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Porque é que as pedras preciosas têm várias cores?
Segredos da formação das cores e métodos de medição
As cores das pedras preciosas são ricas e variadas, possuindo um encanto único que as pessoas sempre adoraram. A qualidade das pedras preciosas depende em grande parte da sua cor. A cor de uma pedra preciosa é um indicador importante na avaliação da pedra preciosa, e a maioria dos tratamentos de otimização para pedras preciosas envolve a alteração ou melhoria da sua cor. Por isso, compreender as causas da coloração das pedras preciosas é um pré-requisito crucial para o tratamento de otimização das pedras preciosas. Só dominando a forma como as pedras preciosas adquirem a sua cor é que se pode determinar se uma pedra preciosa pode ser optimizada, qual o esquema de otimização a adotar e qual o plano experimental a estabelecer. Existem cinco teorias comuns de coloração de pedras preciosas: teoria da mineralogia clássica, teoria do campo cristalino, teoria do orbital molecular, teoria da banda de energia e efeitos ópticos físicos. Estas teorias constituem as teorias de coloração das pedras preciosas naturais comuns, e o que se segue é uma breve introdução a estas cinco teorias de coloração.
Diagrama esquemático dos três elementos da cor
Índice
Secção I Cor e medição da cor das pedras preciosas
As cores das pedras preciosas são ricas e variadas, e determinar os tipos de cores das pedras preciosas é crucial para avaliar o seu valor. Diferentes graus de cor também afectam o valor das pedras preciosas; por isso, avaliar com precisão as cores de várias pedras preciosas é um pré-requisito fundamental para determinar o seu valor. Ao avaliar as pedras preciosas coloridas, a cor é o fator mais importante. De um modo geral, quanto mais atractiva for a cor de uma pedra preciosa, maior será o seu valor. As cores brilhantes, ricas e intensas são normalmente mais apelativas do que as demasiado escuras ou demasiado claras. Claro que há excepções, como os diamantes, em que quanto maior for a brancura da cor do diamante, maior será o seu valor.
1. O significado das cores das pedras preciosas
Desde a antiguidade, as pessoas adoram as pedras preciosas pelo seu encanto único, especialmente os tons ricos e coloridos das pedras preciosas, como o rubi vermelho sangue de pombo, a esmeralda verde viva e o jade, que deixam uma impressão duradoura. A cor é um indicador importante para avaliar a qualidade das pedras preciosas e desempenha um papel crucial na determinação da sua qualidade, com significado refletido principalmente nos três aspectos seguintes.
(1) A cor dos minerais de pedras preciosas é uma base importante para a avaliação de pedras preciosas
A cor de uma pedra preciosa é fundamental para a sua avaliação e determina o seu valor. Por exemplo, nos diamantes, uma diferença de um grau na cor pode levar a uma diferença de preço de aproximadamente 5%. Quanto maior for a brancura, maior será o grau do diamante; pelo contrário, os diamantes com tons amarelos ou castanhos têm graus mais baixos e os seus preços caem a pique. Os preços dos diamantes coloridos variam, e diamantes de cores diferentes têm preços diferentes. No entanto, de um modo geral, os preços dos diamantes de cor rara podem multiplicar-se. Outras pedras preciosas coloridas, como rubis, safiras e esmeraldas, também são classificadas em diferentes graus com base na cor, e o valor das pedras preciosas em diferentes graus pode variar significativamente.
(2) O tratamento de otimização das pedras preciosas consiste frequentemente em melhorar a sua cor
Os métodos de tratamento de otimização para pedras preciosas envolvem normalmente a alteração ou melhoria da cor das pedras preciosas, pelo que a melhoria das pedras preciosas também pode ser referida como alteração da cor das pedras preciosas. À medida que a cor da pedra preciosa melhora, a transparência também muda em conformidade. Isto deve-se ao facto de a transparência ser uma propriedade relacionada com a cor. Por exemplo, as safiras azuis parecem ter muitas cores pretas opacas a olho nu, mas o azul transparente pode ser visto quando cortado em fatias finas. A melhoria da transparência acompanha frequentemente a melhoria da cor. Portanto, somente determinando a causa da cor da pedra preciosa é que se pode determinar os métodos para melhorar a pedra preciosa. Compreender a causa da cor é um pré-requisito para estudar os tratamentos de otimização de pedras preciosas.
(3) O estudo das causas da cor das pedras preciosas fornece uma base teórica para as pedras preciosas sintéticas e para o melhoramento das pedras preciosas.
As cores das pedras preciosas como a granada, a malaquite e a olivina são devidas aos seus componentes inerentes, e estas pedras preciosas não podem ter as suas cores alteradas utilizando métodos convencionais de tratamento de otimização. A maioria das cores das pedras preciosas é devida a impurezas causadas por iões de impureza, como nos rubis, safiras, esmeraldas, jade e ágata. Com base nas causas da cor da pedra preciosa, durante o melhoramento, o conteúdo e o estado de valência de certos iões de impureza causadores de cor podem ser alterados para mudar ou melhorar a cor da pedra preciosa, aumentando assim a qualidade da pedra preciosa melhorada. Por conseguinte, o estudo das causas da cor das pedras preciosas é a base teórica para o melhoramento das pedras preciosas.
2. A física da cor
(1) Cor e ondas de luz
Os fotões transportam a energia da luz e, quando atingem o olho humano, criam a sensação de cor. A cor é a perceção da luz pelos olhos e pelo sistema nervoso; a resposta gerada pelos sinais formados na retina do olho estimula o córtex cerebral. A formação da perceção da cor tem três componentes principais: a fonte de luz, o objeto e o olho humano. A alteração de um ou mais destes três elementos altera a perceção da cor. As gemas interagem com a luz, e fenómenos como a reflexão, refração, transmissão, interferência e difração que ocorrem na superfície da gema resultam em cores diferentes.
A gama de energia do espetro de radiação electromagnética é bastante grande, variando de fotões de ondas de rádio muito longos a fotões de raios muito curtos, com uma gama de energia de menos de um bilionésimo de um eletrão-volt a mais de cem milhões de electrões-volt.
A luz visível que o olho humano pode aceitar e perceber é uma parte muito pequena do espetro eletromagnético, com uma gama de comprimentos de onda de 400-700nm e uma energia de cerca de 1,7-3,1eV. Se as condições de observação forem suficientemente boas, a gama pode ser alargada até 380-760nm (Figura 3-1). A luz visível inclui as cores que vemos, nomeadamente o vermelho, o laranja, o amarelo, o verde, o ciano, o azul, o roxo e várias outras cores. Diferentes comprimentos de onda da luz visível produzem cores diferentes; a cor da luz visível com o comprimento de onda mais longo e a energia mais baixa é o vermelho, com uma gama de comprimentos de onda de 647-760nm; a luz visível com o comprimento de onda mais curto e a energia mais elevada é o púrpura, com uma gama de comprimentos de onda de 400-425nm. Outras cores de luz visível situam-se entre 425 e 647 nm. Os comprimentos de onda das várias cores da luz visível e as suas cores complementares são apresentados na Tabela 3-1.
