbida y transmitida por la piedra es una mezcla, y el color que presenta la piedra depende del que tenga la mayor proporción de la luz transmitida. Por ejemplo, en el caso de un rubí, cuando la luz blanca incide sobre él, la luz que lo atraviesa es predominantemente roja con una pequeña cantidad de púrpura azulado. Por lo tanto, los rubíes a menudo aparecen rojos con un tinte azulado-púrpura.
(2) Tipos y propiedades de las fuentes luminosas
El color de las piedras preciosas tiene cierta subjetividad, que está relacionada con el entorno del observador y está más influenciada por la fuente de luz. Observar el color de las gemas bajo distintas fuentes de luz puede mostrar diferencias; por ejemplo, una alejandrita parece verde a la luz del sol, pero roja bajo luz incandescente. Por lo general, se considera que el color que se ve bajo la luz solar natural es el estándar, comúnmente denominado luz blanca.
Las primeras operaciones de los mercados de piedras preciosas se realizaban a horas específicas para obtener un color relativamente exacto de las gemas. Por ejemplo, las tiendas de piedras preciosas de Ratnapura (Sri Lanka) han funcionado durante muchos años de 10 de la mañana a 12 de la noche, ya que la fuente de luz durante este horario es la más parecida a la luz blanca. La luz solar y la luz diurna no son fuentes de luz isótropas, y las diferencias relativas en las cantidades relativas de radiación en diferentes longitudes de onda entre distintas fuentes de luz pueden ser muy grandes debido a las diferentes condiciones de observación. La Figura 3-3 muestra las curvas de distribución de energía de cinco fuentes de luz comunes, y las diferencias de energía entre estas fuentes de luz son muy grandes.
S - Luz solar directa; O - Iluminación de la luz del cielo cubierto en el plano horizontal; T - Iluminación de la luz solar y del cielo despejado en el plano horizontal; N - Luz del cielo despejado del norte; Z - Luz cenital;
Las características cromáticas de la luz solar directa suelen expresarse en términos de temperatura de color (medida en K). La misma temperatura de color indica colores similares de las fuentes de luz. Las temperaturas de color de la luz diurna reconocidas actualmente son D6500K, D5500K y D7500K. Hay tres lámparas designadas internacionalmente como fuentes de luz estándar para los trabajos de medición del color. SA representa la iluminación artificial media de una lámpara incandescente de tungsteno, con una temperatura de color de 2854K；SB representa la luz solar media, con una temperatura de color de 4900K; SC representa la luz diurna media, con una temperatura de color de 6700K. En las pruebas de gemas, la fuente de luz Sc se utiliza como fuente de luz estándar.
(3) Sensibilidad a los efectos de luz y color
La observación de los colores de las gemas es subjetiva; además de las condiciones objetivas, el color de la gema también está relacionado con la percepción sensorial del observador. Bajo la misma fuente de luz, los ojos humanos tienen distinta sensibilidad a los diferentes colores, y las personas tienen distinta sensibilidad a los colores. La observación del color es subjetiva; para lograr la mayor objetividad posible, los colores deben caracterizarse y expresarse de forma relativamente objetiva.
① Efecto fotorreceptor:
En condiciones normales, la gama de longitudes de onda de las fuentes de luz visible que el ojo humano puede observar es de 400-700nm. El rango de sensibilidad puede ampliarse mejorando las condiciones de observación hasta 380-780nm. El ojo humano tiene diferentes sensibilidades a las ondas luminosas de diferentes longitudes de onda. Para la visión diurna, el ojo es más sensible a la luz verde con una longitud de onda de 555nm, mientras que la longitud de onda más sensible para la visión crepuscular se desplaza a 507nm. Los semáforos de las carreteras se diseñan en función de los colores a los que es más sensible el ojo humano.
② Sensación de color:
El color es la sensación causada por los diferentes componentes espectrales de la energía de radiación dentro de la gama de la luz visible. La visión de una persona normal puede distinguir más de 150 matices de colores espectrales puros. Aunque existe una correspondencia uno a uno entre las ondas luminosas y los colores, la correspondencia entre los colores y las ondas luminosas no es singular; a menudo, un color de luz puede formarse por la combinación de otros dos o más colores de luz. Los tres colores básicos independientes son el rojo, el verde y el azul, conocidos como colores primarios. Otros colores se forman mezclando dos o más colores primarios en diferentes proporciones, y el ojo humano es muy sensible a los colores, capaz de distinguir muchos colores diferentes.
3. Tres elementos que representan el color
El color es el resultado de la absorción selectiva de la luz por las piedras preciosas, y cada una de ellas presenta un color diferente. La teoría actual del color sugiere que las características del color dependen del brillo, el tono y la saturación (Figura 3-4). Los tipos de colores de las piedras preciosas pueden determinarse describiendo los tres elementos de los diferentes colores.
(1) Luminosidad
El brillo es el grado de luminosidad causado por la luz que actúa sobre el ojo humano, referido al grado de colores claros y oscuros, y también puede denominarse luminancia. El brillo depende en gran medida de la percepción que tiene el ojo de los niveles de luz y oscuridad de la fuente luminosa y de la superficie del objeto, determinada principalmente por la intensidad de la luz. El brillo depende del nivel de iluminación del objeto y de la reflectividad de su superficie.
La luminosidad puede entenderse como el brillo de un color; diferentes colores tienen diferentes niveles de brillo, y cualquier color exhibe variaciones en claro y oscuro. La luminosidad tiene dos características: un mismo objeto puede mostrar cambios de luminosidad debido a una iluminación diferente, y luces de colores diferentes de la misma intensidad también pueden tener niveles de luminosidad diferentes.
En ausencia de color, el color con mayor brillo es el blanco, y el color con menor brillo es el negro, con una escala de grises entre claro y oscuro. En el color, cualquier grado de pureza tiene sus características de luminosidad. Por ejemplo, el amarillo tiene el brillo más alto, mientras que el morado tiene el más bajo. El verde, el rojo, el azul y el naranja tienen niveles de brillo similares, lo que representa un brillo medio. Además, dentro del mismo tono, hay variaciones de brillo de claro a oscuro, como el verde claro, el verde pálido y el verde esmeralda en el espectro verde.
(2) Tono
El matiz se refiere a las diferencias entre distintos colores y es la característica más destacada del color. El matiz viene determinado por los componentes espectrales de la luz que atraviesa un objeto y llega al ojo humano tras incidir sobre él, en función de la longitud de onda de la luz transmitida. El tono de un objeto viene determinado por el espectro de la fuente de luz incidente y la luz reflejada o transmitida por el propio objeto.
