早在距今1.8万年前的北京周口店山顶洞人的遗址中，人们就发现了用动物的牙齿和骨骼串成的项链装饰，这恐怕是人类最早期的“宝石制品”。宝石具有美丽、稀少、耐久的特点，自然界中发现的矿物超过3000种，但可以做宝石原料的仅230多种，国际珠宝市场上的中高档宝石不过20多种，可见矿物岩石必须具备一定的条件才能成为宝石，宝石是众多矿物岩石的精华，钻石、蓝宝石、翡翠是宝石界的经典代表。

美丽是宝石具有昂贵价值的首要条件，宝石与光是如何作用，才拥有了璀璨的光芒呢？

火彩，令无色钻石成为宝石之王

钻石本身是没有颜色的，但在阳光照射下会呈现五彩斑斓的色彩效果，这现象被称为火彩。产生火彩的根本原因是钻石的色散效应比较强烈。当白光通过玻璃制成的棱镜时，棱镜会使光产生偏折，棱镜偏折不同颜色光的能力是不同的，导致各色光散开，这就是光的色散效应。

（光通过三棱镜的色散效应）

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色散值被用于评估材料色散效应的强弱，色散效应弱的材料，光通过后色彩分散不多，色散值低，反之色散值高。玻璃的色散值大概是0.009，而钻石的色散值达到了0.044，相比之下，蓝宝石的色散值仅为0.018。本身不具备颜色的钻石，加上极高的色散值，呈现出的火彩令人惊艳，加上精湛的切割打磨工艺，能使得火彩体现的更加淋漓尽致。拿普通透明玻璃，切割成钻石的形状，也能形成比较好看的火彩。

（钻石的璀璨光芒）

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色散能力强在宝石上是好事，不过在眼镜镜片中或是光学镜头中却是需要被校正的光学缺陷，如果眼镜镜片的色散值过高，物体边缘会有彩色的边，使用具有色散的镜头拍出的照片，物体的边缘会出现紫边。

猫眼与星光效应，光芒灵动

一些宝石在光线的照射下会出现一条明亮的光带，光线移动，亮带也会随着移动，这种光泽和猫的眼睛类似，这种光学效应被称为猫眼效应，这类宝石又被称为猫眼石。

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猫眼石图源：https://gemkeepers.com/

天然宝石是在复杂的地质环境中形成的，外来杂质的混入，温度压力的变化都会对宝石的生长产生影响，都会在宝石的内部留下一定的痕迹，这些痕迹被称为包体。猫眼石的内部存在一组密集，且平行定向排列的纤维状包体（好比平行分布的细密条纹，尺寸大约0.01mm至0.1mm），这些包体对光线的折射与反射，产生的明亮光带的效果。譬如猫眼蓝宝石中存在二氧化钛（又称为金红石）杂质，金红石以细小纤维的形式排布在蓝宝石中，光照下便生成条状光斑。

星光效应，就是猫眼效应的升级版，具备星光效应的宝石内部包体是交叉分布的细密纤维，光照下，多条猫眼条纹组成了星光状的条纹。

（星光蓝宝石，图源，wikipedia）

这类效应在生活中也很常见，雨天，汽车玻璃侧窗经过升降后，表面会形成的细密水纹，这些条纹的作用好比猫眼石中的包体，在夜晚透过车窗观察外边的路灯时，会发现还有一条细长的横向光斑伴随着光源。类似地，当手机镜头不小心抹上油形成方向一致的条纹时，拍摄光源也会产生和条纹方向垂一致直的光斑（也可以是故意抹上油的，可以尝试一下呦），这是光的散射效应，越细微的结构产生越大的散射角度：竖向条纹的横向结构相比竖向结构要精细很多，所以在横向产生大角度散射，形成横向条纹。。

光源透过竖向条纹，会形成横向的光斑

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变彩效应，宝石中的天然微结构

宝石内部存在纳米（100-300nm）量级的细小结构，光经过这些微结构时会产生干涉，衍射效应。形成彩色的斑点。

七彩欧珀

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变彩效应最明显的宝石当属蛋白石，又称为欧珀。欧珀是二氧化硅（玻璃的主要成分也是二氧化硅）的水合物，下图中为欧珀的分子排布，二氧化硅小球排列规则，小球中间有空隙，这些空隙就好比天然的微结构，能够使得光产生衍射，产生的颜色与排列周期和光的波长有关，宏观看来就是形成彩色的光斑。根据空隙的大小不同，对光的衍射效应也有所不同，最终表现为色彩种类多少不同的欧珀，诸如七彩、五彩、三彩欧珀。

图源：参考文献一

生活中衍射现象也很多，比如DVD光盘，光盘表面有一圈一圈的刻痕，这些刻痕宽约500纳米间距大约是700微米，在阳光照射下，光盘表面会有彩色的光斑，这就是光的衍射效应形成的。蝴蝶的翅膀上也遍布着微结构，闪蝶翅膀具有的靓丽蓝色，同样是光的衍射效应形成的。

人造宝石出场，宝石或许不再稀缺？

美好的东西所有人都会追求，但宝石的稀有属性，又让大家望而却步。现今，技术发展让人类也能够创造出诞生宝石所需的苛刻条件，譬如高温高压法制造的人造钻石，这类方法能够模仿自然钻石的形成过程，通过在极高温度和高压的情况下将石墨转化为钻石。所生产来的钻石除了能应用在工业中（钻石硬度极高，可以制成磨料），还能被加工成宝石。类似的，人造红宝石、蓝宝石等不仅在工业中得到广泛应用，也让大家能够以更低的价格购买到漂亮的装饰品。

结语

下次再欣赏宝石，想必会更加佩服大自然的“鬼斧神工”。

参考文献：

[1]张蓓莉.系统宝石学[M].地质出版社,2006.

[2]曾广策,朱云海,叶德隆.晶体光学及光性矿物学[M].中国地质大学出版社,2006.

[3]羊国光,宋菲君.高等物理光学[M].中国科学技术大学出版社,2008.

来源: 星空计划

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