Tabela 3-1 Comprimentos de onda de várias cores da luz visível e suas cores complementares
| Comprimento de onda/nm | Cor espetral | Complementar |
|---|---|---|
| 400 ~ 425 | Púrpura | Amarelo-verde |
| 425 ~ 455 | Azul | Amarelo |
| 455 ~ 490 | Verde-azul | Laranja |
| 490 ~ 500 | Azul-verde | Vermelho |
| 500 ~ 560 | Verde | Magenta |
| 560 ~ 580 | Amarelo-verde | Púrpura |
| 580 ~ 595 | Amarelo | Azul |
| 595 ~ 647 | Laranja | Verde-azul (ciano) |
| 647 ~ 760 | Vermelho | Verde |
A essência da cor de um objeto é o resultado da absorção selectiva de diferentes comprimentos de onda da luz visível pelo objeto. A essência da absorção selectiva de diferentes comprimentos de onda da luz visível por um objeto é a absorção de fotões de luz visível com diferentes energias. Quando a luz natural incide sobre uma pedra preciosa, esta absorve uma parte da luz e também a transmite. A cor apresentada pela pedra preciosa é a cor complementar da luz absorvida, coerente com a cor da luz transmitida (Figura 3-2). Por exemplo, no caso do rubi, quando a luz branca passa através do rubi, os iões de crómio contidos no rubi ganham energia ao absorver todos os fotões violetas e verdes, bem como a maioria dos fotões azuis, enquanto os fotões de outras cores, predominantemente vermelhos, passam através do rubi, fazendo com que a pedra preciosa pareça vermelha.
Um único comprimento de onda de luz não produz a cor formada por um objeto; em vez disso, a radiação do objeto é uma mistura de fotões com diferentes energias, em que a banda de energia com a maior proporção determina a cor do objeto. Uma mistura uniforme de várias cores de luz forma a luz branca. A geração das cores das pedras preciosas resulta da absorção selectiva de fotões de diferentes comprimentos de onda da luz visível. Quando a luz branca passa através de uma pedra preciosa, a luz absorvida e transmitida pela pedra preciosa é uma mistura, e a cor apresentada pela pedra preciosa depende daquela que tem a maior proporção da luz transmitida. Por exemplo, no caso de um rubi, quando a luz branca incide sobre o rubi, a luz que o atravessa é predominantemente vermelha com uma pequena quantidade de roxo-azulado. Assim, os rubis aparecem frequentemente vermelhos com uma tonalidade púrpura-azulada.
(2) Tipos e propriedades das fontes de luz
A cor das pedras preciosas tem uma certa subjetividade, que está relacionada com o ambiente do observador e é mais influenciada pela fonte de luz. A observação da cor das pedras preciosas sob diferentes fontes de luz pode mostrar diferenças; por exemplo, uma alexandrita aparece verde à luz do sol, mas vermelha sob luz incandescente. Geralmente, as pessoas consideram que a cor vista à luz natural do sol é a cor padrão, comummente referida como luz branca.
As operações iniciais do mercado de pedras preciosas foram realizadas em horários específicos para obter uma cor relativamente precisa da pedra preciosa. Por exemplo, as lojas de pedras preciosas em Ratnapura, Sri Lanka, funcionaram durante muitos anos entre as 10 e as 12 horas, uma vez que a fonte de luz durante este período é a mais próxima da luz branca. A luz solar e a luz do dia não são fontes de luz isotrópicas, e as diferenças relativas nas quantidades relativas de radiação em diferentes comprimentos de onda entre diferentes fontes de luz podem ser muito grandes devido a diferentes condições de observação. A Figura 3-3 apresenta as curvas de distribuição de energia de cinco fontes de luz comuns, e as diferenças de energia entre estas fontes de luz são muito grandes.
S - Luz solar direta; O - Iluminação da luz do céu encoberto no plano horizontal; T - Iluminação da luz solar e do céu limpo no plano horizontal; N - Luz do céu limpo a norte; Z - Luz zenital;
As caraterísticas de cor da luz solar direta são frequentemente expressas em termos de temperatura de cor (medida em K). A mesma temperatura de cor indica cores semelhantes de fontes de luz. As temperaturas de cor da luz do dia atualmente reconhecidas são D6500K, D5500K e D7500K. Três lâmpadas são designadas internacionalmente como fontes de luz padrão para trabalhos de medição de cor. SA representa a iluminação artificial média de uma lâmpada incandescente de tungsténio, com uma temperatura de cor de 2854K；SB representa a luz solar média, com uma temperatura de cor de 4900K; SC representa a luz do dia média, com uma temperatura de cor de 6700K. Nos testes de pedras preciosas, a fonte de luz Sc é utilizada como fonte de luz padrão.
(3) Sensibilidade aos efeitos da luz e da cor
A observação das cores das pedras preciosas é subjectiva; para além das condições objectivas, a cor da pedra preciosa está também relacionada com a perceção sensorial do observador. Sob a mesma fonte de luz, os olhos humanos têm sensibilidades diferentes para cores diferentes, e pessoas diferentes têm sensibilidades diferentes para as cores. A observação da cor é subjectiva; para atingir a maior objetividade possível, as cores têm de ser caracterizadas e expressas de forma relativamente objetiva.
① Efeito fotorreceptor:
Em condições normais, a gama de comprimentos de onda das fontes de luz visível que o olho humano pode observar é de 400-700nm. A gama de sensibilidade pode ser alargada, melhorando as condições de observação, para 380-780nm. O olho humano tem sensibilidades diferentes para ondas de luz de diferentes comprimentos de onda. Para a visão diurna, o olho é mais sensível à luz verde com um comprimento de onda de 555nm, enquanto o comprimento de onda mais sensível para a visão crepuscular passa para 507nm. Os semáforos na estrada são concebidos com base nas cores a que o olho humano é mais sensível.
② Sensação de cor:
A cor é a sensação causada pelos diferentes componentes espectrais da energia de radiação dentro da gama da luz visível. A visão de uma pessoa normal pode distinguir mais de 150 tonalidades de cores puras do espetro. Embora exista uma correspondência de um para um entre as ondas de luz e as cores, a correspondência entre as cores e as ondas de luz não é singular; muitas vezes, uma cor de luz pode ser formada pela combinação de duas ou mais cores de luz. As três cores básicas independentes são o vermelho, o verde e o azul, conhecidas como cores primárias. Outras cores são formadas pela mistura de duas ou mais cores primárias em diferentes proporções, e o olho humano é muito sensível às cores, capaz de distinguir muitas cores diferentes.
3. Três elementos que representam a cor
A cor resulta da absorção selectiva da luz pelas pedras preciosas, e pedras preciosas diferentes exibem cores diferentes. A atual teoria da cor sugere que as caraterísticas da cor dependem do brilho, matiz e saturação (Figura 3-4). Os tipos de cores das pedras preciosas podem ser determinados através da descrição dos três elementos das diferentes cores.
(1) Luminosidade
O brilho é o grau de luminosidade causado pela ação da luz no olho humano, referindo-se ao grau de cores claras e escuras, e também pode ser designado por luminância. O brilho depende em grande parte da perceção do olho dos níveis de luz e escuridão da fonte de luz e da superfície do objeto, determinada principalmente pela intensidade da luz. O brilho depende do nível de iluminação do objeto e da refletividade da superfície do objeto.
O brilho pode ser entendido como a luminosidade de uma cor; cores diferentes têm níveis de brilho diferentes, e qualquer cor apresenta variações de claro e escuro. O brilho tem duas caraterísticas: o mesmo objeto pode apresentar alterações de brilho devido a uma iluminação diferente, e luzes de cores diferentes com a mesma intensidade podem também ter níveis de brilho diferentes.
Na ausência de cor, a cor com o brilho mais elevado é o branco e a cor com o brilho mais baixo é o preto, com uma escala de cinzentos entre o claro e o escuro. Na cor, qualquer grau de pureza tem as suas caraterísticas de brilho. Por exemplo, o amarelo tem o brilho mais elevado, enquanto o roxo tem o mais baixo. O verde, o vermelho, o azul e o laranja têm níveis de brilho semelhantes, representando um brilho médio. Além disso, dentro da mesma tonalidade, existem variações de brilho do claro para o escuro, como o verde claro, o verde pálido e o verde esmeralda no espetro verde.
