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보석의 색상이 여러 가지인 이유는 무엇인가요?
결정장 이론 & 분자 궤도 이론 & 에너지 밴드 이론 소개
보석의 색상은 풍부하고 다양하며 사람들이 항상 사랑해 온 독특한 매력을 지니고 있습니다. 보석의 품질은 주로 색상에 따라 달라집니다. 보석의 색상은 보석 평가에서 중요한 지표이며, 보석에 대한 대부분의 최적화 처리는 색상을 변경하거나 개선하는 작업을 포함합니다. 따라서 보석 착색의 원인을 이해하는 것은 보석 최적화 처리를 위한 중요한 전제 조건입니다. 보석이 어떻게 색을 얻는지 이해해야만 보석을 최적화할 수 있는지, 어떤 최적화 방식을 채택할지, 어떤 실험 계획을 수립할지 결정할 수 있습니다. 보석 착색에는 고전 광물학 이론, 결정장 이론, 분자 궤도 이론, 에너지 밴드 이론, 물리적 광학 효과 등 다섯 가지 일반적인 이론이 있습니다. 이러한 이론이 일반적인 천연 보석의 착색 이론을 구성하며, 다음은 이 다섯 가지 착색 이론에 대한 간략한 소개입니다.
두 개의 원자 궤도가 형성하는 분자 궤도
목차
섹션 I 크리스탈 필드 이론
1930년대 과학자들은 결정의 특성을 설명하기 위해 결정장 이론을 제안했습니다. 결정장 이론은 전이 원소(착체)의 화학 결합을 연구하는 이론입니다. 정전기 이론, 양자역학, 군 이론(물질의 대칭성을 연구하는 이론)의 일부 관점을 결합하여 전이 원소와 란타나이드 원소의 물리적, 화학적 특성을 설명하며 중심 이온의 d와 f 궤도에 대한 리간드의 영향에 초점을 맞추고 있습니다. 1950년대에는 결정장 이론을 착물에 적용하여 리간드 장 이론을 제안했습니다. 리간드 장 이론은 결정 장 이론을 발전시킨 것으로, 리간드의 전기장이 중심 이온에 미치는 영향과 리간드 전자가 중심 이온에 미치는 충전 효과를 모두 고려하여 결정 장 이론보다 더 완전한 이론입니다. 그러나 둘 사이에는 본질적인 차이가 없으며 일반적으로 무기 광물 연구에서는 구분하지 않습니다.
1. 결정장 이론의 기본 개념
전이 금속의 이온은 주변 음이온 또는 쌍극자 분자의 결정장에 있습니다. 결정장 이론은 결정을 양이온과 음이온 사이의 정전기적 상호작용으로 보는 정전기 모델로서, 양전하를 띤 양이온을 중심 이온이라고 하고 음전하를 띤 음이온을 리간드라고 합니다.
결정장 이론을 적용하여 보석 광물의 색을 설명하는 데는 주로 전이 원소 이온의 d전자 또는 f전자 에너지가 관여합니다. 예를 들어, d 궤도는 다섯 가지 유형이 있습니다.xy, dxz, dyz, d , 그리고 d . 이 다섯 개의 d 궤도는 자유 이온 상태에서 서로 다른 공간 분포를 갖지만 에너지는 동일합니다. 그러나 리간드 장의 영향에 따라 상당한 변화를 겪습니다. 중앙 원자의 에너지가 감소하는 다섯 개의 d 궤도는 주변 리간드에 의해 형성된 음의 전기장의 영향을 받아 분리됩니다. 일부 d 오비탈은 에너지가 증가하고 다른 오비탈은 에너지가 감소합니다. d 궤도 에너지 준위의 분할로 인해 중심 원자의 d 궤도에 있는 전자가 재배열되어 에너지가 낮은 궤도를 우선적으로 차지함으로써 시스템의 총 에너지가 감소하고 복합체가 더 안정해집니다.
d 궤도의 에너지는 전기장이 없을 때와 같고[그림 3-19 (a)], 구대칭 정전기장 아래에서 d 궤도는 에너지가 증가하지만 분할되지 않으며[그림 3-19 (b)], 리간드 장이 팔면체일 때 d로 분할됩니다.r 및 dg. 이 중 dr 궤도는 에너지가 더 높은 D와 D로 구성되며, 에너지가 낮은 D는g 궤도는 d로 구성됩니다.xy, dxz, dyz.
전이 금속의 이온은 주변 음이온 또는 쌍극자 분자의 결정장에 있습니다. 결정장 이론은 결정을 양이온과 음이온 사이의 정전기적 상호작용으로 보는 정전기 모델로서, 양전하를 띤 양이온을 중심 이온이라고 하고 음전하를 띤 음이온을 리간드라고 합니다.
결정장 이론을 적용하여 보석 광물의 색을 설명하는 데는 주로 전이 원소 이온의 d전자 또는 f전자 에너지가 관여합니다. 예를 들어, d 궤도는 다섯 가지 유형이 있습니다.xy, dxz, dyz, d , 그리고 d . 이 다섯 개의 d 궤도는 자유 이온 상태에서 서로 다른 공간 분포를 갖지만 에너지는 동일합니다. 그러나 리간드 장의 영향에 따라 상당한 변화를 겪습니다. 중앙 원자의 에너지가 감소하는 다섯 개의 d 궤도는 주변 리간드에 의해 형성된 음의 전기장의 영향을 받아 분리됩니다. 일부 d 오비탈은 에너지가 증가하고 다른 오비탈은 에너지가 감소합니다. d 궤도 에너지 준위의 분할로 인해 중심 원자의 d 궤도에 있는 전자가 재배열되어 에너지가 낮은 궤도를 우선적으로 차지함으로써 시스템의 총 에너지가 감소하고 복합체가 더 안정해집니다.
d 궤도의 에너지는 전기장이 없을 때와 같고[그림 3-19 (a)], 구대칭 정전기장 아래에서 d 궤도는 에너지가 증가하지만 분할되지 않으며[그림 3-19 (b)], 리간드 장이 팔면체일 때 d로 분할됩니다.r 및 dg. 이 중 dr 궤도는 d로 구성됩니다.x2– y2 및 dz2
에너지가 높을수록, 에너지가 낮을수록 dg 궤도는 d로 구성됩니다.xy, dxz, dyz. [그림 3-19 (c)]
오비탈 분할 후 가장 높은 에너지 준위와 가장 낮은 에너지 준위의 차이를 분리 에너지 △라고 합니다. 리간드 필드의 다른 구성에 의해 생성되는 분리 에너지는 동일하지 않습니다(그림 3-20). 에너지 순서는 다음과 같습니다:
정사각형 필드 > 팔면체 필드 > 사면체 필드
같은 구성의 필드라도 리간드 및 중심 이온의 차이로 인해 다를 수 있으며, 크기가 클수록 결정이 더 안정적입니다. 결정 분리 에너지의 크기는 주로 다음 세 가지 요인이 결정합니다:
(1) 동일한 전이 원소에 의해 형성된 결정; 리간드가 동일하면 중심 이온의 전하가 높을수록 분리 에너지가 커집니다 △ . 중심 이온의 양전하가 높을수록 리간드에 대한 인력이 커져 중심 이온과 리간드 핵 사이의 거리가 작아지고 리간드가 전자에 대해 생성하는 결정장의 반발력이 클수록 분리 에너지 △가 커집니다.
