珠寶知識307：彩色寶石入門篇（十）：寶石的變彩效應及其評價
【何為變彩效應】
在很多寶石表面會產生一些與寶石本身顏色（體色）完全不同的顏色，給人一種別樣的浪漫。例如月光石表面的藍色、黑珍珠表面的孔雀綠色以及歐泊表面五彩的色斑等等，這些都是變彩效應，其中月光石、黑珍珠表面的顏色由於往往只有一種，因此稱之為單色變彩；歐泊、斑彩菊石、變彩拉長石等寶石表面的顏色往往具有多種，稱之為多色變彩；也有很多人將月光石、珍珠的單色變彩單獨命名為暈彩。那麼這些與寶石體色差異較大的顏色是如何形成的呢？
【五彩斑斕的世界】
我們這個世界是五彩斑斕的，在平時的日常工作與生活當中經常能夠看到一些五彩斑斕的顏色，例如天空的藍色、晚霞的紅色、海洋的藍色、氣泡的彩色等等，那麼說到顏色，就不得不提“光”，因為光是形成顏色的先決條件，沒有光又何談顏色呢？
由於光的本質是一種電磁波，會產生所有“波”能夠產生的物理現象，例如干涉、衍射、散射等等，而寶石表面各種各樣的顏色與他們的形成原理就與光的這些物理現象密切相關。所以今天在為大家分享寶石的變彩效用之前，先會為大家複習一下相關的物理知識，為了能夠讓大家更好的瞭解光的這些物理知識，我們會用日常生活中常見的例子進行簡單的對比。
【光的干涉現象】
如果我們將兩顆相同的石子同時投放在一個非常平靜的湖水裡，在湖面中就會形成分別以兩個石子為中心的水波，由於兩個石子是完全相同的，並且是同時投放的，因此形成的水波的性質也是一模一樣的，在水中就會形成下圖中的樣子——在某些地方水波的振幅是增強的，在某些地方是減弱的，這就是波的干涉現象。
對於“光”來講，兩束完全相同的光（振動方向相同，傳播方向相同，頻率相同）相遇的時候也會形成干涉現象。對比上圖中的水波，波的振幅加強的地方，就是光亮度增強，波的振幅減弱的地方，就是光亮度降低的情況。最典型的就是我們在高中時候學習到的楊氏干涉圖像，如果是單色光，會在屏幕上形成明暗相間的條紋；如果光源為白色光，會形成彩色的條帶。
不同的實驗條件，也往往會形成不同的干涉圖樣，五彩斑斕。
【薄膜干涉與劈尖干涉】
當光線遇到一個薄膜的時候，會對光線產生多次反射——薄膜表面的反射與薄膜內部對光的反射，但是無論怎樣，這些反射出來的光線的前身都是同一條光線，因此他們滿足產生干涉的基本條件——光的性質完全相同，這些光線相遇時便會產生干涉，從而形成不同的顏色；同樣的原理，劈尖對光的多次反射同樣能夠產生光的干涉，氣泡表面的七彩色就與薄膜干涉和劈尖干涉有密切的聯繫。
【光的衍射】
光是沿直線傳播的，但是光的傳播方向也會在某些時候發生變化。當波遇到障礙物或者狹縫的時候，尤其是當障礙物或者狹縫的尺寸與波長的尺寸相近時，波的傳播方向會發生明顯的變化，這種現象就會被稱之為波的衍射現象，從下圖中我們可以非常清楚的看到，當狹縫較大的時候，波的傳播方向的改變較小，但是當縮小狹縫的時候，波的傳播反向就會發生明顯的變化。
下圖就是一張非常常見的波的衍射現象，波浪是從海面向岸邊傳播，當遇到狹縫時，波不再沿著直線傳播，而是改變了方向，向四面八方傳播。
光的衍射現象與此類似，也就是說，當光遇到一些與光的波長相近的障礙物或者狹縫的時候，傳播方向同樣會發生明顯的改變。在高中時代，為了能夠得到兩個完全相同的光源製作光的“干涉圖樣”，利用的就是光的衍射現象。
光的顏色除了能夠促進光的干涉現象的出現從而產生顏色外，單純的衍射現象也可以出現多彩的顏色，這同樣與不同顏色光的波長不同有關，也就是說，同樣的障礙物或者狹縫，對不同顏色光的衍射效果是明顯不同的。
【光柵衍射】
通常情況下，光的干涉與光的衍射是同時存在的，最為典型的當屬光柵衍射。在很多光學實驗中，為了得到兩束完全相同的光，所採用的就是結合光的衍射作用。光柵本質上就是在一個光學器件中按照一定的規律分佈一些與光的波長相近的狹縫，無數個狹縫就相當於無數個完全相同的光源，能夠滿足光的干涉條件，從而產生彩色光，是寶石中一項非常重要的形成變彩效應的原理，例如歐泊。