(2) Matiz
A tonalidade refere-se às diferenças entre cores diferentes e é a caraterística mais proeminente da cor. A tonalidade é determinada pelos componentes espectrais da luz que passa através de um objeto e chega ao olho humano depois de incidir sobre ele, dependendo do comprimento de onda da luz transmitida. A tonalidade de um objeto é determinada pelo espetro da fonte de luz incidente e pela luz reflectida ou transmitida pelo próprio objeto.
A chamada tonalidade refere-se ao nome que pode representar com mais exatidão uma determinada categoria de cor, como vermelho-rosa, amarelo-laranja, amarelo-limão, azul-cobalto, vermelho-púrpura, verde-esmeralda, etc. Do ponto de vista da ótica física, as várias tonalidades são determinadas pelos componentes espectrais da luz que entra no olho humano. Para a luz monocromática, os tipos de tonalidade dependem completamente do comprimento de onda dessa luz; para a luz de cor mista, dependem das quantidades relativas de vários comprimentos de onda da luz. A cor de um objeto é determinada pelos componentes espectrais da fonte de luz e pelas caraterísticas da luz reflectida (ou transmitida) pela superfície do objeto. Está relacionada com o comprimento de onda da luz. Por exemplo, uma cor com um comprimento de onda dominante de 470 nm é designada por azul de comprimento de onda de 470 nm, normalmente visto como o azul das safiras.
(3) Saturação
A saturação de uma cor refere-se à pureza e vivacidade da cor, indicando a proporção de componentes cromáticos contidos na cor. Quanto maior for a proporção de componentes cromáticos, maior será a pureza da cor; quanto menor for a proporção de componentes cromáticos, menor será a pureza da cor. A saturação muda quando uma cor é misturada com preto, branco ou outras cores. Quando a proporção da cor misturada atinge um nível significativo, a cor original perderá o seu brilho original para o olho e a cor vista tornar-se-á a da cor misturada. Claro que isto não significa que a cor original já não existe, mas sim que a cor original foi assimilada devido às muitas outras cores misturadas, tornando-a impercetível ao olho humano.
As luzes monocromáticas no espetro visível têm a saturação mais elevada e são as mais vivas. A luz monocromática é normalmente considerada como 100/100 = 1 e, à medida que a cor se desvanece, o valor diminui gradualmente, tendo o branco puro uma saturação nula. Tomando a tinta azul pura como exemplo, a saturação da tinta azul pura é 1 e, à medida que se dilui gradualmente até ficar completamente incolor, a saturação torna-se zero.
4. Medição da cor da pedra preciosa
O sistema que representa quantitativamente a cor é designado por sistema de cor. Existem dois tipos de sistemas de cor normalmente utilizados: um é um sistema de cor baseado em amostras de cor padrão para comparação e o outro é um conjunto de sistemas de cor padrão medidos com instrumentos modernos de medição de cor.
(1) Sistema de cores das amostras de cores padrão
Este sistema de cores consiste em vários "cartões de cores" feitos de papel que são amostras de cores padrão compiladas num livro. Estes são comparados com amostras de pedras preciosas para selecionar o "cartão de cor" que corresponde à cor da pedra preciosa.
① Sistema de cores Munsell
O sistema de cores Munsell é um dos primeiros e mais clássicos sistemas de representação de cores. Ainda hoje é utilizado por algumas organizações. Foi criado em 1905 pelo educador e teórico da cor americano Albert Munsell, que recebeu o seu nome em sua homenagem. É uma forma de representar as cores através de um modelo de cor-sólido. O "Munsell Color Atlas", publicado pela Optical Society of America (OSA), inclui versões brilhantes e mate.
A versão brilhante inclui 1450 amostras de cores, acompanhadas por um conjunto de 37 amostras acromáticas; a versão mate inclui 1150 amostras de cores e 32 amostras acromáticas.
No Atlas Munsell, cada cor é representada por um conjunto de símbolos. Os símbolos fornecem indicadores equidistantes para os três elementos de representação de cores: matiz, valor e croma, representados como HV/C = valor de matiz/croma.
As tonalidades estão divididas em cinco tons primários: vermelho (R), amarelo-vermelho (YR), amarelo (Y), verde-amarelo (GY), verde (G), azul-verde (BG), azul (B), azul-púrpura (PB), púrpura (P) e vermelho-púrpura (RP), juntamente com cinco tons intermédios. Cada tom está ainda dividido em dez níveis (1 a 10), sendo o quinto nível a cor intermédia desse tom (Figura 3-5).
O valor está dividido em 11 níveis, sendo que os valores mais elevados indicam maior luminosidade; o valor mínimo é 0 (preto) e o máximo é 10 (branco). O croma está dividido em 12 níveis. O atlas de cores completo inclui 40 tipos de amostras de tonalidade. Por exemplo, 5GY 8/7 representa um amarelo-esverdeado com um valor de 8 e uma saturação de 7. A convenção de nomes para séries sem cor (preto, branco, cinzento) é NV/= valor de luminosidade neutra; por exemplo, uma cor rotulada N5/ indica um cinzento com um valor de luminosidade de 5.
② Sistema de cores DIN 6164
O manual DIN 6164 da Alemanha é também um importante sistema de cores. Muitos gemólogos na Europa e no Reino Unido utilizam este sistema. Este sistema de cores foi desenvolvido com base no sistema Munsell.
A carta de cores DIN 6164 tem 24 cores, com o verso de cada cor marcado com a notação de cor Munsell correspondente. A representação está no formato de matiz: saturação: luminosidade. Por exemplo, 6:6:2 representa a tonalidade 6 (vermelho), a saturação 6 (vivo) e a luminosidade 2 (claro) do cartão de cores padrão.
③ Sistema de cores ISCC-NBS
O ISCC (Inter-Society Colour Council) foi criado em 1931 como uma associação de cores doméstica nos Estados Unidos e o seu sistema de cores tem como objetivo desenvolver um sistema de designação de cores. Recolhe 18 matizes nas mesmas posições de matiz e luminosidade em Munsell e DIN 6164.
O ISCC-NBS (National Bureau of Standards) tem muito poucas amostras de cores no sistema American National Standard, mas recolheu algumas amostras pouco comuns. Estruturalmente, também difere do sistema Munsell, uma vez que as cores não estão organizadas de acordo com a métrica perceptiva equidistante. A contribuição mais importante do sistema ISCC-NBS para a ciência da cor é o facto de definir nomes de cores.
④ Norma de cor da OSA
A OSA (Optical Society of America) preparou um conjunto prático de cartões de cores em acrílico brilhante, incluindo 558 cores, das quais 424 cores constituem um conjunto conhecido como a norma de cores da OSA. A desvantagem da norma de cores OSA é que os cartões de cores são feitos de papel ou plástico, cuja textura difere da das pedras preciosas, e o brilho da superfície dos cartões de cores difere da luz reflectida pelas pedras preciosas facetadas, o que exige uma utilização cuidadosa. Devido ao desvanecimento, a maioria dos cartões de cor tem um tempo de utilização de 4 a 5 anos.
(2) Coordenadas cromáticas e diagrama cromático
① Sistema de espaço de cor CIE-XYZ de 1931
Este sistema de espaço de cor é baseado no sistema RGB e utiliza métodos matemáticos para selecionar três cores primárias ideais para substituir as cores primárias reais. Utilizando cores primárias virtuais como eixos, projecta diferentes comprimentos de onda de luz visível. Os valores das cores primárias são designados por valores tristimulares. Este sistema requer que os valores tristimulares não sejam negativos e que y seja igual ao fluxo luminoso. Utilizando o x como eixo horizontal e o y como eixo vertical, forma coordenadas cromáticas, projectando os valores das coordenadas cromáticas de cada luz monocromática para obter o diagrama cromático. A figura 3-6 é o diagrama cromático padrão do sistema (XYZ) estabelecido internacionalmente em 1931.
O diagrama cromático tem as seguintes caraterísticas
- Os valores tristimulus das cores primárias deste sistema são virtuais.