(2) 같은 양전하와 같은 리간드를 가진 서로 다른 이온에 의해 형성된 결정의 경우, 중심 이온의 반경이 클수록 d 궤도가 핵에서 멀어지고 분리 에너지 △가 커집니다.
(3) 같은 중심 이온과 다른 리간드로 형성된 결정의 경우, 리간드의 결정 장의 세기가 다르기 때문에 분리 에너지가 달라집니다. 리간드마다 전계 세기가 다르고, 리간드의 전계 세기에 따라 △분리 에너지가 달라집니다.
분리 에너지는 결정의 안정성을 정성적으로 설명하는 데 사용되며, 다른 조건에서 결정의 상대적 값을 알면 충분하므로 절대값 △ 을 구할 필요는 없습니다.
분할된 d 궤도의 상대 에너지를 기반으로 d 궤도에 있는 전이 금속 이온의 총 에너지를 계산할 수 있습니다. 이 에너지는 분할 전보다 낮아져 결정에 추가 에너지를 제공하며, 이는 결정장 안정화 에너지로 알려져 있으며 CFSE 기호로 표시됩니다. 표 3-10에는 d를 포함하는 이온의 안정화 에너지가 나와 있습니다.n 전자를 다른 조건으로 변환합니다.
표 3-10 다양한 리간드 하에서의 결정장 안정화 에너지(Wu Ruihua, 1994)
| dn | 약한 필드 | 강력한 필드 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| dn | 스퀘어 | 정팔면체 | 일반 사면체 | 스퀘어 | 정팔면체 | 일반 사면체 |
| d0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| d1 | 5.14 | 4 | 2.67 | 5.14 | 4 | 2.67 |
| d2 | 10.28 | 8 | 5.34 | 10.28 | 8 | 5.34 |
| d3 | 14.56 | 12 | 3.56 | 14.56 | 12 | 8.01 |
| d4 | 12.28 | 6 | 1.78 | 19.70 | 16 | 10.68 |
| d5 | 0 | 0 | 0 | 24.84 | 20 | 8.90 |
| d6 | 5.14 | 4 | 2.67 | 29.12 | 24 | 6.12 |
| d7 | 10.28 | 8 | 5.34 | 26.84 | 18 | 5.34 |
| d8 | 14.56 | 12 | 3.56 | 24.56 | 12 | 3.56 |
| d9 | 12.28 | 6 | 1.70 | 12.28 | 6 | 1.78 |
| d10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
2. 전이 금속 이온의 색상 특성
그의 착색 보석에서 대부분의 보석의 색은 전이 금속 이온으로 인한 것이며, 보석의 색은 착색 이온이 d 또는 f 궤도에 짝을 이루지 않은 전자를 포함하고 있는지 여부와 관련이 있습니다. 전이 금속 이온의 착색 특성은 주로 다음과 같은 측면을 포함합니다:
(1) 전이 금속 이온의 착색은 d 오비탈 또는 f 오비탈의 전자 상태와 관련이 있습니다. d 궤도 또는 f 궤도 전자가 채워지거나 비어 있으면 보석에 색이 나타나지 않습니다. 예를 들어, Cr6+, Ce4+및 Cu+.
(2) 동일한 보석 재료에서 다른 착색 이온은 다른 색상을 나타냅니다. 착색 이온의 분리 에너지가 다르기 때문에 같은 소재에서도 서로 다른 색상을 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, Fe2+ 은 스피넬에서 약간 회청색을 띠는 반면, Cr3+ 빨간색이 생성됩니다.
(3) 원자가 상태가 다른 같은 원소의 착색 이온은 종종 같은 보석 재료에서 다른 색을 나타냅니다. 중심 이온의 d 전자 전이에 필요한 에너지가 다르기 때문에 흡수되는 빛의 파장이 다르기 때문에 색이 달라집니다. 예를 들어, Mn이 포함된 캐스트럼은2+ 은 은은한 핑크빛을 띠고, Mn이 함유된 베릴은2+ 는 붉은 베릴로 알려진 밝은 빨간색으로 표시됩니다.
(4) 같은 원소의 같은 원자가 상태의 착색 이온은 리간드 구성이 다를 때 종종 다른 색을 나타냅니다. 예를 들어, Co2+ 스피넬의 사면체 구성에서는 특징적인 "다이아몬드 블루" 색상을 나타내며, 방해석의 팔면체 구성에서는 분홍색으로 나타납니다. Fe2+ 팔면체로 조정된 감람석에서는 특징적인 올리브 녹색을 나타내며, 왜곡된 입방체로 조정된 알만딘에서는 진한 빨간색으로 나타납니다.
(5) 동일한 유형의 유색 이온은 동일한 원자가 상태와 배위 기하학을 갖지만 인접한 다른 배위 원자는 다른 색을 나타냅니다. 예를 들어, Co의 사면체 배위에서 Co2+스팔러라이트, Co2+ 는 황과 연결되어 녹색으로 표시되고, 스피넬에서는 Co2+ 는 산소와 연결되어 파란색으로 표시됩니다.
(6) 동일한 원자가 상태, 배위 기하학 및 인접 원자를 가진 동일한 유형의 유색 이온은 다른 보석에서 서로 다른 색을 나타냅니다. 보석의 다른 화학적 구성으로 인한 배위 기하학의 왜곡은 중심 이온과 배위 리간드 사이의 화학 결합의 특성을 변경하여 d 전자의 전이 에너지를 변경합니다. 예를 들어, Cr3+ 는 루비에서는 빨간색, 에메랄드에서는 녹색으로 나타나며 알렉산드라이트에서는 다양한 색상을 보여줍니다. Cr의 이러한 변화의 이유는3+ 의 특성과 인접한 조정 리간드와 관련이 있으며, 구체적인 특징 분석은 다음과 같습니다.
Cr3+ 특성:
Cr3+ 는 3초의 외부 전자 쉘 구조를 가지고 있습니다.23p63d3는 외부 껍질에 11개의 전자가 있는 불규칙한(8-18) 전자 껍질 구조에 속합니다.
이 구조는 8전자 쉘 구조보다 핵에 대한 차폐 효과가 더 작기 때문에 Cr3+ 의 기본 특성인 더 높은 유효 양전하를 갖는 반면 이온 반경은 더 작기 때문에 Cr3+강한 양의 전기장과 빈 D 궤도. Cr3+ 는 6개의 좌표 리간드를 수용하기 위해 6개의 빈 궤도를 제공할 수 있으며, 공간 구성은 팔면체, d에 속합니다.2sp3 하이브리드화(그림 3-21).
결정장 이론에 따르면, 팔면체 필드에서 Cr3+ 더 낮은 에너지로 분할될 수 있습니다.Ɛ 궤도 및 더 높은 에너지 Dr 궤도에 진입합니다. Cr의 세 개의 d 전자는3+ 모두 D에 있습니다.Ɛ 궤도를 가지며 모두 단일 전자이기 때문에 가시광선 아래에서 d-d 전이가 일어날 수 있으며, 이로 인해 Cr3+ 를 사용하여 색상을 표시합니다.
Cr의 착색 메커니즘 ② Cr3+:
루비에서 루비의 주요 화학 성분은 Al입니다.2O3. Cr의 몇 퍼센트가3+ Al을 대체합니다.3+와 결합하면 밝은 붉은색을 띠게 됩니다. 루비의 구조에서, Cr의 반경이 더 크기 때문에3+ 의 반경과 비교3+, Cr3+ 가 코런덤 격자에 들어가 산화알루미늄 주변의 대칭을 감소시킵니다.
