Màu sắc, tính đa sắc và phổ hấp thụ của đá quý

Màu sắc, tính đa sắc và phổ hấp thụ của đá quý (Phần 1)

Bản chất vật lý màu sắc của đá quý

Màu sắc là một đặc tính quan trọng của đá quý nhưng đối với hầu hết các loại đá, màu sắc không phải là tính chất dùng để phân biệt đá quý vì cùng một loại đá quý có thể có rất nhiều màu khác nhau và ngược lại, nhiều loại đá quý khác nhau lại có cùng một màu sắc.

Nguyên nhân của màu sắc khác nhau là do ánh sáng – các dao động sóng- điện từ trong khoảng bước sóng nhất định. Mắt người chỉ nhận biết được những sóng ánh sáng có bước sóng nằm trong khoảng 4000 – 7000A, gọi là vùng ánh sáng nhìn thấy. Qua lăng kính bằng thủy tinh, phần ánh sáng nhìn thấy được tách ra thành 7 dải màu có các bước sóng khác nhau: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Màu đỏ có bước sóng dài nhất, màu tím có bước sóng ngắn nhất.

Tập hợp tất cả các bước sóng này tạo ra ánh sáng trắng. Khi một chùm ánh sáng trắng chiếu vào viên đá sẽ xảy ra các hiện tượng sau: Một phần của ánh sáng sẽ bị viên đá hấp thụ, một phần bị phản xạ ngược trở lại, một phần được truyền qua viên đá.

Bản chất vật lý màu sắc của đá quý
Bản chất vật lý màu sắc của đá quý

Nếu một khoảng bước sóng nhất định nào đó bị hấp thụ thì tập hợp còn lại sẽ không tạo ra ánh sáng trắng nữa mà tạo ra màu khác. Nếu viên đá cho tất cả các bước sóng đi qua nó, viên đá sẽ có màu xám hoặc trắng đục. Nếu tất cả các bước sóng đều bị hấp thụ ở mức độ giống nhau viên đá sẽ có màu tối sẫm. Tuy nhiên, nếu chỉ những bước sóng nhất định bị hấp thụ thì viên đá sẽ có màu của tập hợp các phần quang phổ không bị hấp thụ của ánh sáng trắng.

Nguyên nhân chính tạo ra màu sắc của đá quý là do các kim loại thuộc nhóm chuyển tiếp trong hệ thống tuần hoàn: Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Cr, Ti,….Chúng có khả năng hấp thụ những bước sóng nhất định của ánh sáng trắng và do vậy tạo nên màu sắc của đá quý. Những nguyên tố này có mặt trong đá với một lượng rất nhỏ nên không thể hiện trong công thức hóa học của khoáng vật. Tuy nhiên cũng có trường hợp đặc biệt, đối với zircon và thạch anh xám khói, không có chất ngoại lai nào tạo màu cho chúng cả, màu sắc của chúng là do sự phá hủy kiến trúc bên trong của viên đá, đúng hơn là màu sắc của quyển. Trong đá quý học màu sắc đóng vai trò rất quan trọng, nó luôn luôn được coi là tiêu chuẩn hàng đầu trong 4 tiêu chuẩn cơ bản khi đánh giá chất lượng đá quý: màu sắc, độ tinh khiết, trọng lượng, và kỹ thuật chế tác.

Nguyên nhân tạo màu của đá quý

Cho đến nay người ta đã thông kê được ít nhất 15 căn nguyên gây ra màu sắc . Trong 15 căn nguyên này thì có đến 13 căn nguyên xuất hiện trong khoáng vật. Tất cả các căn nguyên gây màu trong đá quý đều liên quan đến tương tác của các điện tử và ánh sáng. Sau đây là một số lý thuyết quan trọng được áp dụng để giải thích nhiều nguyên nhân gây màu trong đá quý.

Lý thuyết trường tinh thể

Ruby là một thí dụ điển hình để giải thích nguyên nhân tạo màu trong đá quý được lý giải bằng trường tinh thể.

Ruby là một thí dụ điển hình để giải thích nguyên nhân tạo màu trong đá quý
Ruby là một thí dụ điển hình để giải thích nguyên nhân tạo màu trong đá quý

+Ruby có thành phần hóa học là 99 Al2O3  1Cr2O5. Tinh thể AL2O3 tinh khiết là không màu hay còn gọi là saphia không màu. Trong tinh thể AL2O3 có mỗi AL3+ được bao quanh bởi 6 ion O2- trong một hình bát diện.

+Ta xét điều gì sẽ xảy ra khi còn Cr3+ được thế vào vị trí AL3+. Hiển nhiên là ion Cr3+ sẽ bị tác động bởi môi trường tinh thể đã được đề cập đến ở trên. Vấn đề ảnh hưởng như thế nào mà tạo ra mà đỏ của ruby? Sự tách các năng lượng 3d bởi trường tinh thể là nguyên nhân dẫn đến sự hấp thụ vùng tím và xanh của ruby dẫn đến hệ quả là ruby có màu đỏ.