- Todos os pontos que representam cores espectrais caem na curva em forma de língua chamada cor espetral. Ligando as extremidades da curva com linhas rectas, todas as cores reais estão contidas na área circundada pela curva em forma de língua e pelas linhas rectas.
- O valor da coordenada do ponto E em x=0,333, y=0,333 representa o branco teórico. As diferentes fontes de luz branca têm componentes espectrais ligeiramente diferentes. A luz branca comummente utilizada divide-se em SA, SB, SC, SEe assim por diante.
- As coordenadas cromáticas das cores têm maior saturação quanto mais próximas estiverem da trajetória da cor espetral. Os pontos na trajetória espetral da cor têm a saturação mais elevada; o ponto branco tem a saturação mais baixa. Uma linha traçada a partir do ponto branco para as coordenadas cromáticas de uma cor, estendida para intersectar a trajetória da cor espetral, tem pontos ao longo desta linha que partilham a mesma tonalidade.
- Um método gráfico pode ser utilizado para obter a cor composta de duas cores quaisquer. Ao introduzir as coordenadas cromáticas das duas cores no diagrama cromático, a cor composta deve situar-se na linha que liga os dois pontos de coordenadas de cor. A distância projectada para os dois pontos de cor está relacionada com a intensidade das duas cores, determinada pela lei da distribuição do centróide.
- Os pontos na linha reta entre os pontos finais da curva de cor espetral não representam cores espectrais, mas sim várias cores mistas obtidas pela mistura de roxo a 380nm e vermelho a 780nm em diferentes proporções.
- Selecione quaisquer três pontos dentro da trajetória da cor do espetro para criar uma cor. Por exemplo, se selecionar R1, G1, B1 como as três cores para a correspondência, então todas as várias cores formadas por estas três tonalidades estão contidas no triângulo com vértices nos três pontos R1, G1, B1.
② Representação do comprimento de onda dominante e da saturação
No diagrama cromático, as cores podem ser representadas não apenas pelas coordenadas cromáticas (x, y). Outro método proposto por Helmholtz consiste em representá-las utilizando o comprimento de onda dominante λd e saturação (pureza do estímulo) Pe. λd e Pe são valores específicos derivados das coordenadas cromáticas no diagrama (Figura 3-7). O comprimento de onda dominante representa aproximadamente a sensação de cor percepcionada pelo olho humano.
Seja c(x, y) a posição deste ponto no diagrama cromático. Ligue o ponto c com o branco E e prolongue-o de modo a intersectar a trajetória do espetro em λd . Então, o número de comprimento de onda do ponto λd na trajetória do espetro é o comprimento de onda dominante desta luz colorida.
O ponto C está situado na reta que une os pontos W e λd O ponto W é o branco puro (E) ou uma fonte de luz branca específica. O ponto W é o branco puro (E) ou uma fonte de luz branca específica. Quando as coordenadas cromáticas de uma determinada cor se deslocam gradualmente ao longo de uma direção em direção à trajetória espetral a partir do ponto branco W, a saturação da cor aumenta gradualmente até atingir a trajetória espetral, com uma saturação máxima de 1.
As cores são representadas utilizando o comprimento de onda dominante e a saturação, facilitando a comparação das diferenças de cor. As ligeiras diferenças de cor, representadas pelas alterações numéricas em λd e ρe, pode ser visualizado.
Para duas cores, C1, C2As coordenadas cromáticas, o comprimento de onda dominante e a saturação sob a mesma iluminação são apresentados na Tabela 3-2. Verifica-se que o comprimento de onda dominante da cor C1, C2 difere em 0,052nm, e a saturação difere em 7%.
Tabela 3-2 Comparação dos dados de cor entre C1 e C2
| Ponto de projeção de cor | 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 a cor das pedras preciosas
(1) Espectrofotómetro
Princípio de funcionamento: Uma vez que a distribuição de energia espetral da fonte de luz padrão no interior do instrumento é conhecida, os valores tristimulares de um objeto podem ser obtidos medindo a sua reflectância espetral.
(2) Colorímetro de valor tristimulus
É um instrumento de integração fotoeléctrica que mede diretamente os três valores de estímulo da cor de um objeto. Simula principalmente as três respostas do observador padrão à cor através de uma combinação adequada de filtros e conversores fotoeléctricos.
Atualmente, o julgamento da cor das pedras preciosas baseia-se principalmente na observação do olho humano. Por exemplo, as esmeraldas, os rubis e os diamantes são afectados por factores ambientais, o que leva a uma baixa precisão nas medições por instrumentos; por conseguinte, a aplicação da medição da cor por instrumentos na identificação de pedras preciosas é relativamente rara.
Secção II Origens teóricas da cor dos minerais de pedras preciosas
Os minerais de pedras preciosas têm várias cores, mas as razões para a sua coloração também diferem. De acordo com a teoria clássica da mineralogia, as origens da cor dos minerais de pedras preciosas podem ser classificadas em cores idiocromáticas, cores alocromáticas e pseudo-cores.
1. Classificação da Mineralogia Clássica Teoria da Origem da Cor
A teoria clássica da mineralogia é a teoria mais fundamental para o estudo das cores dos minerais de gema. De acordo com o facto de a cor do mineral ser devida ao próprio mineral, pode ser dividida em três categorias: cor idiocromática, cor alocromática e pseudo-cor.
(1) De cor idiocromática
A cor de uma gema é formada pelos componentes químicos inerentes ao mineral que a compõe, conhecido como cor idiocromática. Estas gemas são denominadas gemas de cor idiocromática. Os seus componentes inerentes causam a cor produzida pelas gemas de cor idiocromática; assim, têm uma boa estabilidade de cor e não são facilmente alteradas. Por exemplo, a composição química da turquesa éCuAl6(PO4)4(OH)8-5H2O, e o azul ou azul-esverdeado que apresenta é causado pelo Cu2+A composição química da azurite é 2CuCO3 - Cu(OH)2e Cu2+ também causa a sua cor azul"; o verde da olivina é produzido por iões de ferro na sua composição química (Figura 3-8).
Não há muitos tipos de gemas autocoloridas em minerais de gemas naturais, sendo as principais variedades a turquesa, malaquita, azurita, olivina, granada e rodocrosita. As cores comuns, elementos corantes e composições químicas das gemas autocoloridas são mostradas na Tabela 3-3.
Tabela 3-3 Elementos corantes comuns, composição química e cores das pedras preciosas coloridas
| Elementos para colorir | Nome da pedra preciosa | Composição química | Cor |
|---|---|---|---|
| Ferro | Olivina | (Mg, Fe)2 (SiO4) | Verde |
| Almandine | Fe3Al2 (SiO4)3 | Vermelho | |
| Crómio | Uvarovite | Ca3Cr2 (SiO4)3 | Verde |
| Cuprum | Malaquite | Cu2Co3(OH)2 | Verde |
| Crisocola | (CuAl)2H2Si2O5(OH)4 - nH2O | Verde - Azul | |
| Turquesa | CUAl6(PO4)4(OH)8.5H2O | Azul celeste - Verde | |
| Azurite | 2CuCO3 - Cu(OH)2 | Azul | |
| Manganês | Spessartine-Garnet | Mn3Al2(SiO4)3 | Laranja |
| Rodocrosite | MnCO3 | Rosa - Vermelho | |
| Rodonite | (Mn, Ca, Fe) - 5(Si5O15) | Rosa - Vermelho |
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Algumas pedras preciosas coloridas podem mudar de cor sob certas condições. Por exemplo, a turquesa e a malaquite podem mudar de cor quando expostas a altas temperaturas devido à evaporação das moléculas de água na sua composição; a rodocrosite, uma pedra preciosa carbonatada, pode decompor-se quando encontra ácidos (como o ácido clorídrico ou o ácido sulfúrico), e a sua cor também muda em conformidade.