Cr의 d 궤도3+ 분할하고 여기 상태 전자가 D 또는 C에서 기저 상태 A로 돌아올 때 먼저 B를 통과하여 열을 방출해야 합니다. 전자는 발광과 함께 B에서 A로 돌아와 붉은 형광을 방출합니다. 이 과정에서 전자는 빛 에너지를 흡수하여 루비가 보라색(400nm) 및 황록색(555nm) 가시 스펙트럼을 흡수하여 흡수대를 형성합니다(그림 3-22).
백색광이 루비를 통과하면 보라색에서 황록색에 이르는 스펙트럼의 광자가 흡수되고, 거의 모든 적색광과 일부 청색광이 통과하여 루비는 보라색이 약간 가미된 진한 붉은색, 즉 비둘기 핏빛을 띠게 됩니다.
루비는 붉은 형광으로 나타나는 짧은 B 레벨 흡수를 나타냅니다. 붉은 형광을 생성하는 이 B 레벨 흡수는 루비의 색을 더욱 선명하게 만들며, 크롬 이온 함량이 높을수록 형광이 더 강해집니다.
보석의 철 이온은 B 레벨 흡수의 형광을 억제하여 철 불순물을 포함할 때 루비가 더 어둡게 보이는 현상을 설명할 수 있습니다.
Cr3+ 에메랄드의 착색 메커니즘
에메랄드의 주요 화학 성분은 Be3Al2Si6O18, Cr3+를 대체하는 Al3+ 의 에메랄드 격자, Cr3+ 는 또한 6개의 산소 이온으로 구성된 팔면체로 둘러싸여 있으며, 여기서 Cr3+-결합 길이도 루비와 매우 유사합니다. 그러나 루비에 비해 에메랄드에는 두 개의 이온이 더 있습니다.2+ 및 Si4+. 에메랄드의 구조에서 금속 산화물 사이의 공유 결합 특성은 증가하는 반면 이온 특성은 약해집니다.
화학 결합과 같은 사소한 변화로 인해 Cr이 약간 감소합니다.3+C 레벨과 D 레벨 에너지로 인해 흡수 대역이 약간 이동하여(그림 3-23) 스펙트럼에서 청자색(425nm) 및 주황색-노란색(608nm) 빛의 투과를 크게 차단하는 반면 청록색 빛의 투과는 증가하여 특징적인 에메랄드 그린을 형성합니다.
디옵타제의 B 레벨 흡수는 거의 변하지 않습니다. 불순물 철분이 에메랄드 성분에 "억제" 효과가 없을 때, 강한 적색 형광은 특징적인 에메랄드 그린을 더욱 밝게 빛나게 합니다.
Cr3+ 알렉산드라이트의 색상 메커니즘:
알렉산드라이트의 색상도 Cr에 의해 발생합니다.3+ Al 대체3+ 를 왜곡된 팔면체 배열로 만듭니다. 알렉산드라이트의 화학 성분이 BeAL이기 때문에2O4는 금속-산소 이온 사이의 화학 결합의 특성이 루비와 에메랄드 사이에 있습니다. 따라서 흡수 대역도 루비와 에메랄드 사이에 있으며 청자색과 주황색-노란색 빛의 투과 확률이 거의 같기 때문에 적색 또는 청록색 빛이 우세한지 판단할 수 없습니다(그림 3-24).
따라서 알렉산드라이트의 색은 입사광의 에너지 분포와 색상 범위에 따라 달라질 수 있으므로 청색광 성분이 높은 일광에서는 녹색으로, 적색광 성분이 높은 백열등에서는 빨간색으로 보이는 알렉산드라이트의 "색상 변경 효과"가 발생합니다. 따라서 알렉산드라이트는 종종 "낮의 에메랄드, 밤의 루비"라고 불립니다.
"색상 변화 효과"는 변색 커런덤과 변색 가닛과 같은 많은 종류의 보석에서 나타납니다. 현재 인공적으로 합성된 변색 커런덤은 색상 변화의 원리를 이용하여 V3+ 을 합성용 착색 이온으로 사용합니다.
3. 보석 광물의 색상
전이 금속 성분이 생성하는 색상은 보석 광물의 화학 성분을 통해 유추할 수 있습니다. 예를 들어, 구리(Cu)가 포함된 청록색2+ 는 파란색이어야 하며, Cu+ 은 무색입니다. 표 3-11에는 천연 보석 광물의 일반적인 전이 금속 성분이 생성하는 색상이 나열되어 있습니다.
표 3-11 천연 보석 광물에서 전이 금속 성분이 생성하는 색상
| 요소 | 색상 | 일반 미네랄 |
|---|---|---|
| 세륨(Ce) | 노란색 | 파리지앵 |
| 크롬(Cr) | 빨간색, 초록색, 주황색 등 | 크로코사이트, 레드 크로코사이트, 우바로바이트 |
| 코발트 (Co) | 파란색 | 합성 스피넬 |
| 구리(Cu) | 파란색, 녹색 | 아주라이트, 크리소콜라 , 청록색 말라카이트, 디옵타제 |
| 철(Fe) | 빨간색, 녹색, 노란색 | 알만딘, 감람석, 고에타이트 |
| 망간(Mn) | 핑크, 오렌지 | 로도나이트, 스페사르틴 |
| 니켈(Ni) | 녹색 | 번세나이트, 칼세도니 |
대부분의 보석의 색은 보석에 포함된 전이 금속 불순물로 인해 발생합니다. 예를 들어, 루비는 미량의 Cr으로 인해 빨간색으로 보입니다.3+. 보석의 불순물 이온으로 인한 색상은 다양한 요인에 의해 영향을 받습니다. 따라서 불순물은 보석에 따라 다른 색상을 생성할 수 있습니다. 예를 들어, Cr3+ 는 루비에서는 빨간색, 에메랄드에서는 녹색으로 표시됩니다.
같은 불순물이라고 해서 보석의 색이 반드시 같은 것은 아닙니다. 예를 들어, 대부분의 에메랄드의 녹색은 Cr에 의해 발생하지만, 일부 에메랄드의 녹색은 바나듐(V)에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 발생합니다.
결정장 이론은 전이 금속 성분이나 불순물에 의해 생성되는 보석 색상뿐만 아니라 구조적 결함(색 중심)에 의해 생성되는 색상도 설명하는 데 사용할 수 있으며, 구체적인 색상 생성 과정은 이 책의 3.3장에서 참조할 수 있습니다.
결정장 이론에 의한 보석 광물 색상에 대한 설명에도 단점이 있는데, 주로 다음과 같은 측면에 반영됩니다:
(1) 중심 이온 d의 전자는 원래의 궤도에 완전히 국한되어 있지 않습니다. 또한 중심 원자와 리간드 사이의 공유 작용을 나타내는 배위 원자 주위에 나타날 수도 있습니다.
(2) 중심 원자와 리간드 사이의 정전기적 이온 상호 작용만 고려하고 중심 원자와 리간드 사이의 공유 결합 상호 작용은 완전히 무시합니다. 물리 연구에서 정량적 계산 결과는 실제 상황과 크게 다른 경우가 많습니다.
(3) 보석 광물의 색이 변하는 이유는 중심 이온과 리간드 간의 상호 작용 외에도 구조적 결함과 결정 장의 복합적인 영향 때문일 수 있습니다.
섹션 II 분자 궤도 이론
뮬리켄과 훈트는 처음에 분자 궤도 이론(MO 이론)을 제안했습니다. 많은 과학자들의 지속적인 탐구를 통해 성숙한 이론으로 발전했습니다. 분자 궤도(MO)는 분자 궤도를 구성하는 데 일반적으로 사용되는 방법인 원자 궤도의 선형 조합을 통해 얻을 수 있습니다. n개의 원자 궤도에서 n개의 분자 궤도를 얻을 수 있으며, 선형 조합 계수는 변형법 또는 다른 방법을 사용하여 결정할 수 있습니다. 원자 궤도보다 에너지 준위가 낮은 두 개의 원자 궤도에 의해 형성된 분자 궤도를 결합 궤도라고 하고, 원자 궤도보다 에너지 준위가 높은 것을 반결합 궤도, 원자 궤도에 가까운 에너지 준위를 가진 것을 일반적으로 비결합 궤도라고 합니다.
분자 궤도 이론은 분자의 형성, 구조, 성질과 같은 문제를 설명하는 데 사용되는 이론입니다. 또한 결정장 이론과 전이 금속 분자 궤도 이론을 기반으로 개발된 보석 색의 원인 중 일부를 설명할 수 있습니다. 분자 궤도는 원자 궤도의 자연스러운 확장입니다. 분자에서 전자는 더 이상 특정 원자에 속하지 않고 전체 분자 범위에서 이동하므로 분자 내 전자의 움직임은 분자 궤도를 사용하여 설명할 수 있습니다.
1. 분자 궤도 이론의 기본 개념
분자 궤도 이론은 원자가 분자를 형성한 후 전자는 더 이상 결정장 이론에서 제안한 원래의 원자 궤도에 속하지 않고 특정 분자 궤도 내에서 이동한다고 가정합니다. 분자 궤도는 원자 궤도가 원자를 구성하는 것과 마찬가지로 분자를 구성합니다. 원자가 전자는 더 이상 개별 원자 내에 국한된 것으로 간주되지 않고 분자 전체에 걸쳐 이동합니다. 분자의 전자 분포는 원자의 전자 분포 원리(최소 에너지의 원리 및 훈드의 법칙)에 따라 다룰 수 있습니다.
분자 내 원자 궤도의 선형 조합은 분자 궤도를 형성합니다. 분자 궤도의 수는 결합 전의 원자 궤도 수와 같습니다. 원자 궤도를 효과적인 분자 궤도로 조합하려면 다음 세 가지 원칙을 준수해야 합니다:
(1) 대칭 일치 원리: 동일한 대칭을 가진 원자 궤도만이 분자 궤도를 형성할 수 있습니다.
(2) 에너지 근접 원리: 비슷한 에너지를 가진 원자 궤도만 결합하여 효과적인 분자 궤도를 형성할 수 있습니다.
(3) 최대 중첩 원리: 대칭 매칭에서는 원자 궤도의 중첩이 클수록 결과 분자 궤도의 에너지가 감소하고 결과 화학 결합이 더 안정적입니다.
분자 궤도 ψ는 단일 전자의 파동 함수입니다. 이는 원자 궤도의 선형 조합으로 나타낼 수 있으며, 각 궤도는 분자 전기장에서 움직이는 전자의 운동 에너지와 위치 에너지의 합인 특정 에너지에 해당합니다. 두 개의 원자 궤도인 a와 b는 겹치는 선형 조합을 통해 두 개의 분자 궤도 ψ를 생성합니다.I 및 ψII :
ψI=ψa + ψb (3-5)
ψII = ψa - ψb (3-6)
전자가 있는 분자 궤도가 먼저 채워지면 결합 궤도 ψI 가 먼저 채워집니다. 훈드의 법칙에 따르면 전자가 같은 에너지의 분자 궤도를 채울 때는 가능한 한 스핀 방향이 같은 다른 분자 궤도를 차지해야 합니다.
분자 궤도 ψI 두 개의 원자 궤도 함수를 더하여 얻은 값(방정식 3-5)을 결합 분자 궤도라고 합니다. 분자 궤도 ψII 에서 두 개의 원자 궤도 함수를 빼서 얻은 값(방정식 3-6)을 반결합 분자 궤도라고 합니다. 결합 분자 궤도의 에너지는 반결합 분자 궤도의 에너지보다 낮고 원래의 두 원자 궤도의 에너지보다 낮습니다. 따라서 원자 궤도를 채우는 경우와 마찬가지로 분자 궤도를 채울 때 전자는 먼저 결합 궤도에 배치되고 분자 궤도는 반대 스핀을 가진 두 개의 전자를 수용할 수 있습니다. 훈드의 법칙에 따라 전자가 같은 에너지의 분자 궤도를 채울 때는 가능한 한 스핀 방향이 같은 다른 분자 궤도를 차지해야 합니다. 두 개의 원자 궤도에 의해 형성된 분자 궤도는 그림 3-25에 나와 있습니다.
p 궤도와 d 궤도는 서로 다른 에너지 수준의 분자 궤도를 형성할 수도 있습니다(예: O의 이원자 분자 궤도 조합).2 분자는 비교적 복잡합니다.
실험을 통해 이 두 단일 전자의 자기적 특성을 측정하여 분자 궤도 이론을 강력하게 뒷받침했습니다. 같은 원자로 구성된 분자와 달리 두 개 이상의 서로 다른 원자로 구성된 분자는 분자 궤도 에너지 수준이 더 복잡하지만 원리는 동일합니다.
2. 전하 이동 색상 특성
분자 전체가 전자를 공유하는 분자 궤도 이론은 전자가 한 원자 궤도에서 다른 원자 궤도로 전이되는 것을 전하 이동이라고도 합니다. 전하 이동은 금속-금속(M-M), 비금속-비금속(L-L), 비금속-금속(L-M) 상호 작용에서 발생할 수 있습니다. 그 중 L-L, M-L 이 두 가지 유형의 결합은 주로 공유 결합인 경우가 많습니다. O2 는 공유 결합인 L-L 전하 이동에 속합니다.
(1) 금속-금속 전하 이동(M - M 전하 이동)
이러한 유형의 전하 이동은 일반적으로 일반적인 전이 금속 이온 사이에서 발생합니다. 유색 보석의 착색 원인은 대부분 금속과 금속 간의 전하 이동에 의해 생성됩니다. M-M 전하 이동에는 주로 다음과 같은 유형이 포함됩니다: Fe2+ - Fe3+/Fe3+ - Fe2+Ti3+ - Ti4+ / Ti4+- T3+ Fe2+ - T4+/Fe3+ - T3+Mn2+ - Mn4+/Mn3+ - Mn3+ . 금속 간의 전하 이동은 동종 핵 원자 간의 전하 이동과 이종 핵 원자 간의 전하 이동의 두 가지 유형으로 나뉩니다.
등전자 원자 간 전하 이동
등전자 원자 사이의 전하 이동은 서로 다른 산화 상태에 있는 동일한 전이 금속 원소의 두 원자 사이에서 발생합니다. 예를 들어, Fe2+ 및 Fe3+ 는 서로 다른 산화 환원 조건에서 전하 이동을 겪으며 에너지를 흡수하고 색을 생성합니다. 아이오라이트의 청자색은 서로 다른 산화 상태에서 철 이온의 전하 이동에 의해 생성됩니다. Fe3+ 및 Fe2+ 는 각각 사면체와 팔면체 위치에 있으며 두 개의 리간드가 가장자리로 연결되어 있습니다. 가시광선이 이올라이트에 비추면 Fe의 d 전자 1개가 방출됩니다.2+ 특정 에너지의 빛을 흡수하여 Fe로 전환합니다.3+는 588nm에서 노란색 빛을 흡수하여 청자색을 띠게 됩니다. 아쿠아마린, 녹색 전기석 등도 철 이온 간의 전하 이동으로 인해 색상을 나타낼 수 있습니다.