El llamado matiz se refiere al nombre que puede representar con mayor precisión una determinada categoría de color, como rojo rosa, amarillo anaranjado, amarillo limón, azul cobalto, rojo púrpura, verde esmeralda, etc. Desde el punto de vista de la óptica física, las distintas tonalidades vienen determinadas por los componentes espectrales de la luz que entra en el ojo humano. Para la luz monocromática, los tipos de tonalidad dependen completamente de la longitud de onda de esa luz; para la luz de color mixto, depende de las cantidades relativas de varias longitudes de onda de luz. El color de un objeto viene determinado por los componentes espectrales de la fuente de luz y las características de la luz reflejada (o transmitida) por la superficie del objeto. Está relacionado con la longitud de onda de la luz. Por ejemplo, un color con una longitud de onda dominante de 470 nm se denomina azul de 470 nm de longitud de onda, comúnmente visto como el azul de los zafiros.
(3) Saturación
La saturación de un color se refiere a la pureza y viveza del color, indicando la proporción de componentes cromáticos contenidos en el color. Cuanto mayor es la proporción de componentes cromáticos, mayor es la pureza del color; cuanto menor es la proporción de componentes cromáticos, menor es la pureza del color. La saturación cambia cuando un color se mezcla con negro, blanco u otros colores. Cuando la proporción del color mezclado alcanza un nivel significativo, el color original perderá su brillo original para el ojo, y el color visto se convertirá en el del color mezclado. Por supuesto, esto no significa que el color original ya no exista, sino que el color original ha sido asimilado debido a los muchos otros colores mezclados, haciéndolo imperceptible para el ojo humano.
Las luces monocromáticas del espectro visible tienen la mayor saturación y son las más vivas. La luz monocromática suele considerarse como 100/100 = 1, y a medida que el color se desvanece, el valor disminuye gradualmente, teniendo el blanco puro una saturación cero. Tomando como ejemplo la tinta azul pura, la saturación de la tinta azul pura es 1, y a medida que se diluye gradualmente hasta volverse completamente incolora, la saturación pasa a ser cero.
4. Medición del color de las piedras preciosas
El sistema que representa cuantitativamente el color se denomina sistema de color. Hay dos tipos de sistemas de color que se utilizan habitualmente: uno es un sistema de color basado en muestras de color estándar para comparar, y el otro es un conjunto de sistemas de color estándar medidos con instrumentos modernos de medición del color.
(1) Sistema de color de las muestras de color estándar
Este sistema de color consiste en varias "cartas de color" de papel que son muestras de color estándar recopiladas en un libro. Se comparan con muestras de piedras preciosas para seleccionar la "carta de colores" que coincide con el color de la piedra preciosa.
① Sistema de color Munsell
El sistema de colores Munsell es uno de los primeros y más clásicos sistemas de representación del color. Aún hoy lo utilizan algunas organizaciones. Fue establecido en 1905 por el educador y teórico del color estadounidense Albert Munsell, que recibió su nombre directamente de él. Es una forma de representar los colores a través de un modelo color-sólido. El "Munsell Color Atlas", publicado por la Optical Society of America (OSA), incluye versiones brillantes y mates.
La versión brillante incluye 1.450 muestras de color, acompañadas de un conjunto de 37 muestras acromáticas; la versión mate incluye 1.150 muestras de color y 32 muestras acromáticas.
En el Atlas Munsell, cada color está representado por un conjunto de símbolos. Los símbolos proporcionan indicadores equidistantes para los tres elementos de la representación del color: matiz, valor y croma, representados como HV/C = valor de matiz/croma.
Los tonos se dividen en cinco tonos primarios: rojo (R), amarillo-rojo (YR), amarillo (Y), verde-amarillo (GY), verde (G), azul-verde (BG), azul (B), púrpura-azul (PB), púrpura (P) y rojo-morado (RP), junto con cinco tonos intermedios. Cada tono se divide a su vez en diez niveles (de 1 a 10), siendo el quinto nivel el color intermedio de ese tono (Figura 3-5).
El valor se divide en 11 niveles, en los que los valores más altos indican mayor luminosidad; el valor mínimo es 0 (negro) y el máximo 10 (blanco). El croma se divide en 12 niveles. Todo el atlas de color incluye 40 tipos de muestras de tonos. Por ejemplo, 5GY 8/7 representa un amarillo-verde con un valor de 8 y una saturación de 7. La convención de nomenclatura para las series no cromáticas (negro, blanco, gris) es NV/= valor de luminosidad neutro; por ejemplo, un color etiquetado N5/ indica un gris con un valor de luminosidad de 5.
② Sistema de color DIN 6164
El manual DIN 6164 de Alemania también es un sistema de color importante. Muchos gemólogos de Europa y el Reino Unido utilizan este sistema. Este sistema de color se desarrolló basándose en el sistema Munsell.
La carta de colores DIN 6164 tiene 24 colores, con el reverso de cada color marcado con la notación de color Munsell correspondiente. La representación tiene el formato de tono: saturación: luminosidad. Por ejemplo, 6:6:2 representa el tono 6 (rojo), la saturación 6 (vivo) y la luminosidad 2 (claro) de la carta de colores estándar.
Sistema de color ISCC-NBS
El ISCC (Inter-Society Colour Council) se creó en 1931 como asociación nacional del color en Estados Unidos, y su sistema de color tiene como objetivo desarrollar un sistema de nomenclatura del color. Recoge 18 tonalidades en las mismas posiciones de tono y luminosidad en Munsell y DIN 6164.
El ISCC-NBS (National Bureau of Standards) tiene muy pocas muestras de colores del sistema American National Standard, pero ha recogido algunas muestras poco comunes. Estructuralmente, también difiere del sistema Munsell, ya que los colores no están ordenados según métricas perceptivas equidistantes. La contribución más importante del sistema ISCC-NBS a la ciencia del color es que define los nombres de los colores.
④ Estándar de color OSA
La OSA (Optical Society of America) ha preparado un práctico juego de cartas de colores de brillo acrílico, que incluye 558 colores, de los cuales 424 conforman un conjunto conocido como estándar de color OSA. El inconveniente del estándar de color de la OSA es que las cartas de color están hechas de papel o plástico, cuya textura difiere de la de las piedras preciosas, y el brillo de la superficie de las cartas de color difiere de la luz reflejada por las piedras preciosas facetadas, lo que requiere un uso cuidadoso. Debido a la decoloración, la mayoría de las cartas de colores tienen un tiempo de uso de 4 a 5 años.