【光的散射】
剛剛我們講到，光的衍射現象是改變光傳播方向一個非常重要的原理，而光的散射同樣能夠改變光的傳播方向。例如在黑天的時候打開一個手電筒，我們可以看見一束非常明顯的光柱，但是，手電筒其實並沒有直接照射到人的眼睛裡面，而僅僅是從側面觀察到，這表明已經有部分光線改變了傳播方向，這種現象其實就是光的散射，而這種現象的出現一般與小顆粒的物質有關。
因此光的散射就是光在傳播過程中，部分光線的傳播方向發生改變的現象。雖然散射現象僅僅是部分光改變了傳播方向，但是由於散射現象與光的波長、顆粒的尺寸等相關要素有關，同樣能夠產生不同的顏色。根據顆粒大小的不同以及散射出來的效果，可以將散射現象分為瑞利散射、米氏散射、拉曼散射等。
【瑞利散射】
瑞利散射又稱為“分子散射”，顆粒的尺寸是遠小於光的波長的，小於波長的十分之一，散射的強度與入射光波長的四次方呈反比，也就是說，波長越短，散射越強，在可見光的範圍內，藍紫光的散射強度更強，因此可以將短波長的光與長波長的光有效的分開，從而產生漂亮的顏色，例如晚霞的紅色、天空的藍色等都與瑞利散射密切相關。
【米氏散射】
米氏散射發生的條件是顆粒的大小與光的波長相近的時候產生的，散射強度與波長的二次方程反比，波長的變化引起的散射強度不如瑞利散射那樣劇烈，可以近似的認為不同波長的散射強度基本相同，發生散射時幾乎包含了所有波長的波，因此產生的散射光一般為白色，例如膠體的散射光為白色或灰白色，生活中的白雲、浪花的顏色等等。
夏天風景 o
好了，複習完了光的一些物理現象，不同寶石的變彩效應與那些光的物理顯現象有關呢？
【主要與光柵衍射有關的寶石】
歐泊是所有具有變彩效應當中最為典型的寶石之一，通過掃描電鏡可以清晰的解析顯微結構，可以發現歐泊主要為SiO2·nH2O組成的小球形成起來的，那麼小球的尺寸就會明顯影響到光的一些物理現象：
（1） 小球的尺寸過小時，會滿足瑞利散射的條件，例如埃塞俄比亞具有藍紫色變彩的歐泊，SiO2·nH2O小球尺寸在80-100nm之間；
埃塞俄比亞歐泊的球狀結構
（2） 小球聚集之後形成層狀結構，滿足薄膜干涉條件，例如埃塞俄比亞歐泊部分歐泊的層狀結構在100-300nm之間。
埃塞俄比亞歐泊的層狀結構
埃塞俄比亞歐泊不同顏色的變彩
（3） 小球堆積後球體之間的空隙與光的波長相當，形成三維光柵，形成變彩，例如澳大利亞歐泊的SiO2·nH2O小球尺寸在150nm～400nm之間。
澳大利亞歐泊的顯微結構特徵
小球的尺寸決定小球之間的空隙，從而決定光發生顏色的條件，進而決定歐泊變彩的顏色；《系統寶石學》做過統計，小球之間的空隙在138-204nm之間，允許白光中所有波長的單色光通過，形成七彩歐泊；間隙在138-204nm之間，只允許則色到黃色的光通過，形成五彩歐泊；球體間隙在138-176nm之間，只允許紫色到藍色色光通過，形成三彩歐泊；間隙在138-165nm之間時，只允許紫色和藍色光通過，形成單彩或者二彩歐泊。
【主要與薄膜干涉有關的寶石】
主要與薄膜干涉有關的寶石包括斑彩菊石、珍珠、變彩拉長石等寶石有關，這一類寶石最重要的特點就是結構上屬於層狀結構，形成了薄膜干涉的基礎，而薄膜的厚度則決定了變彩效應所產生的顏色和效果。
由於篇幅有限，下面以斑彩菊石為例為大家進行簡單的介紹。斑彩菊石進入到寶石的行列時間相對較短，但是由於具有非常鮮豔的顏色，並且隨著觀察角度的變換而產生不同的顏色，再加上是古生物的一種，帶有一種明顯的年代感和對生命的敬意，受到了很多消費者的喜歡。