이원자 간 전하 이동 ② 이원자 간 전하 이동
블루 사파이어는 두 가지 유형의 전이 금속 이온 사이의 전하 이동에 의해 생성되는 색을 가장 전형적으로 보여줍니다. 전이 금속 이온의 배위 다면체는 가장자리 또는 면으로 연결되어 금속 간의 전하 이동을 용이하게 합니다.
예를 들어 사파이어에서 철 이온과 티타늄 이온이 연결된 팔면체에 들어가면 Fe와 Ti는 모두 두 가지 산화 상태로 존재합니다:
Fe2+ + Ti4+ 낮은 에너지(3-7)
Fe3+ + Ti3+ 고에너지(3-8)
방정식 (3-7)에서 방정식 (3-8)로 전환하려면 일정량의 빛 에너지를 흡수해야 하므로 노란색에서 빨간색에 이르는 넓은 흡수 대역이 생깁니다. 반대로 대부분의 청색광은 보석을 통과하여 파란색으로 보입니다.
서로 다른 원자가 상태 사이의 전하 이동은 강한 방향성을 가지며, 이러한 메커니즘으로 인해 색을 나타내는 보석은 종종 다색성을 나타냅니다. 예를 들어, Fe에 의해 착색된 아쿠아마린은2+→ Fe3+ 전하 이동은 광축 방향을 따라 엄격하게 색상을 표시합니다. 그림 3-26은 아쿠아마린이 b 및 c 평면에서 노란색으로 나타나는 것을 보여줍니다. 동시에 A축 방향으로는 이러한 전하 이동이 없으므로 광 흡수가 없으므로 A축 방향을 따라 색이 나타나지 않습니다.
(2) 비금속 대 금속(L-M) 전하 이동
이러한 유형의 L-M 전하 이동은 종종 산소와 금속 이온 사이에서 발생하며 일부 산소 함유 보석은 O와 같은 비금속에서 금속으로의 전하 이동에 의해 착색됩니다.2–→ Fe3+, O2- →Cr6+, O2-→Mn6+, O →V5+.
단순 산화철의 흡수 스펙트럼(그림 3-27)에서 일메나이트, 적철광 및 레피도크로사이트의 적외선 영역에 두 개의 약한 흡수 대역이 나타납니다(d - d 전자 전이). 단파장 범위에서는 강한 흡수 대역이 나타나며, 이는 O2-→Fe3+ 전하 이동이 일어나며, 이 흡수 대역에 따라 적갈색, 갈색, 황갈색 등 화합물의 특징적인 색이 결정됩니다.
1 - 일메나이트; 2 - 헤마타이트; 3 - 레피도크로사이트
노란색 베릴은 O에서 색을 얻습니다.2–→ Fe3+ 전하 이동. 노란색 베릴의 구조에서 O2–→ Fe3+ 강한 전하 이동 흡수는 자외선 끝에서 가시 스펙트럼의 파란색 끝으로 확장되어 보라색과 파란색을 흡수하여 노란색을 생성할 수 있습니다.
베릴과 완전히 다른 배위 환경을 가진 사파이어도 베릴과 동일한 스펙트럼 흡수 대역을 생성하여 노란색을 생성할 수 있으며, 이는 또한 O의 결과입니다.2–→ Fe3+ 요금 전송.
결정장 이론에 따르면 일부 보석 광물에는 짝을 이루지 않은 전자가 포함되어 있지 않아 색을 낼 수 없습니다. 예를 들어, 크로코이트의 전자층(PbCrO4), Pb2+, Cr6+및 O2– 가 가득 찼습니다. 그래도 CrO42- 원자 클러스터는 "분자 궤도"로, 여기 상태의 O2-→Cr6+ 전송하여 흡수 밴드를 형성하고 주황색으로 표시합니다.
L→M 전하 이동에는 일반적인 황철광에서처럼 황이 금속으로 이동하는 것도 포함되며, 전하 이동으로 인한 광학 현상은 밴드 이론으로 설명하면 더 쉽게 이해할 수 있습니다.
(3) 비금속에서 비금속으로의 전하 이동(L-L)
분자 궤도 이론에 따르면 청금석의 진한 푸른색은 청금석의 여기 에너지 수준인 S3- 원자 그룹.
흑연에는 탄소 원자 6개로 이루어진 고리가 층을 이루며 배열되어 있습니다. 이 층을 따라 전자는 어느 정도 자유롭게 이동할 수 있어 강한 빛 흡수, 이방성 및 전도성을 갖습니다.
호박이나 진주와 같은 일부 유기 보석에는 공유 분자 궤도에서 유기 색소의 원자 그룹을 통해 이동하고 여기하는 전자가 있어 가시광선을 흡수하고 색을 생성합니다. 예를 들어 호박의 '허니 옐로우', 산호의 색, 일부 조개와 유색 진주가 이에 해당합니다.
일반적인 보석의 색상 메커니즘은 표 3-12에 나와 있습니다.
표 3-12 일반적인 보석의 색상 메커니즘 분류
| 금속 - 금속 전하 이동 | Fe2+ - Fe3+ /Fe3+ - Fe2+ 이올라이트(파란색), 베르티에라이트(파란색), 마그네타이트(검은색) 등 |
| Fe2+ -Ti4+/Fe3+ - Ti3+ : 카이아나이트(블루), 사파이어(블루) | |
| Mn2+-Mn4+/Mn3+-Mn3+: 망가나이트(블랙), 빅스비라이트(블랙) | |
| 비금속에서 금속으로의 전하 이동 | O2- -Fe3+: 황금 황색 베릴, 황금 황색 사파이어, 일메 나이트, 적철광, 레피도 크로 사이트 등 |
| O2- - Cr6+: 크로코이트 (오렌지) | |
| O2- -V5+：바나디나이트(주황색) | |
| 유황에서 금속으로: 황철광, 마르카사이트 등(갭이 있는 반도체 참조) | |
| 비금속 - 비금속 전하 이동 | S3-: 청금석 (파란색) |
| Π 전자: 흑연(검정) | |
| 호박색과 산호 등 일부 유기 보석의 색상을 사용합니다. |
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섹션 III 에너지 대역 이론
에너지 밴드 이론은 보석 재료를 연구하는 양자 역학적 모델로, 분자 궤도 이론을 더욱 확장하고 확장한 것입니다. 에너지 밴드 이론을 연구하면 일부 천연색 보석의 색상 메커니즘을 더 잘 설명할 수 있습니다.
1. 에너지 밴드 이론의 기본 개념
에너지 밴드 이론은 고체에서 전자 운동 법칙을 연구하는 데 사용되는 대략적인 이론입니다. 고체는 원자핵과 가장 바깥쪽에 있는 전자를 포함하는 원자로 구성되어 있으며, 이 모든 원자는 일정한 운동 상태에 있습니다. 밴드 이론은 고체의 전자가 특정 원자에 묶여 있지 않고 결정 전체가 공유하며 결정의 3차원 공간의 주기적 전위장 내에서 움직인다고 가정합니다. 전자의 운동 범위는 격자의 주기적 전위장 내에 있으므로 전자 궤도의 공간 분포가 분자의 공간 분포를 초과하여 최대에 도달할 수 있습니다. 개별 전자의 에너지 준위는 에너지 대역으로 넓어집니다.