Tâm màu

Tâm màu là các sai hỏng trong tinh thể,gây ra bởi một điển tử bị bẫy tại một điểm mà tại đó bình thường không có điện tử này (tâm điện tử) hoặc một lỗ trống ở vị trí một điện tử vắng mặt mà tại đó bình thường là một cặp điện tử. các điện tử này khi bị kích thích, tương tụ như các kim loại chuyển tiếp, sẽ gây ra màu. Fliorite thường có màu tím đỏ là một ví dụ điển hình khi nghuên cứu về tâm máu trong đá quý.

Một loại tâm khác là tâm màu lỗ trống như trường hợp của thạch anh ám khói. Trong tinh thể thạch anh tím khói ion AL3+ thya thé vài vị trí Si4+, để đảm bảo cân bằng điện tích một ion Na3+ hoặc H+ phải xuất hiện ở vùng lân cận.

Tâm màu cũng là nguyên nhân gây ra màu xanh, vàng, đỏ…của kim cương.

Lý thuyết quỹ đạo phân tử (Molecular orbital theory)

Trong cơ chế của trường tinh thể các điện tử tham gia quá trình tạo màu của một ion hoặc một sai hỏng. Tuy nhiên, cũng có khả năng cac điện tử này nằm trên quỹ đạo của hai hay nhiều nguyên tử (trong trường hợp liên kết cộng hóa trị) haojwc xung quanh các ion (trong trường hợp liên kết cộng ion). Lý thuyết giải thích cơ chế tạo màu của đá quý trong trường hợp trên gọi là lý thuyết quỹ đạo phân tử. Trong một số tài liệu một số tác gọi đây là quá trình tạo màu bao gồm nhiều nguyên tử.

Lý thuyết quỹ đạo phân tử (Molecular orbital theory)
Lý thuyết quỹ đạo phân tử (Molecular orbital theory)

Một cơ chế gây màu để minh họa cho thuyết phân tử là quá trình chuyển dịch điện tích.

Đối với đá quý có nguồn gốc hữu cơ như ngọc trai, hổ phách, san hô v.v, các quá trình tạo màu đều xảy ra do cac dịch chuyển điện tử trong phân tử hữu cơ, dp vậy các căn nguyên gầy màu trong các đá quý hữu cơ đều được giải thích bởi thuyết quỹ đạo phân tử.

Lý thuyết vùng

Khác với các quá trình đã đề cập tới ở trên, các điện tử tham gia vào quá trình tạo màu trong một số đá quý có thể coi như thuộc toàn bộ tinh thể, đây là nét đặc trưng của phần lớn các kim loại và chất bán dẫn. Lý thuyết mô tả nguyên nhân gây màu của các chất này gọi là lý thuyết vùng.

=Trong rất nhiều các chất rắn, hàng tỉ các nguyên tử tham gia vào quá trình tạo ra các mức năng lượng có thể, tạo ra cực lớn một số năng lượng nằm gần nhau, đến mức mà ta có thể quay như là một vùng năng lượng liên tục. Điều này đặc biệt đúng đối với kim loại và chất bán dẫn. Có hai vùng đối với chất rắn. Một vùng hóa trị với năng lượng thấp chứa đầy điện.

Mức năng lượng mà dướinó hoàn toàn lấp đầy các điện tử gọi là mức fecmi, trên mức này là rất nhiều mức năng lượng chưa bị chiếm, khi các điện tử bị kích thích chúng có thể nhảy lên các mức này. Số lượng các điện tử được kích thích lên các mức năng lượng khác nhau là khác nhau, và là đặc trưng riêng đối với mỗi loại vật chất, đồng thời là nguyên nhân dân đến sự thay đổi của độ phản xạ đối với từng năng lượng, dẫn tới nhiều màu săc khác nhau.

Tóm lại, độ rộng của vùng cấm quyết định các màu sắc khác nhau của các chất bán dẫn và cách điện, đối với kim loại do độ rộng của vùng cấm là rất nhỏ nên ánh sáng khả kiến được phát ra ngay sau khi bị hấp thụ tạo ra “ánh” kim loại.

Các nguyên nhân khác

Ngoài các nguyên nhân trên, ta phải kể đến các hiện tượng quang vật lý như: sự giao thoa của ánh sáng, hiện tượng nhiễu xạ, sự tán xạ, khi có sự tương tác giữa ánh sáng với các đặc trưng vật lý của khoáng vật. Sau đây ta xét bốn trường hượp cụ thể.

Hiệu ứng giao thoa từ màng mỏng

Hiện tượng giao thoa xuất hiện khi hai tia sáng truyền song song với nhau và rất gần nhau. Nếu hai tia này là đồng pha chúng sẽ cộng hưởng với nhau, nếu ngược pha, chúng sẽ triệt tiêu nhau.