(2) Alocromático-cored
A cor de uma pedra preciosa é causada por elementos vestigiais ou impurezas menores fora da composição química inerente dos minerais constituintes, conhecida como cor alocromática. Estas pedras preciosas são designadas por pedras preciosas de cor alocromática.
Nos minerais de pedras preciosas, existem muitas variedades de pedras preciosas com cores diferentes. Quando não existem impurezas na composição química da pedra preciosa, esta é incolor e transparente; quando contém impurezas de elementos corantes diferentes, pode produzir cores diferentes.
Quando o corindo puro é incolor, transforma-se em rubi quando contém uma pequena quantidade de iões de crómio; quando contém uma pequena quantidade de ferro e titânio, transforma-se em pedras preciosas azuis ou verdes. As pedras preciosas semelhantes incluem a esmeralda, o espinélio, a turmalina, a jadeíte, a calcedónia, a nefrita, etc. Os elementos corantes comuns, as composições químicas e as pedras preciosas de cor alocromática são apresentados na Tabela 3-4.
Tabela 3-4 Elementos corantes comuns, composição química e pedras preciosas de cor alocromática
| Elementos para colorir | Nome da pedra preciosa | Composição química | Cor |
|---|---|---|---|
| Crómio | Rubi | Al2O3 | Vermelho |
| Esmeralda | Ser3Al2(Si6O18) | Verde | |
| Alexandrite | BeAl2O4 | Vermelho-verde | |
| Espinélio | MgAl2O4 | Vermelho | |
| Calcedónia | SiO2 | Verde | |
| Ferro | Água-marinha | Ser3Al2Si6O18 | Azul |
| Turmalina | (Na, K, Ca) (Al, Fe3+, Cr)6(BO3)3Si6O18(OH)4 | Verde-castanho | |
| Espinélio | MgAl2O4 | Amarelo | |
| Nefrite | Ca2(Mg, Fe2+) 5 (Si4O11) 2 (OH)2 | Verde | |
| Vanádio | Tanzanite | Ca2Al3(SiO4)3(OH) | Azul-púrpura |
| Berilo verde | Ser3Al2Si6O18 | Verde | |
| Titânio | Benitoite | BaTiSi3O9 | Azul |
| Safira | Al2O3 | Azul | |
| Manganês | Berilo vermelho | Ser3Al2Si6O18 | Vermelho |
| Rodocrosite | MnCO3 | Cor-de-rosa | |
| Cobalto | Espinélio natural | MgAl2O4 | Azul |
| Espinélio sintético | MgAl2O4 | Azul | |
| Níquel | Calcedónia verde | SiO2 | Verde |
(3) Pseudo-cored
As cores produzidas pelas pseudo-cores não estão relacionadas com a composição química dos minerais das pedras preciosas. No entanto, são causadas por alterações estruturais e composicionais resultantes de misturas mecânicas ou da formação de minerais. As pseudo-cores não são as cores dos minerais em si, mas sim cores causadas por estruturas especiais formadas por influências externas. Por exemplo, as belas cores de interferência produzidas pela interferência da luz reflectida e incidente, como o efeito de fluorescência da labradorite e o efeito de jogo de cores da opala. A coloração causada por inclusões também se enquadra nas pseudo-cores, como os diamantes pretos, devido a muitas inclusões de grafite opaca preta dentro do diamante.
2. Iões causadores de cor em minerais de gema
Os elementos químicos que produzem as cores das gemas podem ser os componentes principais ou secundários. Os elementos metálicos de transição, especialmente os metais de transição do 4º período, titânio, vanádio, crómio, manganês, ferro, cobalto, níquel e cobre, são frequentemente referidos como cromóforos ou iões corantes. Estes oito elementos ocupam posições consecutivas na tabela periódica, com números atómicos que vão do 22 (Ti) ao 29 (Cu). As propriedades básicas destes elementos são apresentadas na Tabela 3-5.
Quadro 3-5 Propriedades básicas de oito elementos de transição
| Nome do elemento | Titânio | Vanádio | Crómio | Manganês | Ferro | Cobalto | Níquel | Cobre |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Símbolo do elemento | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu |
| Número atómico | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 |
| Principais estados de oxidação | +2, +3, +4 | +2, +3, +4, +5 | +2, +3, +6 | +2, +3, +4, +6 | +2, +3, +6 | +2, +3 | +2, +3 | +1, +2 |
| Configuração dos electrões de valência | 3d24s2 | 3d34s2 | 3d54s1 | 3d54s2 | 3d64s2 | 3d74s2 | 3d84s2 | 3d104s1 |
Estes oito elementos metálicos de transição têm as seguintes caraterísticas:
① Os electrões de valência são preenchidos nas orbitais d da penúltima camada em sequência, e a fórmula geral para a configuração dos electrões de valência dos átomos dos elementos de transição é (n-1)d1-10nS1-2por isso, estes elementos são também designados por elementos do bloco d.
Nos metais de transição, uma vez que as orbitais d da penúltima camada estão ligadas às orbitais s mais exteriores, e as orbitais d ainda não atingiram uma estrutura estável, tanto os electrões s como os electrões d podem participar na ligação parcial ou totalmente, resultando numa série de estados de oxidação variáveis para os metais de transição, com diferentes óxidos a apresentarem cores diferentes nas pedras preciosas.
Os iões geralmente exibem cor porque existem electrões simples não emparelhados nas orbitais d, e os níveis de energia destes electrões nos estados excitado e fundamental são relativamente próximos, permitindo que a energia da luz visível os excite. Diferentes condições de excitação podem também fazer com que as pedras preciosas apresentem cores diferentes.
Se os electrões de spin do ião estiverem todos emparelhados, como é o caso dos iões com uma configuração eletrónica de valência d0, d10, d10s2os electrões encontram-se num estado estável e não são facilmente excitados, o que faz com que o ião não tenha cor; assim, C+, Cr6+ e outros não têm cor e não podem produzir cor em pedras preciosas.
Estes oito elementos metálicos de transição constituem a formação da cor nas pedras preciosas naturais comuns. Cromóforos diferentes produzem cores diferentes em pedras preciosas diferentes, e o mesmo cromóforo pode também produzir cores diferentes. As pedras preciosas naturais comuns e os cromóforos são apresentados na Tabela 3-6.
Tabela 3-6 Cores apresentadas pelos iões de metais de transição em pedras preciosas naturais comuns e variedades de pedras preciosas
| Cromóforo | Cores comuns | Variedades de gemas |
|---|---|---|
| Ião de titânio (Ti) | Azul | Safira, benitoite, topázio |
| Ião vanádio (V) | Verde | Corindo sintético que muda de cor, Essonite, Esmeralda |
| Ião crómio (Cr) | Vermelho, verde | Rubi, Corindo, Esmeralda, Pirope, Jade |
| Ião manganês (Mn) | Cor-de-rosa, vermelho | Espessartina, Rodolite, Berilo vermelho |
| Ião ferro (Fe) | Azul, verde, amarelo | Safira, olivina, água-marinha, turmalina, espinélio |
| Ião de cobalto (Co) | Azul | Espinélio sintético, estaurolite cor de cobalto |
| Ião de níquel (Ni) | Verde | Calcedónia verde |
| Ião de cobre (Cu) | Azul, azul-verde | Malaquite, turquesa, azurite |
Os diferentes iões cromóforos produzem cores diferentes nas pedras preciosas, resultando em espectros de absorção com caraterísticas distintas. Para iões cromóforos comuns, os espectros de absorção têm um significado de identificação típico.
(1) O espetro de absorção dos iões de crómio
O espetro de absorção dos iões de crómio é caracterizado principalmente por muitas linhas de absorção estreitas na região vermelha, com as duas mais fortes localizadas na região vermelha profunda e outras duas na região laranja. A região amarelo-verde tem uma banda de absorção larga, e a largura, posição e intensidade estão relacionadas com a profundidade da cor da gema. Podem existir várias bandas estreitas na região azul, enquanto a região púrpura é totalmente absorvida. Os iões de crómio produzem principalmente cores vermelhas e verdes, que variam em diferentes gemas, e os espectros de absorção mostram algumas diferenças. Por exemplo, os rubis têm três linhas de absorção na região vermelha, uma banda de absorção larga na região verde-amarela, três linhas de absorção na região azul e absorção total na região púrpura; as esmeraldas têm linhas de absorção na região vermelha, uma banda de absorção fraca na região amarelo-alaranjada, linhas de absorção fracas na região azul e absorção total na região púrpura; e a alexandrite tem linhas de absorção na região vermelha, uma banda de absorção na região verde-amarela, uma linha de absorção na região azul e absorção total na região púrpura. Os espectros de absorção destas três gemas são mostrados na Figura 3-9.
(2) Caraterísticas do espetro de absorção do ião ferro
Os iões de ferro produzem cores diferentes em gemas diferentes e têm um forte efeito de coloração, mas o espetro de absorção dos iões de ferro varia muito. Quando a pedra preciosa é verde, produz uma absorção na zona vermelha, e quando é vermelha, produz uma caraterística de absorção dominada pela zona azul, com a principal linha de absorção caraterística localizada nas zonas verde e azul. Por exemplo, os iões de ferro na olivina aparecem a verde azeitona, com o espetro de absorção a mostrar principalmente três bandas de absorção estreitas na região azul a 453nm, 473nm e 493nm; a almandina vermelha tem um espetro de absorção de ferro típico, com três bandas de absorção estreitas e fortes a 504nm, 520nm e 573nm na região verde-amarela, comummente referida na indústria como a "janela de ferro". Além disso, existem bandas estreitas de absorção fraca a 423nm, 460nm, 610nm e 680~690nm; o espetro de absorção da safira amarela tem três bandas estreitas de absorção na região azul a 450nm, 460nm e 470nm (Figura 3-10).
(3) Caraterísticas do espetro de absorção dos iões de manganês
Os iões de manganês formam principalmente rosa, laranja e vermelho nas pedras preciosas, com o espetro de absorção a mostrar principalmente uma forte absorção na região violeta, estendendo-se para a região ultravioleta, e alguma absorção na região azul. Por exemplo, as caraterísticas do espetro de absorção da rodocrosite rosa têm três bandas de absorção a 410nm, 450nm, 540nm; as linhas do espetro de absorção da espessartina têm principalmente 410nm, 420nm, 430nm três bandas de absorção e linhas de absorção a 460nm, 480nm e 520nm. Por vezes, podem existir duas linhas de absorção a 504 nm e 573 nm (Figura 3-11).
(4) Caraterísticas do espetro de absorção dos iões de cobalto
Os iões de cobalto têm um forte efeito de coloração, aparecendo normalmente numa cor azul brilhante nas pedras preciosas, com o espetro de absorção a mostrar principalmente três bandas de absorção fortes e largas na região amarelo-verde. Devido à baixa abundância de cobalto na crosta terrestre, existem muito poucas pedras preciosas naturais coloridas por iões de cobalto. O espetro de absorção dos iões de cobalto também indica pedras preciosas sintéticas, como o espinélio azul sintético e o vidro de cobalto. O espinélio azul sintético tem três bandas de absorção fortes nas regiões amarelo-verde e amarelo-alaranjado, sendo a banda de absorção da região verde a mais estreita; as linhas de absorção do vidro de cobalto têm principalmente três bandas de absorção fortes nas regiões amarelo-verde e amarelo-alaranjado, sendo a banda de absorção da região amarela a mais estreita (Figura 3-12).
3. Elementos de terras raras para colorir
A investigação sobre a influência dos vestígios de elementos de terras raras na cor das pedras preciosas está a tornar-se cada vez mais aprofundada. As cores dos elementos de terras raras são mais vivas e as suas propriedades físico-químicas são também muito estáveis. Os elementos de terras raras como a apatite e a fluorite também podem colorir as pedras preciosas naturais. Diferentes elementos de terras raras podem ser adicionados a pedras preciosas sintéticas e tratadas de forma óptima para obter pedras preciosas de cores diferentes, como o amarelo do cério e o azul do neodímio.
Os elementos de terras raras que colorem as pedras preciosas são principalmente os elementos lantanídeos e actinídeos da tabela periódica dos elementos químicos e as cores que podem produzir são apresentadas na Tabela 3-7.
Tabela 3-7 Elementos de terras raras e suas cores em pedras preciosas comuns
| Símbolo do elemento | La | Ce | Nd | Pr | Dy | Sm | Er | Tm | U |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nome completo | Lantânio | Cério | Neodímio | Praseodímio | Disprósio | Samário | Érbio | Túlio | Urânio |
| Cor | Incolor | Amarelo | Azul | Verde | Amarelo claro | Amarelo claro | Cor-de-rosa | Verde claro | Branco-prateado |
Os elementos de terras raras têm espectros de absorção caraterísticos, formando frequentemente linhas finas únicas. Por exemplo, a apatite amarela contém frequentemente o elemento de terras raras Ce, com linhas finas de absorção caraterísticas na região amarela. No entanto, o urânio não produz um amarelo brilhante; pode gerar linhas espectrais de absorção distintas. Por exemplo, mais de dez linhas de absorção podem aparecer no zircão verde em várias zonas de cor (Figura 3-13).
Secção III Cores produzidas por defeitos do cristal e centros de cor
Na natureza, os minerais são divididos em cristais e não-cristais com base em diferentes graus de cristalização. A maioria das pedras preciosas, como os rubis, safiras, diamantes, esmeraldas e quartzo, são cristais; algumas pedras preciosas orgânicas, como o âmbar e o coral, não são cristalinas. As estruturas cristalinas têm uma estrutura tipo treliça, em que as suas partículas internas (átomos, iões ou moléculas) estão dispostas num padrão periódico regular no espaço tridimensional, e os cristais podem formar espontaneamente formas poliédricas; os não-cristais são corpos amorfos com estruturas não treliçadas que não podem formar formas poliédricas, como o vidro, a resina e a resina.
O exemplo mais típico da diferença entre cristais e sólidos amorfos é o quartzo e o vidro. O quartzo natural é formado a partir de material fundido SiO2 no magma que arrefece em cavidades na crosta terrestre. A camada exterior das esferas de quartzo comuns é a ágata, que não apresenta a forma cristalina, enquanto a camada interior apresenta a forma cristalina do quartzo. Os principais componentes químicos do vidro e do quartzo são SiO2O quartzo é um cristal com iões de silício e de oxigénio dispostos de forma ordenada, enquanto o vidro é um sólido amorfo com iões de silício e de oxigénio dispostos de forma caótica, sem regularidade, como mostra a Figura 3-14.
A maioria dos cristais de pedras preciosas são coloridos devido a iões de impureza, tais como rubis, esmeraldas e turmalina. Algumas pedras preciosas, embora não possuam iões cromóforos, são coloridas devido a defeitos na sua estrutura cristalina. As pedras preciosas naturais produzidas na natureza podem mudar de cor devido a condições externas, como a irradiação e a ionização, que alteram a estrutura cristalina. O exemplo mais comum é o quartzo fumado, que desenvolve a sua cor devido à formação de centros de cor a partir de vacâncias induzidas pela radiação. O quartzo fumado irradiado artificialmente tem um princípio de formação semelhante ao do quartzo fumado natural, exceto que a radiação artificial cria cor rapidamente.