밴드 이론은 주로 모든 원자가 전자가 전체 고체 격자에 속해야 하는 비국소 상태 사이의 전자 전이에 대해 논의합니다. 밴드 이론에 따르면 고체 물질은 원자 궤도가 채워져 있는지 여부에 따라 여러 에너지 대역으로 나눌 수 있습니다. 채워진 밴드는 전자가 완전히 차지한 원자 궤도의 에너지 준위에 의해 형성되며 저에너지 밴드를 나타내고, 빈 밴드는 전자가 완전히 차지하지 않은 에너지 준위에 의해 형성되며 고에너지 밴드를 나타냅니다. 이 두 가지 유형의 밴드 사이의 에너지 차이를 "밴드 갭"이라고 합니다(그림 3-28).
물질의 모든 에너지 밴드가 채워지면 부도체가 되고, 부분적으로 전자가 채워지면 도체가 됩니다. 격자 결함은 결정에 추가 에너지 준위를 도입하여 전자가 이러한 에너지 준위에 진입할 수 있게 하여 조건부 전도성을 초래합니다.
2. 대역 갭 전환의 특성
일부 보석 광물에는 주로 공유 결합을 하는 다이아몬드와 모이사나이트와 같은 주기율표의 그룹 IV A에 속하는 원소가 포함되어 있습니다. 밴드 이론으로 색을 설명할 수 있는 카드뮴 황화물(CdS)과 같은 다른 광물도 있습니다.
전자는 빛 에너지를 흡수하고 원자가 밴드와 전도 밴드 사이를 이동하여 "내부 밴드 전이"를 형성합니다. 전이의 가능성은 원자가 밴드와 전도 밴드 사이의 에너지 차이, 즉 밴드 갭 에너지(Eg)(그림 3-29).
그림 3-29 (a)는 일반적인 반도체 밴드 다이어그램입니다. 결정의 밴드 갭 에너지의 크기에 따라 넓은 밴드 갭, 좁은 밴드 갭, 중간 밴드 갭의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 넓은 밴드 갭은 밴드 갭 에너지가 가시광선 에너지보다 크며, 밴드 갭 에너지가 가시광선 에너지를 초과하면 가시광선이 흡수되지 않고 완전히 통과하여 광물이 무색이 됩니다. 예를 들어 다이아몬드 E의 밴드 갭 에너지는 다음과 같습니다.g 는 약 5.5eV로 무색입니다.
좁은 밴드갭 물질의 밴드갭 에너지는 가시광선보다 작기 때문에 모든 가시광선을 흡수하여 짙은 회색 녹색 또는 검은색을 띠게 됩니다. 예를 들어 갈레나의 밴드갭 에너지는 E입니다.g 0.4eV 미만으로, 납 회색으로 보입니다. 이 "좁은 밴드갭 반도체"는 적절한 기하학적 모양을 가지면 정류 및 증폭 특성을 나타냅니다.
중간 밴드갭 물질의 에너지는 정확히 가시광선 범위 내에 있으며, 보석 광물은 다양한 색상을 나타냅니다. 그림 3-29 (c)에 적색-황색에서 녹색-청색-보라색에 이르는 색상 순서가 나와 있습니다. 예를 들어, 밴드갭 에너지(Eg) 카드뮴 황화물(CdS)의 밴드갭 에너지는 약 2.5eV로, 파란색과 보라색 빛을 흡수하여 노란색으로 보입니다. 진사의 밴드갭 에너지는 약 2eV로 빨간색 빛만 통과시켜 빨간색으로 보입니다. 오르피먼트의 밴드갭 에너지는 약 2.5eV로 노란색으로 나타납니다.
밴드 이론으로 설명되는 천연 보석 광물의 또 다른 범주는 불순물이 포함된 넓은 밴드갭 물질의 색입니다. 예를 들어 불순물이 포함된 다이아몬드의 경우 다이아몬드의 밴드갭 에너지는 약 5.5eV로, 가시광선이 다이아몬드를 통과할 때 흡수되지 않으며, 순수한 다이아몬드는 무색이지만 불순물이 포함되면 상황이 달라집니다.
(1) 옐로우 다이아몬드의 색상 메커니즘
질소 원자는 탄소 원자의 위치를 대체합니다. 질소 원자는 탄소 원자보다 전자가 하나 더 많기 때문에 이 여분의 전자는 밴드갭에서 불순물 에너지 준위를 형성하며, 질소 원자가 "공여체" 역할을 하는 공여체 에너지 준위를 형성합니다.
이 불순물 레벨이 존재하면 밴드 갭의 에너지가 4eV[[그림 3-30 (a)]]로 감소합니다. 이보다 더 낮아져 자외선과 약간의 3eV 보라색 빛을 흡수할 수 있어 다이아몬드가 노란색으로 보일 수 있습니다.
탄소 원자 10만 개당 질소 원자가 하나만 있어도 다이아몬드를 진한 노란색으로 만들 수 있는 강력한 효과입니다. 그러나 밴드 갭 감소는 다이아몬드가 상온에서 전도성을 갖기에는 여전히 불충분합니다.
(2) 블루 다이아몬드의 색상 메커니즘
붕소는 탄소보다 전자가 하나 적기 때문에 다이아몬드의 밴드 갭에서 "억셉터 레벨"을 형성합니다. 붕소는 여분의 전자를 가지고 있지 않지만 다이아몬드의 원자가 밴드에서 전자를 받아들여 원자가 밴드에 구멍을 만들고[그림 3-30 (b)], 원자가 밴드 위에 약 0.4eV의 불순물 에너지 대역을 형성하여 억셉터 레벨로 알려져 있습니다.
억셉터 에너지 준위는 단순하지 않으며, 청색을 생성할 수 있는 불순물 에너지 밴드의 복잡한 구조입니다. 억셉터 에너지 레벨은 원자가 밴드에 "구멍"을 생성하여 이 "구멍" 타입 II b 블루 다이아몬드가 전기를 전도할 수 있게 합니다.
탄소 원자 백만 개당 붕소 원자 하나가 파란색을 형성할 수 있습니다. 이 블루 다이아몬드의 알루미늄 함량이 높고 알루미늄은 탄소보다 외층 전자가 하나 적기 때문에 이전에는 알루미늄이 억셉터 역할을 하는 것으로 여겨졌습니다. 하지만 최근 실험을 통해 알루미늄이 아닌 붕소라는 사실이 입증되었습니다.
타입 II b 전도성 블루 다이아몬드는 자연적으로 파란색이며, 전도성은 조사된 블루 다이아몬드(컬러 센터)와의 차이점 중 하나입니다. 이 속성은 종종 두 가지 유형의 다이아몬드를 구별하는 데 사용됩니다. 그러나 옐로우 질소 도너 다이아몬드는 전기를 전도하지 않으므로 이 방법을 사용하여 조사된 옐로우 다이아몬드와 구별할 수 없습니다.
3. 밴드 전환에 의해 착색된 보석 광물
에너지 밴드 이론은 천연 보석의 색상 형성의 일부를 설명할 수 있습니다. 밴드 갭 에너지는 결정의 고유한 특성으로 외부 조건에 의해 변하지 않기 때문에 보석의 색상은 안정성이 우수합니다. 결정의 전도도는 결정의 에너지 밴드가 전자로 채워져 있는지 여부에 따라 결정할 수 있습니다. 표 3-13에는 밴드 이론으로 설명할 수 있는 보석 색의 종류와 전도도 특성이 나와 있습니다.