斑彩菊石的主要成分是文石和有機質，其次是方解石，同樣是根據掃描電鏡的分析，發現斑彩菊石主要為層狀結構，並且與有機質互層，這是形成薄膜干涉的基礎，因此薄膜的厚度決定了伴彩菊石顏色的種類及變化。下圖就是斑彩菊石的顯微結構以及結構示意圖。
層狀結構決定了薄膜干涉的發生，因此薄膜的厚度與寶石形成的顏色密切相關，根據統計，紅色的文石層的平均厚度為232nm，綠色的平均厚度為194nm，而紫色的平均厚度為145nm。
【與散射有關的寶石】
在寶石中主要形成顏色的散射現象主要為瑞利散射和米氏散射，與散射有關的寶石主要包括月光石、芙蓉石、剛玉、蛋白石等，其中以月光石的顏色成因最為典型。但是月光石的結構同樣為層狀，主要為鈉長石與鉀長石互層，但是由於“層”的厚度過小，不能夠滿足干涉的條件，因此無法用光的干涉理論來解釋月光石的月光效應。
由於散射效應同樣與尺寸有關，因此當“層”的尺寸過小時（89.5-149.8nm），會滿足瑞利散射的條件，形成漂亮的藍色，而“層”的尺寸與光的波長相近時（166.9-6582.5nm），滿足米氏散射的條件，從而形成白色-灰色暈彩。下圖為月光石（白色乳光）在顯微鏡下觀察到的條紋結構。
如何評價寶石的變彩效應？
1、 顏色本身的評價
變彩效應的本質是通過光的物理效應產生除寶石體色以外的顏色，因此顏色本身的評價佔據了首位，同樣是要包括色相、明度和飽和度這三個物理參數，以歐泊為例，黑歐泊由於具有較深的體色，使得歐泊表面的變彩中的顏色看起來飽和度更高、明度更高。
但是，相比之下，白歐泊由於具有相對更高的透明度，使得變彩的顏色在白色的背景之上，飽和度降低，因此顏色看起來就不那麼鮮豔了；
2、變彩與寶石體色之間的差異
通常情況下，變彩效應與寶石體色之間的差異越大，變彩效應的觀察才會更加的明顯，黑歐泊與白歐泊之間的對比其實也可與這種對比有關。以月光石為例，月光石的變彩效應以藍色為貴，而灰色-白色的月光石價格相對較低，從美觀度來講，藍色會更加的漂亮，除了顏色本身因素以外，一個重要的原因就是藍色的月光與白色或者無色的體色構成明顯的對比。
3、不同顏色變彩之間的匹配
有些寶石例如拉長石、歐泊、斑彩菊石等通常會在表示的表面形成多種顏色的變彩，那麼不同顏色之間的協調程度，或者不同顏色之間能夠形成一些特殊圖案，也是評價他們的重要因素之一。
下圖中歐泊，是有很多短且平直的線條組成，被稱之為“Chinese Writing”歐泊，這種類型的變彩效應在外國人的眼裡非常像中國文字。
下圖是一些被稱之為孔雀、稻草紋、小火花的歐泊
4、變彩效應的方向性
變彩效應主要與光的物理作用有關，那麼光的物理現象的發生與光的入射方向有著密切的關係，反應在寶石上面就會發現，很多變彩效應的與觀察方向密切相關，因此變彩效應的方向性就變得尤為重要，下面這顆歐泊在轉動方向的過程中，變彩變得相對較弱，影響了美觀度，若能夠達到360°無死角觀察到變彩效應，會大大的升高歐泊的價值。
再以月光石為例，月光石通常會做成弧面型的，因此暈彩效應效應在弧面上的效果就會大大地影響寶石的價值，而月光效應同樣會隨著觀察角度的不同而發生變化，因此在切磨的時候需要進行定向。若定向不準確會造成月光效應偏離弧面的中央，影響寶石的美觀度，進而降低寶石的價值。下圖為一串月光石的手鍊，但是每顆珠子的月光效應所在的方向卻是不同的。
好了，關於變彩效應的成因以及評價就介紹到這裡，希望對大家有所幫助。
《系統寶石學》
《寶石暈彩效應的成因機理綜述》
《加拿大彩斑菊石的寶石學、礦物學特徵和顏色成因的研究》
《埃塞俄比亞歐泊微結構及變彩成因探討》
《澳大利亞庫伯佩地“水晶歐泊”寶石學特徵》
《澳大利亞、埃塞俄比亞歐泊的對比研究》
《歐泊 鑑定與選購》
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