1. Defeitos e tipos de cristais
O fenómeno em que o arranjo das partículas se desvia das regras da estrutura da rede (as partículas sofrem repetição translacional periódica no espaço tridimensional) dentro de um intervalo local da estrutura do cristal de pedra preciosa é chamado um defeito de rede. As causas estão relacionadas com as vibrações térmicas das partículas dentro do cristal de pedra preciosa, tensão externa, alta temperatura e pressão, irradiação, difusão, implantação de iões e outras condições.
Por exemplo, os diamantes cristalizados no ambiente de alta temperatura e alta pressão do manto superior, quando rapidamente transportados para perto da superfície da Terra pelo magma hospedeiro (kimberlito ou lamproito), a rápida mudança nas condições de temperatura e pressão e as colisões mútuas entre os cristais e as rochas circundantes podem facilmente levar a mudanças locais na estrutura dos cristais de diamante intrusivos, resultando em defeitos de rede que mudam a cor dos diamantes originalmente incolores, formando diamantes amarelo-acastanhados, castanhos e cor-de-rosa.
A presença de defeitos nos cristais tem um impacto significativo nas propriedades dos cristais. Na realidade, os cristais têm mais ou menos defeitos. Uma quantidade moderada de certos defeitos pontuais pode aumentar consideravelmente a condutividade dos materiais semicondutores e a luminescência dos materiais luminescentes, desempenhando um papel benéfico. Em contrapartida, os defeitos como as deslocações podem tornar os materiais propensos à fratura, reduzindo a resistência à tração dos cristais quase sem defeitos de rede para uma fração dessa resistência.
Num cristal idealmente perfeito, os átomos estão estritamente dispostos numa rede regular e periódica em pontos específicos do espaço. No entanto, durante o crescimento e a formação actuais dos cristais, devido à influência dos ambientes de crescimento, como a temperatura, a pressão e a concentração dos componentes do meio, a morfologia do cristal após o crescimento pode, por vezes, desviar-se da estrutura cristalina ideal. Qualquer desvio da estrutura cristalina ideal pode ser designado por defeito cristalino. Os defeitos dos cristais têm um impacto significativo nas propriedades físicas e químicas dos cristais, e muitas disciplinas estão relacionadas com os defeitos dos cristais, como a dopagem iónica na ciência dos materiais. A cor das pedras preciosas está em grande parte relacionada com os defeitos dos cristais que as constituem. Esta é uma das causas da cor nas pedras preciosas - centros de cor.
Existem muitos tipos de defeitos na estrutura cristalina, que podem ser classificados em quatro categorias com base na extensão da sua distribuição no espaço tridimensional: defeitos pontuais, defeitos de linha, defeitos de superfície e defeitos de volume.
(1) Defeitos pontuais
Outros átomos substituem alguns átomos num cristal ideal, alguns são dopados ou são criadas vacâncias. Alguns átomos do cristal são substituídos ou faltam devido a átomos externos, e estas alterações perturbam a disposição periódica da rede regular do cristal, causando alterações no campo potencial das partículas e resultando na incompletude da estrutura cristalina, limitada a determinadas posições, afectando apenas alguns átomos próximos. O impacto dos defeitos pontuais no cristal é mínimo, e os tipos comuns de defeitos pontuais incluem defeitos de posição da rede, defeitos de composição e defeitos de carga (Figura 3-15).
(2) Defeitos na linha
Os defeitos de linha são muito pequenos em tamanho em duas direcções e estendem-se principalmente por mais tempo noutra direção. São também conhecidos como defeitos unidimensionais e consistem principalmente em várias deslocações. As deslocações podem ser vistas como o produto do deslizamento local da rede ao longo de um determinado plano atómico. O deslizamento não penetra em toda a rede; o defeito cristalino termina dentro da rede, causando um arranjo desordenado de partículas na fronteira entre as partes deslizadas e não deslizadas da rede, conhecido como deslocação. Esta fronteira, a linha de intersecção entre as áreas deslizadas e não deslizadas, é designada por linha de deslocação. Existem dois tipos básicos de deslocações: quando o cristal é sujeito a forças de compressão, o plano de deslizamento da partícula forma uma linha de deslocação com o plano não deslizado e a linha de deslocação é perpendicular à direção de deslizamento, conhecida como deslocação de borda, também chamada deslocação em cunha; devido à tensão de cisalhamento, o deslizamento ocorre entre planos e as linhas de deslocação que se intersectam na parte deslizada do cristal são paralelas à direção de deslizamento, referida como deslocação em parafuso (Figura 3-16).
(3) Defeitos de superfície
O defeito de superfície mais simples é o defeito de empilhamento, dividido em defeitos de empilhamento intrínsecos (em que um plano do cristal é removido) e defeitos de empilhamento extrínsecos (em que uma camada atómica é inserida no cristal). Estes defeitos ocorrem num intervalo de alguns espaçamentos atómicos de cada lado de um determinado plano ao longo da rede ou entre grãos. Incluem principalmente defeitos de empilhamento e interfaces dentro e entre cristais, tais como fronteiras de grão de pequeno ângulo, paredes de domínio e fronteiras gémeas e intergranulares.
(4) Defeitos de volume
Os defeitos de volume referem-se a defeitos que existem em graus variáveis nas três direcções, que são defeitos tridimensionais, tais como fissuras embutidas, estruturas em malha, estruturas familiares, gémeos e várias inclusões de pedras preciosas.
2. Centros de cor em pedras preciosas
Os centros de cor são um caso especial de defeitos de rede, referindo-se geralmente a defeitos de rede em pedras preciosas que podem absorver seletivamente a energia da luz visível e produzir cor, pertencendo aos tipos de cor estrutural mais típicos. Em alguns casos, os electrões não emparelhados que produzem cor também podem aparecer em iões de elementos que não são de transição ou em defeitos de cristal formados devido à falta de electrões, que é o que são os centros de cor. Os defeitos pontuais em cristais iónicos podem causar a absorção de luz visível, fazendo com que cristais originalmente transparentes apareçam coloridos; estes tipos de defeitos pontuais que podem absorver luz visível são normalmente referidos como centros de cor. Muitos tipos de pedras preciosas naturais produzem cor a partir de centros de cor, como a fluorite púrpura, o cristal fumado e os diamantes verdes.
No processo de tratamento de otimização das pedras preciosas, algumas pedras preciosas naturais e artificiais também podem ter centros de cor gerados por radiação, tais como diamantes azuis, amarelos, vermelhos, verdes e topázios azuis que mudam de cor devido à radiação, e topázios azuis, entre os quais algumas cores são relativamente estáveis e só desaparecem quando aquecidas; algumas cores são instáveis e podem desvanecer-se mesmo à temperatura ambiente. Este tipo de centro de cor causador de cor está intimamente relacionado com a estrutura cristalina da pedra preciosa, como os diamantes verdes, onde a causa da cor é a presença de vagas na estrutura cristalina, mas este defeito estrutural também pode ser removido por irradiação, tornando o diamante incolor. Os tipos comuns de centros de cor em pedras preciosas são "centros de cor de electrões" e "centros de cor de buracos".
(1) Centro de cor do eletrão (centro F)
Os centros de cor de electrões são centros de cor formados quando os electrões existem em vagas de defeitos de cristal causados por vagas aniónicas na estrutura cristalina da pedra preciosa. Quando o anião está ausente, a vaga torna-se uma armadilha de electrões com carga positiva que prende os electrões. Se uma lacuna captura um eletrão e o liga a essa lacuna, o eletrão fica excitado e absorve seletivamente um determinado comprimento de onda de energia para se tornar colorido. Assim, um centro de cor eletrónica é constituído por um espaço vazio aniónico e um eletrão ligado pelo campo elétrico desse espaço vazio.
A fluorite púrpura é uma cor produzida por centros de cor electrónicos. A fluorite (CaF2) pertence ao sistema cristalino isométrico, com cada Ca2+ ligado a dois F– [Figura 3-17 (a)]. Nalguns casos, o F– na fluorite pode sair da sua posição normal. Aparece uma vaga na posição original de F– e para manter a neutralidade eléctrica do cristal, uma entidade com carga negativa deve ocupar esta vaga. Um eletrão de um determinado átomo do cristal torna-se a entidade com carga negativa que ocupa esta vaga [Figura 3-17 (b)]. Isto cria um "centro de cor", conhecido como centro de cor eletrónico. Na fluorite, os centros electrónicos de cor absorvem a luz visível, produzindo a cor púrpura.
(2) Centros de cor dos furos (centros V)
O centro de cor vazio é formado por factores externos, onde os catiões criam vagas de electrões. Isto significa que os electrões são ejectados das suas posições originais, deixando para trás um eletrão não emparelhado. A razão da cor é que, quando se formam vagas de catiões no cristal, para atingir o equilíbrio de cargas, os aniões próximos da vaga de catiões libertam electrões sob a influência de energia externa, formando electrões não emparelhados que absorvem a luz visível e produzem cor. Por exemplo, nos diamantes irradiados e no topázio azul, a irradiação fornece energia para ativar os electrões, fazendo com que os iões ou átomos na rede se desloquem, formando assim defeitos estruturais e centros de cor devido à irradiação.
Um exemplo clássico de um centro de cor num cristal é a coloração do cristal fumado. A estrutura cristalina do quartzo é um tetraedro de silício-oxigénio, com o silício num estado de quatro coordenadas, como se mostra no diagrama estrutural bidimensional da Figura 3-18(a). Cada 10.000 Si4+ têm um átomo substituído por Al3+e quando Al3+ substitui o Si4+ no cristal, Al3+ deve estar rodeado por alguns iões alcalinos (como o Na+ ou H+) para manter a neutralidade eléctrica. No entanto, estes iões encontram-se frequentemente a uma certa distância do Al3+.
Quando o quartzo é irradiado por raios X, raios γ e outras fontes de radiação, a energia dos átomos de oxigénio adjacentes ao Al3+ aumenta, permitindo que um dos electrões do seu par seja ejectado da sua posição normal. H+ irá capturar este eletrão para formar H . A radiação de alta energia faz com que o O2- com mais electrões de valência para libertar um eletrão, formando um [A1O4]4- e o centro de cor da vacância [A1O4]4- O aglomerado atómico absorve a luz visível para produzir cor, formando o quartzo fumado.
[A1O4]5-→ [A1O4]4-+e– (3-1)
H+ +e–→ H (3-2)
H+ captura os electrões para se transformar em H, que é incolor e não absorve a luz visível. Se a intensidade de irradiação for elevada e houver quantidade suficiente de Al3+ no cristal, o quartzo pode ser irradiado para preto. Uma vez que existe frequentemente uma vaga na posição onde um eletrão é ejectado, este tipo de centro de cor é referido como um "centro de cor de vaga".
Durante a história geológica, o cristal esfumaçado natural é formado principalmente por meio de radiação de baixa dose de longo prazo de materiais radioativos. O aquecimento pode eliminar a cor; quando este cristal esfumaçado é aquecido a cerca de 400 ℃, os elétrons ejetados retornarão às suas posições originais, todos os elétrons se emparelharão e o quartzo ficará incolor novamente; se for irradiado novamente, pode ficar esfumaçado novamente [Figura 3-18 (b)].
A ametista tem os mesmos centros de cor para a vacância, mas a sua impureza é o ferro em vez do alumínio. Quando a impureza Fe 3+ substitui Si4+ no quartzo, ocorrem as seguintes alterações quando irradiado com raios de alta energia:
[FeO4]5- → [FeO4]4- +e– (3-3)
H+ +e–→ H (3-4)
Semelhante ao princípio de formação do cristal de fumo, produz uma cor púrpura devido à formação de [FeO4]4- centros de cor de buraco após ser irradiada. Quando essa ametista é aquecida, ela fica amarela, tornando-se citrina e, com mais aquecimento, desbota para incolor. Geralmente, a temperatura de aquecimento é relativamente baixa, em torno de 400 ℃. A cor púrpura da ametista tratada termicamente pode ser restaurada irradiando os centros de cor novamente. A ametista sintética também é sintetizada com base neste princípio.
Em algumas pedras preciosas, alguns aglomerados de átomos de impurezas podem também formar centros de cor e exibir cor. Por exemplo, durante o crescimento do berilo e sob irradiação radioactiva, pode perder um eletrão para se tornar , formando uma banda de absorção vermelho-verde que produz uma cor azul. Existem muitos centros de cor nos diamantes, a maioria dos quais é causada pela formação de vagas ou deslocações na estrutura sob condições externas, e as cores são geralmente muito estáveis.
A dificuldade de estudar a cor induzida pelo centro da cor é relativamente elevada, exigindo várias técnicas como a espetroscopia e a ressonância paramagnética eletrónica. Pesquisas anteriores mostram que algumas caraterísticas típicas da cor induzida pelo centro de cor são relativamente claras. A Tabela 38 resume as cores e as causas da cor induzida pelo centro de cor em pedras preciosas comuns.
Tabela 3-8 Cores e causas da cor Cor induzida pelo centro em pedras preciosas comuns
| Tipos de pedras preciosas | Cor | Causa |
|---|---|---|
| Diamante | Verde | Centro de cor GR1 com vacância de carbono no diamante |
| Amarelo | Estrutura ausente dos agregados de diamante N3 | |
| Laranja | Defeitos nos centros de cor Natoms e H3, H4 | |
| Cristal | Cor de fumo | Vagas geradas pela Al3+ substituindo Si4+ , relacionado com a radiação |
| Amarelo | Relacionado com Al3+pode também ser gerado por radiação | |
| Púrpura | Fe3+ substitui a vaga criada por Si4+ | |
| Pedra preciosa corindo | Amarelo | A cor é instável, a razão dos defeitos estruturais é desconhecida |
| Topázio | Azul | A cor é estável, a razão dos defeitos estruturais é desconhecida |
| Amarelo | A cor é estável, a causa dos defeitos estruturais é desconhecida | |
| Vermelho acastanhado | A cor é instável, a causa dos defeitos estruturais é desconhecida | |
| Turmalina | Vermelho | Relacionado com Mn3+ pode também ser causada por radiação |
| Berilo | Azul | Relacionado com o CO32- pode também ser causada por irradiação |
| Fluorite | Púrpura | Eletrónica e- substitui o F- para produzir |
O princípio dos centros de cor também é utilizado para melhorar a cor das pedras preciosas naturais no aprimoramento de pedras preciosas. A maioria dos métodos utiliza a irradiação para alterar a cor das pedras preciosas. Alguns centros de cor são relativamente estáveis, enquanto que algumas variedades de pedras preciosas desvanecem-se rapidamente, tornando este método de melhoramento menos significativo para essas pedras preciosas. A Tabela 3-9 lista algumas cores produzidas por centros de cor, incluindo centros de cor estáveis, centros de cor instáveis e cores produzidas por outros factores possíveis.
Tabela 3-9 Cores produzidas pelos centros de cor
| Basicamente estável à luz | Ametista, fluorite (vermelho-púrpura), diamantes irradiados (verde, amarelo, castanho, preto, azul, rosa); alguns topázios naturais ou irradiados (azul) |
|---|---|
| Desvanece-se rapidamente com a luz | Berilo verde de césio de lítio (azul profundo); alguns topázios irradiados (castanhos ou bronzeados); safira irradiada (amarela); sodalite púrpura irradiada com ultravioleta (vermelho-púrpura) |
| Outras cores que os centros de cor podem produzir | Silvina (azul); halite (azul ou amarela); zircão (castanho); calcite (amarela); barite, celestina (azul); amazonite (azul a verde) |