표 3-13 밴드 이론으로 설명하는 보석 색의 종류와 전도도
| 도체(금속 색상 및 금속 광택) | 요소 | 구리, 금, 철, 은, 수은 등 |
| 합금 | 아말감, 운석 니켈 철 | |
| 반도체 | 좁은 대역 간격 | 불투명한 회색에서 검은색: 알타이트, 갈레나 |
| 불투명한 금속 색상: 코발틴, 마르카사이트, 황철광, 스말타이트 | ||
| 적당한 대역 간격 | 빨간색: 진사, 프루스타이트, 피라기라이트 | |
| 오렌지: Realgar | ||
| 황색: 카드뮴 황화물, 레알가, 유황 | ||
| 넓은 대역폭 | 무색: 다이아몬드, 스팔러라이트 | |
| 불순물 함유 와이드 밴드갭 반도체 | 기증자 불순물: 질소 도핑 다이아몬드(노란색) | |
| 호스트의 불순물: 붕소 함유 다이아몬드(파란색) |
밴드 전이에 의한 보석의 색은 보석 형성 당시의 구조 및 결합 유형과 관련이 있습니다. 나중에 발생하는 불순물 및 결정 결함과는 거의 관련이 없습니다. 보석의 밴드 갭 에너지의 크기는 고정되어 있습니다. 보석 재료의 특성에 따라 변하지 않으므로 기존의 최적화 방법으로는 일반적으로 보석의 색상을 개선할 수 없습니다.
섹션 IV 물리적 광학 효과
대부분의 천연 보석은 빛을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 보석마다 다른 파장의 가시광선을 흡수하여 다른 색을 띠게 됩니다. 선택적 광 흡수 외에도 보석 결정의 내부 구조는 물리적 광학 효과를 유발하여 보석의 색상을 다르게 만들 수 있습니다.
1. 물리적 광학 효과와 관련된 보석 광물
물리적 광학 효과에 의해 생성되는 색상은 결정 구조 또는 구성 및 내포물에 의해 발생하는 빛의 분산, 간섭, 회절 및 기타 이유로 인해 형성됩니다. 이는 물리적 광학 이론으로 설명할 수 있는 광학 효과일 뿐입니다. 보석마다 동일한 광학 효과 하에서 다른 색상을 생성할 수 있습니다. 색상을 유발하는 일반적인 미량 원소 외에도 물리적 광학 효과로 인해 색상이 생성되는 이유는 주로 보석의 내부 구조 및 물리적 특성과 관련이 있습니다. 물리적 광학 효과로 인해 색상을 유발하는 보석 광물의 종류는 표 3-14에 나와 있습니다.
표 3-14 물리적 광학 효과로 인한 보석 광물의 종류
| 기능 | 광학 속성 및 색상 | 보석 광물 |
|---|---|---|
| 분산 산란 | 반짝임 | 다이아몬드, 지르콘, 루틸, 티탄산 스트론튬과 같은 분산 보석의 "불" |
| 파란색 | 문스톤, 블루 쿼츠, 오팔 | |
| 보라색 | 형석(칼슘 미세 결정의 산란) | |
| 빨간색 | 루비 유리, 구리 또는 금의 미세 결정 산란 | |
| 흰색 | 밀키 쿼츠 | |
| 캣츠아이 효과 | 캣츠아이 아쿠아마린, 캣츠아이 피록센 등 | |
| 별빛 효과 | 커런덤과 가닛의 다양한 별 효과 | |
| 광택 | 진주, 아포필라이트 등의 광택이 있습니다. | |
| 스파클 | 어벤추린, 흑요석 등의 반짝임 | |
| 간섭 회절 | 박막의 순수한 스펙트럼 컬러 | 홍채 석영 균열의 변색된 막, 칼코피라이트의 무지개 |
| 간섭 효과 | 오팔의 색상 변화, 래브라도 라이트의 효과 | |
| 포함 | 파란색 | 석영의 듀모르티에라이트 |
| 녹색 | 녹색 칼세도니의 녹색 칼세도니와 니켈 정맥, 스타 쿼츠의 푸크 사이트 | |
| 오렌지 | 파이어 오팔과 살색 칼세도니의 하이드레이티드 산화철 | |
| 빨간색 | 오르토클라제의 적철광 조각 |
2. 간섭 및 회절 효과
(1) 간섭 효과
간섭 현상은 두 개의 광선이 동일한 광 경로를 따라 또는 평행한 방향으로 전파될 때 발생합니다. 보석에서 흔히 볼 수 있는 간섭 현상은 무지개 빛깔입니다. 예를 들어 무지개 빛깔의 석영에서 간섭 색상은 필름의 두께, 필름의 굴절률 및 입사광의 특성에 따라 달라집니다.
진주의 간섭 색은 굴절률이 다른 두 물질(아라곤나이트와 나크룸)이 동심원으로 층을 이루며 교대로 중첩되어 형성되는데, 이때 입사광이 교대하는 층 사이의 표면에서 반사되고 반사된 빛이 입사광을 간섭하여 아름다운 간섭 색을 만들어 냅니다.
(2) 회절 효과
회절은 광파가 장애물을 만날 때 원래의 직선 전파에서 벗어나는 물리적 현상을 말합니다. 물리학에서 광파는 슬릿, 작은 구멍 또는 원반과 같은 장애물을 통과할 때 다양한 정도의 굴절과 산란을 겪습니다. 광원과 관찰 화면 사이에 장애물이 있으면 관찰 화면에 밝은 영역과 어두운 영역이 나타나고, 이 영역의 경계가 뚜렷하지 않아 명암이 복잡한 패턴을 형성하게 됩니다. 이 현상을 회절이라고 합니다. 이러한 현상은 광파가 전파 경로를 따라 장애물을 만날 때마다 발생할 수 있습니다. 회절을 일으키는 가장 중요한 요소는 보석 광물에 주기적으로 간격을 둔 회절 격자가 존재한다는 것입니다.
오팔 색상 변경
오팔에서 수분을 함유한 실리카 구체는 동일한 직경을 가지며 규칙적인 교대 층 구조로 배열되어 주기적으로 간격을 둔 회절 격자를 형성합니다. 빛이 오팔에 들어오면 회절이 발생하여 색이 변합니다(그림 3-31, 3-32). 색상의 종류와 색상 변화의 정도는 주로 적층된 실리카 구의 평면 간 간격에 따라 달라집니다.
예를 들어, 면 중심의 큐빅 평판 구조와 격자 간격이 3×10인 오팔의 경우-10m은 녹색에서 빨간색까지 다양한 색상을 나타내며, 격자 간격이 2.5×10인 오팔 유형입니다.-10m은 파란색에서 노란색까지 다양한 색상을 표시합니다.