Hiệu ứng giao thoa từ màng mỏng
Hiệu ứng giao thoa từ màng mỏng

Ngũ sắc là trường hợp phổ biến của hiện tượng giao thoa. Ngũ sắc xuất hiện khi ánh sáng truyền qua một màng mỏng trong suốt có chỉ số khúc xạ khác với chỉ số khúc xạ của môi trường xung quanh. Ví dụ, màng mỏng không khí trong thạch anh ngũ sắc (iris). Các tia sáng phản xạ từ mặt đáy màng mỏng sẽ giao thoa với các tia phản xạ của mặt trên. Đối với từng bước sóng, ứng với độ dày chỉ số khúc xạ của màng mà các tia sáng sẽ thiếu một số màu đồng thời một số màu được tăng cường, tạo nên hiện tượng ngũ sắc.

Màu sắc quan sát thấy trong một số viên ngọc trai cũng có thể được giải thích bằng hiện tượng giao thoa màng mỏng. Như ta đã biết, ngọc trai được cấu tạo từ rất nhiều lớp aragonit và vật liệu hữu cơ (conchiolin) xen kẽ nhau, hai chất này có chỉ số phản xạ khác nhau. Khi một chùm ánh sáng chiếu tới viên ngọc trai, nó sẽ bị phản xạ trên bề mặt của các lớp này. Sự giao thoa giữa ánh sáng phản xạ và ánh sáng tới tạo ra ánh ngũ sắc của viên trai.

Hiệu ứng nhiễu xạ

Nhiễu xạ là một trường hợp đặc biệt của giao thoa, khi có sự sắp xếp đều đặn của các lớp có hệ số phản xạ khác nhau. Sự nhiễu xạ này tạo ra một phổ màu tinh khiết, trái ngược với hiện tượng ngũ sắc có màu là tổng hợp của vài phổ màu.

Opal là một trong số ít các loại đá quý, thể hiện tất cả các màu của phổ trên một viên đá. Một điều đặc biệt là mặc dù phổ có thể rất bất quy tắc nhưng mỗi vùng màu thì màu là đồng nhất. Màu của mỗi phần của viên đá phụ thuộc vào sự định hướng của nguồn sáng và khi viên đá chuyển động, màu sẽ thay đổi. Khi phân tích ánh sáng từ một vùng ta sẽ phổ màu sạch, nghĩa là chỉ gồm một bước sóng. Các hiện tượng này là do hiệu ứng nhiễm xạ, sinh ra bởi sự tương tác giữa ánh sáng trắng với cấu trúc lớp của opal. Opal bao gồm các hình cầu hydro silicat rất nhỏ sắp tạo ra bởi các hạt nhỏ hơn với đường kính cỡ 140nm.

Ngoài opal, hiện tượng nhiễu xạ còn là nguyên nhân tạo màu đối với labradorit và vài loại andrarit hiếm.

Hiệu ứng tán xạ

Khi cấu trúc của viên đá là không đồng đều hoặc kích thước của các hợp phần nằm ngoài dải cho hiệu ứng nhiễu xạ (từ 100-400nm), ánh sáng khả biến không gây nên hiệu ứng nhiễu xạ. Tuy nhiên ánh sáng vẫn bị tán xạ, quá trình tán xạ làm cho ánh sáng tương tác với các tâm tán xạ. Sự tán xạ tạo ra các hiệu ứng màu lẫn các hiện tượng quang học. Kích thước và hình dạng tâm tán xạ nhỏ hơn bước sóng ánh sáng khả kiến ta có tán xạ Rayleigh. Khi kích thước các tâm tán xạ cỡ các bước sóng ánh sáng ta có tán xạ Mie, và loại tán xạ thứ ba là khi các tâm tán xạ lớn hơn các bước sóng khả kiến.

Các bao thể có màu

Các bao thể này có thể rất nhỏ
Các bao thể này có thể rất nhỏ

Các bao thể này có thể rất nhỏ, như các bao thể hematit tạo nên màu đỏ của octocla đỏ Mađagasca hoặc các bao thể thydroxit sắt trong opal lửa (fire opal).

Kết luận: Chúng ta đã đề cập đến các khái niệm trường tinh thể, tâm màu, quỹ đạo phân tử, lý thuyết vùng và các hiện tượng vật lý để giải thích căn nguyên gây màu trong đá quý. Tuy nhiên, chúng ta cũng cần chú ý rằng màu một viên đá có thể do một tổ hợp căn nguyên khác nhau. Cho đến nay, việc tìm hiểu căn nguyên màu của đá quý vẫn là đề tài phức tạp mang tính thời sự mà nhiều phòng tí nghiệm  trên thế giới quan tâm.

Công ty cổ phần Trang sức và Đá quý Việt nam là một trong những công ty hàng đầu cả nước về thiết kế, chế tác về đá quý và trang sức. Nếu có mong muốn tư vấn thiết kế sản phẩm trang sức, đá quý mang tính “cá nhân hóa và gắn liền với câu chuyện của bản thân”,  Quý khách vui lòng đăng ký trực tiếp trên website để được phục vụ tốt nhất.

Để được tư vấn trực tiếp, Quý Khách vui lòng bấm số HOTLINE hoặc đăng ký trực tuyến TẠI ĐÂY. Ngoài ra, nếu Quý khách cần hỗ trợ luôn, vui lòng nhắn tin tại TẠI ĐÂY (24/24).

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *