Sự hình thành và phân loại màu sắc đá quý

Màu sắc của đá quý có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra: do thành phần hóa học; do các đặc điểm cấu trúc hoặc các tạp chất cơ học ngoại lai. Tùy theo tác nhân gây màu mà các nhà chuyên môn (Fresman, 1954) chia đá quý thành 3 nhóm: màu tự sắc, màu ngoại sắc và màu giả sắc.

Sự đa dạng màu sắc trong đá quý

Các nguyên tố cấu trúc. Màu tự sắc (idiochromatic colours)

Đây là nhóm đá quý tự chúng đã có màu (tự sắc), gây ra bởi các thành phần hóa học chính tham gia vào cấu trúc tinh thể của chúng. Các thành phần gây ra màu được ghi trong công thức hóa học của các loại đá quý này.

Nhóm đá quý tự sắc không nhiều. Ví dụ điển hình là màu hồng, hồng thịt do Mn gây ra trong rhodonite, rhodochrosite; màu lục và màu lam do Cu gây ra trong đá lông công (malachite) và biruza (turquoise); màu lục, lục phớt vàng và lục phớt nâu gây ra bởi Fe trong peridot.

Điểm đặc trưng của đá quý tự sắc là màu của chúng nói chung luôn ổn định và có ý nghĩa giám định.

Các nguyên tố tạp chất. Màu ngoại sắc (allochromatic colours)

Khác với màu tự sắc, nhóm đá quý ngoại sắc ở trạng thái tinh khiết thường là không màu, chỉ khi lẫn các tạp chất khác chúng mới có các màu khác nhau. Các nguyên tố tạp chất không phải là những nguyên tố cấu trúc chính của khoáng vật đá quý, bản thân chúng không được ghi trong công thức hóa học của khoáng vật, hàm lượng của chúng thường không cao (từ 0,00n-n%). Chúng thường thay thế những vị trí nhất định của các nguyên tố cấu trúc.

Đây là nhóm đá quý chiếm tỷ lệ cao nhất và các nguyên tố tạp chất là nguyên nhân chủ yếu tạo màu cho đá quý. Ví dụ, khi crôm lẫn trong thành phần corindon sẽ tạo ra ruby màu đỏ, trong thành phần beryl sẽ tạo ra emerald màu lục, trong thành phần chrysoberyl tạo ra alexandrite đổi màu,… Hoặc cũng là corindon nhưng lẫn Fe²⁺ và Ti⁴⁺ sẽ có màu lam (sapphire), beryl lẫn Fe²⁺ và Fe³⁺ thì có màu xanh lơ.

Các nguyên tố gây màu (cả tự sắc và ngoại sắc) đều thuộc hai nhóm trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học, đó là:

• Nhóm tám nguyên tố chuyển tiếp (Cr, Fe, Co, V, Ti, Ni, Mn, Cu). Chúng có đặc điểm chung là nằm ở vị trí chuyển tiếp và có các điện tử không cặp đôi ở vành điện tử ngoài cùng. Đá quý có thể chứa một vài nguyên tố chuyển tiếp. Màu tạo ra không chỉ phụ thuộc vào bản thân các nguyên tố này mà còn phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể và thành phần hóa học của đá quý.
• Nhóm nguyên tố đất hiếm (thuộc nhóm lantanoid)

Trong khi đó các nguyên tố chính của bảng hệ thống tuần hoàn lại chủ yếu tạo ra các khoáng vật không màu.

Bảng màu sắc đá quý do các nguyên tố chuyển tiếp gây ra

Đá quý tự sắc

Quá trình tạo màu của các nguyên tố gây màu trong đá quý tự sắc và ngoại sắc được các nhà khoa học giải thích bằng các lý thuyết trường tinh thể và lý thuyết quỹ đạo phân tử.

Lý thuyết trường tinh thể

Ví dụ điển hình của quá trình tạo màu theo lý thuyết này là trường hợp crom (Cr) tạo màu đỏ của ruby.

Bình thường, khi chưa có ánh sáng chiếu vào, crom ở trạng thái không bị kích thích (mức cơ sở), điện tử ở vành ngoài cùng có mức năng lượng thấp. Khi ánh sáng chiếu vào, crom sẽ nhận được một năng lượng kích thích, điện tử vành ngoài cùng sẽ nhảy lên mức năng lượng cao hơn. Vì ánh sáng có dạng xung ngắt quãng nên khi hết năng lượng của một xung, điện tử ở mức năng lượng cao sẽ nhảy xuống các mức năng lượng thấp hơn, kèm theo đó nó sẽ phát ra năng lượng thứ cấp dưới dạng ánh sáng màu đỏ.

Lý thuyết theo quỹ đạo phân tử

Quá trình tạo màu theo lý thuyết này có thể minh họa bằng trường hợp sapphire màu xanh lam do sự có mặt đồng thời của Fe²⁺ và Ti⁴⁺ ở các vị trí kế cận (thay thế Al³⁺).

Khi có ánh sáng chiếu vào, một điện tử từ quỹ đạo của ion Fe²⁺ sẽ chuyển dịch sang quỹ đạo của Ti⁴⁺ và cả hai đều trở thành có hóa trị 3. Sự chuyển dịch này diễn ra được nhờ năng lượng E có được từ sự hấp thụ ánh sáng. Khi xung quanh ánh sáng ngừng chiếu điện tử lại nhẩy trở về vị trí ban đầu đồng thời phát ra ánh sáng thứ cấp màu lam:

Fe²⁺+Ti⁴⁺ ⇔ Fe³⁺+Ti⁺³

Quá trình này còn có tên gọi là sự chuyển dịch điện tích giữa hóa trị (intervalence charge transfer-IVCT)

Sự chuyển dịch điện tích kéo theo sự di chuyển của điện tử (e)

Dịch nghĩa:

• Before electron transfer: Trước chuyển dịch điện tử;
• Light energy: năng lượng ánh sáng;
• After electron transfer: sau chuyển dịch điện tử.

Đặc điểm cấu trúc bên trong

Màu giả sắc (pseudochomatic colours)

Có một số loại đá quý khi có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh thì không màu, nhưng khi có các sai lệch khác nhau trong cấu trúc thì có thể có màu và một số hiệu ứng quang học đặc biệt.

Tâm màu

Màu của một vài loại đá quý có thể tạo ra hoặc bị biến đổi do các sai lệch trong cấu trúc tinh thể của chúng. Nguyên nhân của các sai lệch này thường là do hiện tượng phóng xạ tự nhiên hoặc nhân tạo.

Ví dụ về các loại đá quý có màu do tâm màu gây ra là zircon (do chứa các nguyên tố phóng xạ là U và Th), màu kim cương (do quá trình phóng xạ tự nhiên) hoặc màu saphir vàng (do chiếu xạ nhân tạo). Ngoài ra, thạch anh và fluorit cũng có thể có màu do tâm màu. Màu do tâm màu tạo ra có thể kém ổn định theo thời gian hoặc dưới tác dụng của nhiệt độ.

Các đặc điểm cấu trúc khác

Một số đặc điểm cấu trúc trong khoáng vật đá quý có thể gây ra các hiệu ứng quang học (sắc màu) khác nhau, như:

• Cấu trúc phân lớp (của các quả cầu SiO2), gây nên hiệu ứng biến màu (do nhiễu xạ và giao thoa) trog opal.
• Cấu trúc phân phiến (do phá hủy dung dịch cứng), tạo ra các hiệu ứng labrador và adularescence.
• Các khe nứt nhỏ song song, có thể gây ra hiệu ứng ngũ sắc (trong thạch anh) hoặc mắt mèo (chrysoberyl, thạch anh)
• Các bao thể, có thể gây ra hiệu ứng sao, mắt mèo, ánh lụa và aventurine.