래브라도라이트 효과
래브라도라이트는 오팔과 유사한 효과도 나타냅니다(그림 3-33). 라브라도라이트는 태양의 다채로운 빛에 따라 번쩍일 수 있기 때문에 스펙트로라이트라고도 합니다. 핀란드에서 생산되는 다양한 종류의 라브라도라이트는 다양한 스펙트럼 색상을 나타낼 수 있는데, 이를 "라브라도라이트 효과"라고 합니다. 라브라도라이트의 색상 변화 효과는 조성이 다른 플라보오클라제의 작은 층간 용융으로 인한 것입니다. 서로 다른 장석 간의 굴절률의 미세한 차이가 빛의 간섭과 회절을 일으켜 발광과 색상 변화를 일으킵니다. 이 구조에 의해 생성되는 색상은 층의 상대적인 두께와 굴절률과 관련이 있습니다. 간혹 멕시코산 안드라다이트도 회절 현상을 나타냅니다.
3. 산란 및 내포물
(1) 스캐터링
산란은 일반적으로 보석 재료의 내부 구조가 불규칙하거나 구성 요소의 크기가 회절 조건의 한계를 초과할 때 발생합니다. 산란에 의해 생성되는 색상 효과는 보석 재료의 입자 크기 및 모양과 관련이 있습니다. 입사광이 가시광선 파장보다 작은 불규칙하게 배열된 입자와 상호작용하면 투과된 고에너지 광파가 저에너지 광파보다 강해져 대부분의 경우 보라색과 파란색만 볼 수 있습니다. 예를 들어, SiO2 오팔의 작은 구체는 가시광선 파장보다 직경이 작으며 산란 입자의 크기가 가시광선 파장에 가까울 때 산란 색상이 발생할 수도 있습니다.
예를 들어 자주색 형석은 방사선을 조사하면 불소 원자가 방출되어 불소 원자와 결합한 칼슘 원자가 가시광선 파장과 비슷한 크기의 육각형 판으로 응축되어 발생합니다. 칼슘 판과 광파 사이의 상호 작용으로 산란이 발생합니다. 일부 광파를 흡수하여 녹색에서 적색광 영역에서 강한 흡수 피크를 생성하여 보라색 빛이 통과하여 보라색을 생성할 수 있도록 합니다.
같은 크기의 금속 원소 입자는 비슷한 색상 효과를 낼 수 있고, 다른 금속 입자는 다른 색상을 낼 수 있으므로 일부 모조 보석은 이 속성을 사용하여 제조됩니다.
예를 들어 '루비' 유리는 유리에 구리 또는 금 입자를 첨가하여 루비와 비슷한 붉은 색을 띠게 됩니다. 보석 재료에 가시광선 파장보다 큰 내포물, 미세 균열 또는 기포가 포함되어 있으면 광파가 이러한 산란 입자와 상호 작용하여 산란된 광파가 재결합하여 반투명한 유백색 빛을 생성합니다. 예를 들어, 특정 월장석 모조품이 이에 해당합니다.
월장석의 달빛 효과는 빛의 산란에 의해서도 만들어집니다(그림 3-34). 월장석은 알칼리성 장석으로, 칼륨이 풍부한 장석과 나트륨이 풍부한 장석이 평행한 층을 번갈아 가며 형성된 복합체입니다. 층간 두께는 일반적으로 50~1000nm이며, 더 얇은 층은 산란을 일으킬 수 있습니다. "래브라도라이트 효과"로 알려진 플라보오클라제에서도 동일한 산란 색상이 발생할 수 있습니다.
산란 입자의 특수한 방향 배열은 특징적인 광학 효과를 생성할 수 있습니다. 예를 들어 산란 입자가 평행한 섬유 형태일 경우 스타 사파이어나 석영 캣츠아이와 같은 캣츠아이 또는 스타 효과를 생성합니다. 산란 입자가 육안으로 구분할 수 있을 정도로 큰 경우 태양석(그림 3-35) 및 금석 유리와 같은 "금석 효과"를 생성할 수 있습니다.
(2) 포함 사항
내포물에 의해 생성되는 색상과 광학 현상은 특별한 유형의 산란입니다. 거의 무색에 가까운 주 결정에 색이 포함된 내포물은 니켈 함유 줄무늬 칼세도니 및 수분 함유 산화철(II)(FeO-H) 등 내포물의 색을 나타냅니다.2O) 살색 칼세도니; 마다가스카르의 오르토클라제 색상과 일부 코디라이트는 약간 더 크지만 여전히 미세한 적철광 내포물에 의해 형성되어 붉은 색을 띠며, 수산화철의 미세한 내포물은 종종 파이어 오팔을 착색합니다.
다이아몬드는 수많은 내포물이 존재하기 때문에 종종 다른 색상을 나타냅니다. 내포물에 의해 착색되는 다이아몬드는 검은색, 주황색, 갈색-빨간색 등이 있습니다. 다이아몬드에 어둡고 불투명한 광물 내포물이 무수히 포함되어 있으면 검은색으로 보이고, 강한 투과광으로 검사하면 어두운 내포물이 많이 관찰되어 다이아몬드가 짙은 회색으로 보이며, 다른 유형은 다이아몬드 균열에서 발생하는 이차 내포물입니다. 균열이 발생하여 이러한 색상의 내포물로 채워지면 다이아몬드는 갈색-적색 또는 주황색-적색으로 보이며, 이를 "산화" 다이아몬드라고도 합니다.
4. 분산
백색광이 물체를 통과하면서 다양한 스펙트럼 색상으로 분해되는 현상을 분산이라고 합니다. 보석의 분산은 투명한 보석의 경사진 면을 통과할 때 빛이 여러 파장의 스펙트럼 색상으로 분산되는 성질을 말합니다. 백색광을 구성하는 단색광의 파장이 서로 다른 재료에서 서로 다른 속도와 굴절률로 전파되기 때문에 특정 조건에서 백색광은 다양한 스펙트럼 색상으로 분해될 수 있습니다. 보석의 분산 값의 크기는 보석의 물리적 특성에 따라 결정되며, 각 보석은 보석의 특성에 따라 변하지 않는 고유한 분산 값을 가지고 있습니다. 다이아몬드의 독특한 매력은 높은 분산 값(0.044)과 밀접한 관련이 있습니다.
지르콘의 분산 값은 0.039, 합성 모이사나이트의 분산 값은 0.104 등 대부분의 다이아몬드 모조품은 분산 값이 더 높습니다. 다이아몬드와 일반적인 모조 보석의 분산값 비교는 표 3-15에 나와 있습니다.
표 3-15 다이아몬드와 일반적인 모조 보석의 분산 값 비교
| 보석 이름 | 분산 값 |
|---|---|
| 다이아몬드 | 0.044 |
| 지르콘 | 0.039 |
| Corundum | 0.018 |
| 스피넬 | 0.020 |
| 토파즈 | 0.014 |
| Beryl | 0.014 |
| 크리스탈 | 0.014 |
| 합성 루틸 | 0.280 |
| 합성 스트론튬 티타네이트 | 0.190 |
| 합성 모이사나이트 | 0.104 |
분산은 흔히 보석의 '불'이라고도 합니다. 예를 들어 다이아몬드는 분산도가 높고 그 불빛이 매우 뚜렷하여 이미 왕족의 지위를 누리고 있는 다이아몬드의 고유한 매력을 더욱 돋보이게 합니다.
물리적 광학 효과에 의해 생성되는 색상에는 여러 가지 유형이 있으며, 모두 물리적 광학 이론으로 설명할 수 있습니다. 보석 자체의 고유한 특성인 분산을 제외한 다른 현상은 보석 형성 후의 구조적 변화와 기계적 내포물의 차이로 인해 발생합니다. 보석 색상의 다양한 원인을 이해하면 천연 및 합성 보석의 처리를 최적화할 수 있는 이론적 근거를 마련할 수 있습니다.