(2) Coordenadas cromáticas y diagrama cromático
① Sistema de espacio de color CIE-XYZ de 1931
Este sistema de espacio de color se basa en el sistema RGB y utiliza métodos matemáticos para seleccionar tres colores primarios ideales que sustituyen a los colores primarios reales. Utilizando colores primarios virtuales como ejes, proyecta diferentes longitudes de onda de luz visible. Los valores de los colores primarios se denominan valores triestímulos. Este sistema requiere que los valores triestímulos no sean negativos y que y sea igual al flujo luminoso. Utilizando la x como eje horizontal y la y como eje vertical, forma coordenadas cromáticas, proyectando los valores de las coordenadas cromáticas de cada luz monocromática para obtener el diagrama cromático. La figura 3-6 es el diagrama cromático estándar del sistema (XYZ) establecido internacionalmente en 1931.
El diagrama cromático tiene las siguientes características:
- Los valores triestímulos de los colores primarios de este sistema son virtuales.
- Todos los puntos que representan colores espectrales caen sobre la curva en forma de lengua denominada color espectral. Conectando los extremos de la curva con líneas rectas, todos los colores reales están contenidos dentro del área rodeada por la curva en forma de lengua y las líneas rectas.
- El valor de coordenadas del punto E en x=0,333, y=0,333 representa el blanco teórico. Las distintas fuentes de luz blanca tienen componentes espectrales ligeramente diferentes. La luz blanca utilizada habitualmente se divide en SA, SB, SC, SEetc.
- Las coordenadas cromáticas de los colores tienen mayor saturación cuanto más cerca están de la trayectoria espectral del color. Los puntos de la trayectoria espectral del color tienen la saturación más alta; el punto blanco tiene la saturación más baja. Una línea trazada desde el punto blanco hasta las coordenadas cromáticas de un color, extendida para intersecar la trayectoria espectral del color, tiene puntos a lo largo de esta línea que comparten el mismo tono.
- Se puede utilizar un método gráfico para obtener el color compuesto de dos colores cualesquiera. Introduciendo las coordenadas cromáticas de los dos colores en el diagrama cromático, el color compuesto debe encontrarse en la línea que une los dos puntos de coordenadas cromáticas. La distancia proyectada a los dos puntos de color está relacionada con la intensidad de los dos colores, determinada por la ley de distribución del centroide.
- Los puntos de la línea recta entre los extremos de la curva de color espectral no representan colores espectrales, sino varios colores mezclados que se obtienen mezclando púrpura a 380 nm y rojo a 780 nm en diferentes proporciones.
- Seleccione tres puntos cualesquiera dentro de la trayectoria del color del espectro para crear un color. Por ejemplo, si selecciona R1, G1, B1 como los tres colores para el emparejamiento, entonces todos los diversos colores formados por estas tres tonalidades están contenidos dentro del triángulo con vértices en los tres puntos R1, G1, B1.
② Representación de la longitud de onda dominante y de la saturación.
En el diagrama cromático, los colores pueden representarse no sólo mediante coordenadas cromáticas (x, y). Otro método propuesto por Helmholtz consiste en representarlos mediante la longitud de onda dominante λd y saturación (pureza del estímulo) Pe. λd y Pe son valores específicos derivados de las coordenadas cromáticas del diagrama (Figura 3-7). La longitud de onda dominante representa aproximadamente la sensación de color percibida por el ojo humano.
Sea c(x, y) la posición de este punto en el diagrama cromático. Conecte el punto c con el blanco E y extiéndalo para intersecar la trayectoria del espectro en λd . Entonces, el número de longitud de onda del punto λd en la trayectoria del espectro es la longitud de onda dominante de esta luz de color.
El punto C está situado en la recta que une los puntos W y λd que representa la saturación de este color. El punto W es el blanco puro (E) o una fuente de luz blanca específica. Cuando las coordenadas cromáticas de un determinado color se desplazan gradualmente a lo largo de una dirección hacia la trayectoria espectral desde el punto blanco W, la saturación del color aumenta gradualmente hasta que alcanza la trayectoria espectral, con una saturación máxima de 1.
Los colores se representan mediante la longitud de onda dominante y la saturación, lo que facilita la comparación de las diferencias de color. Las ligeras diferencias de color, representadas por los cambios numéricos en λd y ρese puede visualizar.
Para dos colores, C1, C2En la Tabla 3-2 se muestran las coordenadas cromáticas, la longitud de onda dominante y la saturación bajo la misma iluminación. Puede observarse que la longitud de onda dominante del color C1, C2 difiere en 0,052nm, y la saturación difiere en 7%.
Tabla 3-2 Comparación de los datos de color entre C1 y C2
| Punto de proyección de color | X | y | λd | ρe |
|---|---|---|---|---|
| C1 | 0.368 | 0.416 | 0.592 | 0.35 |
| C2 | 0.392 | 0.355 | 0.540 | 0.28 |
5. Instrumentos para medir el color de las piedras preciosas
(1) Espectrofotómetro
Principio de funcionamiento: Dado que se conoce la distribución de energía espectral de la fuente de luz estándar dentro del instrumento, los valores triestímulos de un objeto pueden obtenerse midiendo su reflectancia espectral.
(2) Colorímetro de valor triestímulo
Es un instrumento fotoeléctrico integrador que mide directamente los tres valores de estímulo del color de un objeto. Simula principalmente las tres respuestas del observador estándar al color mediante una combinación adecuada de filtros y convertidores fotoeléctricos.
En la actualidad, la valoración del color de las piedras preciosas se basa principalmente en la observación del ojo humano. Por ejemplo, las esmeraldas, los rubíes y los diamantes se ven afectados por factores ambientales, lo que reduce la precisión de las mediciones instrumentales.
Sección II Orígenes teóricos del color mineral de las piedras preciosas
Los minerales gema se presentan en varios colores, pero las razones de su coloración también difieren. Según la teoría clásica de la mineralogía, los orígenes del color de las piedras preciosas minerales pueden clasificarse en color idiocromático, color alocromático y pseudocolor.
1. Clasificación de la mineralogía clásica Teoría del origen del color
La teoría clásica de la mineralogía es la teoría más fundamental para estudiar los colores de los minerales gema. Según si el color del mineral se debe al propio mineral, puede dividirse en tres categorías: idiocromático, alocromático y pseudocromático.
(1) De color idiocromático
El color de una gema está formado por los componentes químicos inherentes al mineral que la compone, conocidos como idiocromáticos. Estas gemas se denominan gemas idiocromáticas. Sus componentes inherentes causan el color producido por las gemas de color idiocromático; por lo tanto, tienen una buena estabilidad de color y no se alteran fácilmente. Por ejemplo, la composición química de la turquesa esCuAl6(PO4)4(OH)8-5H2O, y el azul o verde azulado que presenta está causado por el Cu2+la composición química de la azurita es 2CuCO3 - Cu(OH)2y Cu2+ también causa su color azul"; el verde del olivino se produce por los iones de hierro en su composición química (Figura 3-8).
No hay muchos tipos de gemas autocoloreadas en los minerales gema naturales, siendo las principales variedades la turquesa, la malaquita, la azurita, el olivino, el granate y la rodocrosita. Los colores más comunes, los elementos colorantes y las composiciones químicas de las gemas autocoloreadas se muestran en la Tabla 3-3.
Tabla 3-3 Elementos colorantes comunes, composición química y colores de las piedras preciosas de color
| Elementos para colorear | Nombre de la gema | Composición química | Color |
|---|---|---|---|
| Hierro | Olivino | (Mg, Fe)2 (SiO4) | Verde |
| Almandine | Fe3Al2 (SiO4)3 | Rojo | |
| Cromo | Uvarovita | Ca3Cr2 (SiO4)3 | Verde |
| Cuprum | Malaquita | Cu2Co3(OH)2 | Verde |
| Crisocola | (CuAl)2H2Si2O5(OH)4 - nH2O | Verde - Azul | |
| Turquesa | CUAl6(PO4)4(OH)8.5H2O | Azul cielo - Verde | |
| Azurita | 2CuCO3 - Cu(OH)2 | Azul | |
| Manganeso | Spessartine-Garnet | Mn3Al2(SiO4)3 | Naranja |
| Rodocrosita | MnCO3 | Rosa - Rojo | |
| Rodonita | (Mn, Ca, Fe) - 5(Si5O15) | Rosa - Rojo |
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Algunas piedras preciosas de color pueden cambiar de color en determinadas condiciones. Por ejemplo, la turquesa y la malaquita pueden cambiar de color cuando se exponen a altas temperaturas debido a la evaporación de moléculas de agua en su composición; la rodocrosita, una piedra preciosa carbonatada, puede descomponerse cuando se encuentra con ácidos (como el ácido clorhídrico o el ácido sulfúrico), y su color también cambiará en consecuencia.
(2) Alocromático-colored
El color de una gema se debe a trazas o impurezas menores ajenas a la composición química inherente de los minerales que la componen, lo que se conoce como color alocromático. Estas gemas se denominan gemas de color alocromático.
En los minerales de las piedras preciosas, hay muchas variedades de piedras preciosas con diferentes colores. Cuando no hay impurezas en la composición química de la piedra preciosa, es incolora y transparente; cuando contiene diferentes impurezas de elementos colorantes, puede producir diferentes colores.
Cuando el corindón puro es incoloro, se convierte en rubí cuando contiene una pequeña cantidad de iones de cromo; cuando contiene una pequeña cantidad de hierro y titanio, se convierte en gemas azules o verdes. Otras piedras preciosas similares son la esmeralda, la espinela, la turmalina, la jadeíta, la calcedonia, la nefrita, etc. Los elementos colorantes comunes, las composiciones químicas y las gemas de color alocromático se muestran en la Tabla 3-4.
Tabla 3-4 Elementos colorantes comunes, composición química y gemas de color alocromático
| Elementos para colorear | Nombre de la gema | Composición química | Color |
|---|---|---|---|
| Cromo | Ruby | Al2O3 | Rojo |
| Esmeralda | Sea3Al2(Si6O18) | Verde | |
| Alejandrita | BeAl2O4 | Rojo-Verde | |
| Espinela | MgAl2O4 | Rojo | |
| Calcedonia | SiO2 | Verde | |
| Hierro | Aguamarina | Sea3Al2Si6O18 | Azul |
| Turmalina | (Na, K, Ca) (Al, Fe3+Cr)6(BO3)3Si6O18(OH)4 | Verde-marrón | |
| Espinela | MgAl2O4 | Amarillo | |
| Nefrita | Ca2(Mg, Fe2+) 5 (Si4O11) 2 (OH)2 | Verde | |
| Vanadio | Tanzanita | Ca2Al3(SiO4)3(OH) | Morado-azul |
| Berilo verde | Sea3Al2Si6O18 | Verde | |
| Titanio | Benitoita | BaTiSi3O9 | Azul |
| Zafiro | Al2O3 | Azul | |
| Manganeso | Berilo rojo | Sea3Al2Si6O18 | Rojo |
| Rodocrosita | MnCO3 | Rosa | |
| Cobalto | Espinela natural | MgAl2O4 | Azul |
| Espinela sintética | MgAl2O4 | Azul | |
| Níquel | Calcedonia verde | SiO2 | Verde |
(3) Pseudo-colored
Los colores producidos por los pseudocolores no están relacionados con la composición química de los minerales de las piedras preciosas. Sin embargo, están causados por cambios estructurales y de composición resultantes de mezclas mecánicas o de la formación de minerales. Los pseudocolores no son los colores de los propios minerales, sino colores causados por estructuras especiales formadas por influencias externas. Por ejemplo, los bellos colores de interferencia producidos por la interferencia de luz reflejada e incidente, como el efecto de fluorescencia de la labradorita y el efecto de juego de colores del ópalo. La coloración causada por las inclusiones también entra dentro de los pseudocolores, como los diamantes negros, debido a las numerosas inclusiones de grafito negro opaco dentro del diamante.
2. Iones causantes del color en los minerales preciosos
Los elementos químicos que producen los colores de las gemas pueden ser componentes principales o secundarios. Los elementos metálicos de transición, especialmente los metales de transición del 4º periodo titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel y cobre, suelen denominarse cromóforos o iones colorantes. Estos ocho elementos ocupan posiciones consecutivas en la tabla periódica, con números atómicos que van del 22(Ti) al 29(Cu). Las propiedades básicas de estos elementos se muestran en la Tabla 3-5.
Tabla 3-5 Propiedades básicas de ocho elementos de transición
| Nombre del elemento | Titanio | Vanadio | Cromo | Manganeso | Hierro | Cobalto | Níquel | Cobre |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Símbolo del elemento | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu |
| Número atómico | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 |
| Principales estados de oxidación | +2, +3, +4 | +2, +3, +4, +5 | +2, +3, +6 | +2, +3, +4, +6 | +2, +3, +6 | +2, +3 | +2, +3 | +1, +2 |
| Configuración de electrones de valencia | 3d24s2 | 3d34s2 | 3d54s1 | 3d54s2 | 3d64s2 | 3d74s2 | 3d84s2 | 3d104s1 |
Estos ocho elementos metálicos de transición presentan las siguientes características:
① Los electrones de valencia se llenan en los orbitales d de la penúltima cáscara en secuencia, y la fórmula general para la configuración de los electrones de valencia de los átomos de los elementos de transición es (n-1)d1-10nS1-2por lo que estos elementos también se denominan elementos de bloque d.
② En los metales de transición, como los orbitales d de la penúltima capa están conectados a los orbitales s más externos, y los orbitales d aún no han alcanzado una estructura estable, tanto los electrones s como los electrones d pueden participar en el enlace parcial o totalmente, lo que da lugar a una serie de estados de oxidación variables para los metales de transición, presentando los distintos óxidos diferentes colores en las piedras preciosas.
③ Por lo general, los iones presentan color porque hay electrones individuales no apareados en los orbitales d, y los niveles de energía de estos electrones en los estados excitado y básico están relativamente cerca, lo que permite que la energía de la luz visible los excite. Diferentes condiciones de excitación también pueden hacer que las piedras preciosas presenten diferentes colores.
Si los electrones de espín del ion están todos emparejados, como los iones con una configuración electrónica de valencia d0, d10, d10s2los electrones se encuentran en un estado estable y no se excitan fácilmente, por lo que el ion no tiene color; así, C+Cr6+ y otros no tienen color y no pueden producir color en las piedras preciosas.
Estos ocho elementos metálicos de transición constituyen la formación del color en las piedras preciosas de color natural más comunes. Diferentes cromóforos producen diferentes colores en diferentes piedras preciosas, y el mismo cromóforo también puede producir diferentes colores. En la Tabla 3-6 se muestran las piedras preciosas naturales y los cromóforos más comunes.
Tabla 3-6 Colores que presentan los iones de metales de transición en gemas naturales comunes y variedades de gemas
| Cromóforo | Colores comunes | Variedades de gemas |
|---|---|---|
| Iones de titanio (Ti) | Azul | Zafiro, benitoita, topacio |
| Ión vanadio (V) | Verde | Corindón sintético que cambia de color, essonita, esmeralda |
| Ión cromo (Cr) | Rojo, Verde | Rubí, Corindón, Esmeralda, Piropo, Jade |
| Ión manganeso (Mn) | Rosa, Rojo | Espesartina, Rodolita, Berilo rojo |
| Ión hierro (Fe) | Azul, verde, amarillo | Zafiro, olivino, aguamarina, turmalina, espinela |
| Ión cobalto (Co) | Azul | Espinela sintética, estaurolita color cobalto |
| Ión níquel (Ni) | Verde | Calcedonia verde |
| Ión cobre (Cu) | Azul, azul verdoso | Malaquita, turquesa, azurita |
Los distintos iones cromóforos producen colores diferentes en las piedras preciosas, lo que da lugar a espectros de absorción con características distintas. Para los iones cromóforos comunes, los espectros de absorción tienen un significado de identificación típico.
(1) El espectro de absorción de los iones de cromo
El espectro de absorción de los iones de cromo se caracteriza principalmente por muchas líneas de absorción estrechas en la región del rojo, con las dos más fuertes situadas en la región del rojo intenso y otras dos en la región del naranja. La región amarillo-verde presenta una banda de absorción ancha, y su anchura, posición e intensidad están relacionadas con la profundidad del color de la gema. Puede haber varias bandas estrechas en la región azul, mientras que la región púrpura está totalmente absorbida. Los iones de cromo producen principalmente los colores rojo y verde, que varían en las distintas gemas, y los espectros de absorción muestran algunas diferencias. Por ejemplo, los rubíes tienen tres líneas de absorción en la región roja, una banda de absorción ancha en la región amarillo-verde, tres líneas de absorción en la región azul y absorción total en la región púrpura; las esmeraldas tienen líneas de absorción en la región roja, una banda de absorción débil en la región naranja-amarilla, líneas de absorción débiles en la región azul y absorción total en la región púrpura; y la alejandrita tiene líneas de absorción en la región roja, una banda de absorción en la región amarillo-verde, una línea de absorción en la región azul y absorción total en la región púrpura. Los espectros de absorción de estas tres gemas se muestran en la Figura 3-9.
(2) Características del espectro de absorción de iones de hierro
Los iones de hierro producen diferentes colores en las distintas gemas y tienen un fuerte efecto colorante, pero el espectro de absorción de los iones de hierro varía mucho. Cuando la gema es verde, produce una absorción en la zona roja, y cuando es roja, produce un rasgo de absorción dominado por la zona azul, con la principal línea de absorción característica situada en las zonas verde y azul. Por ejemplo, los iones de hierro en el olivino aparecen de color verde oliva, con el espectro de absorción mostrando principalmente tres bandas estrechas de absorción en la región azul a 453nm, 473nm y 493nm; el almandino rojo tiene un espectro de absorción de hierro típico, con tres bandas estrechas de absorción fuertes a 504nm, 520nm y 573nm en la región amarillo-verde, comúnmente denominada en la industria "ventana de hierro". Además, hay bandas estrechas de absorción débiles a 423nm, 460nm, 610nm, y 680~690nm; el espectro de absorción del zafiro amarillo tiene tres bandas estrechas de absorción en la región azul a 450nm, 460nm, 470nm.(Figura 3-10).
(3) Características del espectro de absorción de los iones de manganeso
Los iones de manganeso forman principalmente los colores rosa, naranja y rojo en las piedras preciosas, cuyo espectro de absorción muestra principalmente una fuerte absorción en la región violeta, que se extiende a la región ultravioleta, y cierta absorción en la región azul. Por ejemplo, las características del espectro de absorción de la rodocrosita rosa tienen tres bandas de absorción a 410nm, 450nm, 540nm; las líneas del espectro de absorción de la espesartina tienen principalmente 410nm, 420nm, 430nm tres bandas de absorción y líneas de absorción a 460nm, 480nm, y 520nm. A veces, puede haber 504nm, 573nm dos líneas de absorción (Figura 3-11).
(4) Características del espectro de absorción de los iones de cobalto
Los iones de cobalto tienen un fuerte efecto colorante, apareciendo normalmente en un color azul brillante en las piedras preciosas, con el espectro de absorción mostrando principalmente tres bandas de absorción fuertes y anchas en la región amarillo-verde. Debido a la escasa abundancia de cobalto en la corteza terrestre, hay muy pocas piedras preciosas naturales coloreadas por iones de cobalto. El espectro de absorción de los iones de cobalto también indica piedras preciosas sintéticas, como la espinela azul sintética y el vidrio de cobalto. La espinela azul sintética presenta tres fuertes bandas de absorción en las regiones amarillo-verde y naranja-amarillo, siendo la banda de absorción de la región verde la más estrecha; las líneas de absorción del vidrio de cobalto presentan principalmente tres fuertes bandas de absorción en las regiones amarillo-verde y naranja-amarillo, siendo la banda de absorción de la región amarilla la más estrecha (Figura 3-12).
3. Elementos de tierras raras para colorear
La investigación sobre la influencia de las trazas de elementos de tierras raras en el color de las piedras preciosas es cada vez más profunda. Los colores de los elementos de tierras raras son más vivos y sus propiedades fisicoquímicas también son muy estables. Los elementos de tierras raras como la apatita y la fluorita también pueden colorear las piedras preciosas naturales. Se pueden añadir distintos elementos de tierras raras a piedras preciosas sintéticas y tratadas de forma óptima para obtener piedras preciosas de distintos colores, como el amarillo del cerio y el azul del neodimio.
Los elementos de tierras raras que colorean las piedras preciosas son principalmente los lantánidos y actínidos de la tabla periódica de elementos químicos y los colores que pueden producir se muestran en la Tabla 3-7.
Tabla 3-7 Elementos de tierras raras y sus colores en piedras preciosas comunes
| Símbolo del elemento | La | Ce | Nd | Pr | Dy | Sm | Er | Tm | U |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nombre y apellidos | Lantano | Cerio | Neodimio | Praseodimio | Disprosio | Samario | Erbio | Thulium | Uranio |
| Color | Incoloro | Amarillo | Azul | Verde | Amarillo claro | Amarillo claro | Rosa | Verde claro | Blanco plateado |
Los elementos de tierras raras tienen espectros de absorción característicos, a menudo formando líneas finas únicas. Por ejemplo, la apatita amarilla suele contener el elemento de tierras raras Ce, con líneas finas de absorción características en la región amarilla. Sin embargo, el uranio no produce un amarillo brillante, sino que puede generar líneas espectrales de absorción distintas. Por ejemplo, en el circón verde pueden aparecer más de diez líneas de absorción en varias zonas de color (Figura 3-13).
Sección III Colores producidos por defectos cristalinos y centros de color
En la naturaleza, los minerales se dividen en cristalinos y no cristalinos en función de los distintos grados de cristalización. La mayoría de las piedras preciosas, como rubíes, zafiros, diamantes, esmeraldas y cuarzos, son cristales; algunas piedras preciosas orgánicas, como el ámbar y el coral, son no cristalinas. Las estructuras cristalinas tienen una estructura reticular, en la que sus partículas internas (átomos, iones o moléculas) están dispuestas en un patrón periódico regular en el espacio tridimensional, y los cristales pueden formar espontáneamente formas poliédricas; los no cristalinos son cuerpos amorfos con estructuras no reticulares que no pueden formar formas poliédricas, como el vidrio, la colofonia y la resina.
El ejemplo más típico de la diferencia entre cristales y sólidos amorfos es el cuarzo y el vidrio. El cuarzo natural se forma a partir de material fundido SiO2 en el magma que se enfría en cavidades de la corteza terrestre. La capa exterior de las esferas de cuarzo comunes es de ágata, que no muestra la forma cristalina, mientras que la capa interior presenta la forma cristalina del cuarzo. Los principales componentes químicos tanto del vidrio como del cuarzo son SiO2; el cuarzo es un cristal con iones de silicio y oxígeno dispuestos de forma ordenada, mientras que el vidrio es un sólido amorfo con iones de silicio y oxígeno dispuestos de forma caótica, carente de regularidad, como se muestra en la figura 3-14.
La mayoría de los cristales de piedras preciosas son de color debido a iones de impureza, como los rubíes, las esmeraldas y la turmalina. Algunas piedras preciosas, aunque carecen de iones cromóforos, son de color debido a defectos en su estructura cristalina. Las gemas naturales producidas en la naturaleza pueden cambiar de color debido a condiciones externas, como la irradiación y la ionización, que alteran la estructura cristalina. El ejemplo más común es el cuarzo ahumado, que adquiere color debido a la formación de centros de color a partir de vacantes inducidas por la radiación. El cuarzo ahumado irradiado artificialmente tiene un principio de formación similar al del cuarzo ahumado natural, salvo que la radiación artificial crea color rápidamente.
1. Defectos y tipos de cristales
El fenómeno en el que la disposición de las partículas se desvía de las reglas de la estructura reticular (las partículas experimentan una repetición traslacional periódica en el espacio tridimensional) dentro de un rango local de la estructura cristalina de la piedra preciosa se denomina defecto reticular. Las causas están relacionadas con las vibraciones térmicas de las partículas dentro del cristal de la piedra preciosa, la tensión externa, la temperatura y la presión elevadas, la irradiación, la difusión, la implantación de iones y otras condiciones.
Por ejemplo, los diamantes cristalizados en el entorno de alta temperatura y alta presión del manto superior cuando son transportados rápidamente hasta cerca de la superficie de la Tierra por el magma anfitrión (kimberlita o lamproita), el rápido cambio en las condiciones de temperatura y presión y las colisiones mutuas entre los cristales y las rocas circundantes pueden conducir fácilmente a cambios locales en la estructura de los cristales de diamante intrusivos, dando lugar a defectos de red que cambian el color de los diamantes originalmente incoloros, formando diamantes de color amarillo parduzco, marrón y rosa.
La presencia de defectos cristalinos tiene un impacto significativo en las propiedades de los cristales. En realidad, los cristales tienen más o menos defectos. Una cantidad moderada de ciertos defectos puntuales puede mejorar enormemente la conductividad de los materiales semiconductores y la luminiscencia de los materiales luminiscentes, desempeñando un papel beneficioso. Por el contrario, defectos como las dislocaciones pueden hacer que los materiales sean propensos a la fractura, reduciendo la resistencia a la tracción de los cristales casi sin defectos de red a una fracción de la misma.
En un cristal idealmente perfecto, los átomos están estrictamente dispuestos en una red regular y periódica en puntos específicos del espacio. Sin embargo, durante el crecimiento real y la formación de cristales, debido a la influencia de entornos de crecimiento como la temperatura, la presión y la concentración de componentes del medio, la morfología del cristal tras el crecimiento puede desviarse en ocasiones de la estructura cristalina ideal. Cualquier desviación de la estructura cristalina ideal puede denominarse defecto cristalino. Los defectos cristalinos influyen significativamente en las propiedades físicas y químicas de los cristales, y muchas disciplinas están relacionadas con los defectos cristalinos, como el dopaje iónico en la ciencia de los materiales. El color de las piedras preciosas está relacionado en gran medida con los defectos cristalinos que contienen. Ésta es una de las causas del color de las piedras preciosas: los centros de color.
Existen muchos tipos de defectos en la estructura cristalina, que pueden clasificarse en cuatro categorías en función de su grado de distribución en el espacio tridimensional: defectos puntuales, defectos lineales, defectos superficiales y defectos de volumen.
(1) Defectos puntuales
Otros átomos sustituyen a algunos átomos en un cristal ideal, otros se dopan o se crean vacantes. Algunos átomos del cristal son sustituidos o faltan debido a átomos externos, y estos cambios alteran la disposición periódica de la red regular del cristal, provocando cambios en el campo de potencial de las partículas y dando lugar a la incompletitud de la estructura cristalina, limitada a determinadas posiciones, afectando sólo a unos pocos átomos cercanos. El impacto de los defectos puntuales en el cristal es mínimo, y los tipos comunes de defectos puntuales incluyen defectos de posición en la red, defectos de composición y defectos de carga (Figura 3-15).
(2) Defectos de línea
Los defectos lineales tienen un tamaño muy pequeño en dos direcciones y se extienden principalmente más en otra dirección. También se conocen como defectos unidimensionales y consisten principalmente en diversas dislocaciones. Las dislocaciones pueden considerarse el producto del deslizamiento local de la red a lo largo de un plano atómico determinado. El deslizamiento no penetra en toda la red; el defecto cristalino termina dentro de la red, provocando una disposición desordenada de partículas en el límite entre las partes deslizadas y no deslizadas de la red, lo que se conoce como dislocación. Este límite, la línea de intersección entre las zonas deslizadas y no deslizadas, se denomina línea de dislocación. Existen dos tipos básicos de dislocaciones: cuando el cristal está sometido a fuerzas de compresión, el plano de deslizamiento de la partícula forma una línea de dislocación con el plano no deslizado, y la línea de dislocación es perpendicular a la dirección de deslizamiento, lo que se conoce como dislocación de borde, también llamada dislocación en cuña; debido al esfuerzo cortante, se produce deslizamiento entre planos, y las líneas de dislocación que se intersecan en la parte deslizada del cristal son paralelas a la dirección de deslizamiento, lo que se conoce como dislocación en tornillo (Figura 3-16).
(3) Defectos superficiales
El defecto superficial más sencillo es el defecto de apilamiento, que se divide en defectos de apilamiento intrínsecos (en los que se elimina un plano del cristal) y defectos de apilamiento extrínsecos (en los que se inserta una capa atómica en el cristal). Estos defectos se producen en un intervalo de unos pocos espaciamientos atómicos a ambos lados de un plano determinado a lo largo de la red o entre granos. Incluyen principalmente fallos de apilamiento e interfaces dentro de los cristales y entre ellos, como los límites de grano de ángulo pequeño, las paredes de dominio y los límites gemelos e intergranulares.
(4) Defectos de volumen
Los defectos de volumen se refieren a defectos que existen en diversos grados en las tres direcciones, que son defectos tridimensionales, como grietas incrustadas, estructuras de malla, estructuras familiares, gemelos y diversas inclusiones de piedras preciosas.
2. Centros de color en las piedras preciosas
Los centros de color son un caso especial de defectos de red, que generalmente se refieren a defectos de red en piedras preciosas que pueden absorber selectivamente la energía de la luz visible y producir color, perteneciendo a los tipos de color estructural más típicos. En algunos casos, los electrones no apareados que producen color también pueden aparecer en iones de elementos que no son de transición o en defectos cristalinos formados por falta de electrones, que es lo que son los centros de color. Los defectos puntuales en cristales iónicos pueden provocar la absorción de luz visible, lo que hace que cristales originalmente transparentes aparezcan coloreados; estos tipos de defectos puntuales que pueden absorber luz visible suelen denominarse centros de color. Muchos tipos de piedras preciosas naturales producen color a partir de centros de color, como la fluorita púrpura, el cristal ahumado y los diamantes verdes.
En el proceso de tratamiento de optimización de las piedras preciosas, algunas piedras preciosas naturales y artificiales también pueden tener centros de color generados por la radiación, como los diamantes azules, amarillos, rojos, verdes y el topacio azul que cambian de color debido a la radiación, y el topacio azul, entre los cuales algunos colores son relativamente estables y sólo desaparecen cuando se calientan; algunos colores son inestables y pueden desvanecerse incluso a temperatura ambiente. Este tipo de centro de color causante del color está estrechamente relacionado con la estructura cristalina de la piedra preciosa, como los diamantes verdes, en los que la causa del color es la presencia de vacantes en la estructura cristalina, pero este defecto estructural también puede eliminarse por irradiación, convirtiendo el diamante en incoloro. Los tipos comunes de centros de color en las piedras preciosas son "centros de color de electrones" y "centros de color de agujeros".
(1) Centro de color del electrón (centro F)
Los centros de color de electrones son centros de color formados cuando existen electrones en vacantes de defectos cristalinos causados por vacantes aniónicas en la estructura cristalina de la piedra preciosa. Cuando el anión está ausente, la vacante se convierte en una trampa de electrones con carga positiva que atrapa electrones. Si una vacante captura un electrón y lo une a ella, el electrón se excita y absorbe selectivamente una determinada longitud de onda de energía para colorearse. Por lo tanto, un centro de color de electrones consiste en una vacante aniónica y un electrón ligado por el campo eléctrico de esa vacante.
La fluorita púrpura es un color producido por centros de color electrónicos. Fluorita (CaF2) pertenece al sistema cristalino isométrico, con cada Ca2+ conectado a dos F– [Figura 3-17 (a)]. En algunos casos, el F– en la fluorita puede abandonar su posición normal. Aparece una vacante en el F– y para mantener la neutralidad eléctrica del cristal, una entidad cargada negativamente debe ocupar esta vacante. Un electrón de cierto átomo en el cristal se convierte en la entidad cargada negativamente que ocupa esta vacante [Figura 3-17 (b)]. Esto crea un "centro de color", conocido como centro de color electrónico. En la fluorita, los centros de color electrónicos absorben la luz visible, produciendo púrpura.
(2) Centros de color de los agujeros (centros V)
El centro de color vacante se forma por factores externos, donde los cationes crean vacantes de electrones. Esto significa que los electrones son expulsados de sus posiciones originales, dejando tras de sí un electrón no apareado. La razón del color es que cuando se forman vacantes de cationes en el cristal, para lograr el equilibrio de carga, los aniones cercanos a la vacante de catión liberan electrones bajo la influencia de la energía externa, formando electrones no apareados que absorben la luz visible y producen el color. Por ejemplo, en los diamantes y topacios azules irradiados, la irradiación proporciona energía para activar electrones, haciendo que los iones o átomos de la red se desplacen, formando así defectos estructurales y centros de color debido a la irradiación.
Un ejemplo clásico de centro de color en un cristal es la coloración del cristal ahumado. La estructura cristalina del cuarzo es un tetraedro de silicio-oxígeno, con silicio en un estado de cuatro coordenadas, como se muestra en el diagrama estructural bidimensional de la Figura 3-18(a). Cada 10.000 Si4+ tienen un átomo sustituido por Al3+y cuando Al3+ sustituye al Si4+ en el cristal, Al3+ debe estar rodeado de algunos iones alcalinos (como Na+ o H+) para mantener la neutralidad eléctrica. Aun así, estos iones suelen estar a cierta distancia del Al3+.
Cuando el cuarzo se irradia con rayos X, rayos γ y otras fuentes de radiación, la energía de los átomos de oxígeno adyacentes al Al3+ aumenta, permitiendo que uno de los electrones de su par sea expulsado de su posición normal. H+ capturará este electrón para formar H . La radiación de alta energía hace que el O2- con más electrones de valencia para liberar un electrón, formando un [A1O4]4- y el centro de color de la vacante [A1O4]4- El cúmulo atómico absorbe la luz visible para producir el color, formando el cuarzo ahumado.
[A1O4]5-→ [A1O4]4-+e– (3-1)
H+ +e–→ H (3-2)
H+ captura electrones para convertirse en H, que es incoloro y no absorbe la luz visible. Si la intensidad de irradiación es alta y hay suficiente Al3+ en el cristal, el cuarzo puede ser irradiado a negro. Dado que a menudo hay una vacante en la posición en la que se expulsa un electrón, este tipo de centro de color se denomina "centro de color de vacante."
Durante la historia geológica, el cristal ahumado natural se forma principalmente a través de la radiación de baja dosis a largo plazo de materiales radiactivos. El calentamiento puede eliminar el color; cuando este cristal ahumado se calienta a unos 400℃, los electrones expulsados volverán a sus posiciones originales, todos los electrones se emparejarán y el cuarzo volverá a ser incoloro; si se irradia de nuevo, puede volver a ser ahumado [Figura 3-18 (b)].
La amatista tiene los mismos centros de color para la vacancia, pero su impureza es hierro en lugar de aluminio. Cuando la impureza Fe 3+ sustituye a Si4+ en el cuarzo, se producen los siguientes cambios cuando se irradia con rayos de alta energía:
[FeO4]5- → [FeO4]4- +e– (3-3)
H+ +e–→ H (3-4)
Similar al principio de formación del cristal ahumado, produce un color púrpura debido a la formación de [FeO4]4- centros de color del agujero después de ser irradiado. Cuando esta amatista se calienta, se vuelve amarilla, convirtiéndose en citrino, y con el calentamiento adicional, se desvanece a incoloro. Generalmente, la temperatura de calentamiento es relativamente baja, alrededor de 400℃. El color púrpura de la amatista tratada térmicamente puede recuperarse irradiando de nuevo los centros de color. La amatista sintética también se sintetiza según este principio.
En algunas piedras preciosas, unos pocos grupos de átomos de impurezas también pueden formar centros de color y presentar color. Por ejemplo, durante el crecimiento del berilo y bajo irradiación radiactiva, puede perder un electrón para convertirse en , formando una banda de absorción rojo-verde que produce un color azul. Hay muchos centros de color en los diamantes, la mayoría de los cuales son causados por la formación de vacantes o dislocaciones en la estructura bajo condiciones externas, y los colores son generalmente muy estables.
La dificultad de estudiar el color inducido por el centro cromático es relativamente alta y requiere diversas técnicas, como la espectroscopia y la resonancia paramagnética electrónica. Investigaciones previas muestran que algunas características típicas del color inducido por el centro de color son relativamente claras. La Tabla 38 resume los colores y las causas del color inducido por el centro de color en las piedras preciosas más comunes.
Tabla 3-8 Colores y causas del color Inducido por el centro en piedras preciosas comunes
| Tipos de piedras preciosas | Color | Causa |
|---|---|---|
| Diamante | Verde | Carbono vacante Centro de color GR1 en diamante |
| Amarillo | Falta la estructura de los agregados de diamante N3 | |
| Naranja | Natoms y H3, H4 defectos del centro de color | |
| Cristal | Color humo | Vacantes generadas por Al3+ sustituyendo Si4+ relacionados con la radiación |
| Amarillo | Relacionado con Al3+también puede generarse por radiación | |
| Morado | Fe3+ sustituye la vacante creada por Si4+ | |
| Piedra preciosa corindón | Amarillo | El color es inestable, se desconoce la razón de los defectos estructurales |
| Topacio | Azul | El color es estable, se desconoce el motivo de los defectos estructurales |
| Amarillo | El color es estable, se desconoce la causa de los defectos estructurales | |
| Marrón rojizo | El color es inestable, se desconoce la causa de los defectos estructurales | |
| Turmalina | Rojo | Relacionado con Mn3+ también puede deberse a la radiación |
| Beryl | Azul | En relación con el CO32- también puede deberse a la irradiación |
| Fluorita | Morado | Electrónica e- sustituye a F- para producir |
El principio de los centros de color también se utiliza para mejorar el color de las piedras preciosas naturales en la mejora de piedras preciosas. La mayoría de los métodos utilizan la irradiación para cambiar el color de las gemas. Algunos centros de color son relativamente estables, mientras que algunas variedades de gemas se decoloran rápidamente, haciendo que este método de realce sea menos significativo para esas gemas. La Tabla 3-9 enumera algunos colores producidos por centros de color, incluyendo centros de color estables, centros de color inestables y colores producidos por otros posibles factores.
Tabla 3-9 Colores producidos por los centros de color
| Básicamente estable a la luz | Amatista, fluorita (púrpura-rojo), diamantes irradiados (verde, amarillo, marrón, negro, azul, rosa); algunos topacios naturales o irradiados (azul). |
|---|---|
| Se desvanece rápidamente con la luz | Berilo verde con cesio de litio (azul intenso); algunos topacios irradiados (marrón o tostado); zafiro irradiado (amarillo); sodalita púrpura irradiada con ultravioleta (rojo púrpura). |
| Otros colores que pueden producir los centros de color | silvina (azul); halita (azul o amarilla); circón (marrón); calcita (amarilla); barita, celestina (azul); amazonita (azul a verde) |
