Hơn

7.12: Nguyên nhân của màu sắc - Khoa học địa chất

7.12: Nguyên nhân của màu sắc - Khoa học địa chất


Căn bản

Nói chung, màu sắc được tạo ra bởi sự hấp thụ các bước sóng ánh sáng nhất định của một chất (như một loại đá quý) trong khi cho phép các bước sóng khác đi qua chất đó mà không bị thay đổi. Kết quả thực của các bước sóng đi qua viên đá quý sẽ tạo ra màu sắc cuối cùng cho viên đá quý.

Để nhìn thấy màu sắc, chúng ta cần ít nhất 3 biến:

  • Ánh sáng
  • Một chất
  • Tầm nhìn (mắt)

Khi không có bất kỳ màu nào trong số chúng, chúng ta không thể nhìn thấy màu sắc. Ví dụ, áo len màu đỏ của bạn sẽ không có màu trong bóng tối vì áo len không có ánh sáng để hấp thụ.

Hình ( PageIndex {1} ): Hấp thụ tất cả các bước sóng ngoại trừ màu đỏ

Ánh sáng trắng là hỗn hợp của 7 màu quang phổ (có thể nhìn thấy cầu vồng): đỏ, cam, vàng, lục, chàm, lam và tím. Mỗi màu này di chuyển ở một bước sóng nhất định (khoảng 700nm đối với màu đỏ và 400nm đối với màu tím) và mang một lượng năng lượng cụ thể.
Khi một chất hấp thụ tất cả các màu quang phổ (màu của cầu vồng), trừ màu đỏ, chất còn lại là màu đỏ. Do đó kết quả ròng sẽ có màu đỏ. Nếu tất cả các màu ngoại trừ màu đỏ và xanh lam bị hấp thụ, màu còn lại (kết quả thực) sẽ là một viên đá quý màu tím.

Tổng cộng có khoảng 16 triệu sự kết hợp có thể tạo ra màu sắc.

Sự hấp thụ ánh sáng thường dẫn đến sự biến đổi năng lượng ánh sáng thành nhiệt năng. Đó là lý do tại sao Frigidaires có màu trắng; Các chất màu trắng không hấp thụ ánh sáng vì vậy chúng rất hiệu quả trong việc giữ nhiệt.

Bảng ( PageIndex {1} ): Các yếu tố màu
Yếu tốMàu sắc
TitanMàu xanh da trời
VanadiumMàu xanh lá cây / thay đổi màu sắc
ChromiumĐỏ - Xanh lục
ManganHồng
SắtĐỏ - Xanh lá - Vàng
CobanMàu xanh da trời
NikenMàu xanh lá
ĐồngMàu xanh xanh

Sự hấp thụ các bước sóng (màu sắc) xảy ra do các phần tử nhất định hấp thụ năng lượng của các bước sóng đó. Các nguyên tố chính hấp thụ màu là các nguyên tố "kim loại chuyển tiếp". Các kim loại chuyển tiếp này có lớp vỏ d được lấp đầy một phần (trái ngược với lớp vỏ được lấp đầy hoàn toàn) và một số electron trong lớp vỏ d không được ghép đôi.

Khi một bước sóng mang đủ năng lượng để nâng một êlectron chưa ghép đôi lên một trạng thái năng lượng cao hơn, thì năng lượng của bước sóng đó sẽ bị êlectron hấp thụ hoàn toàn và năng lượng ánh sáng thường chuyển thành nhiệt khi êlectron rơi xuống trạng thái ban đầu (cơ bản). Điều này có nghĩa là bước sóng (hoặc màu sắc) cụ thể đó bị loại bỏ khỏi quang phổ, hoặc tốt hơn là được "hấp thụ".

Năng lượng cần thiết để nâng một điện tử chưa ghép đôi lên trạng thái năng lượng cao hơn (và do đó gây ra sự hấp thụ) nhỏ hơn nhiều so với năng lượng cần thiết để nâng một điện tử chưa ghép đôi. Năng lượng trong ánh sáng nhìn thấy không đủ để nâng cao một điện tử đã ghép đôi, nhưng nó có thể nâng cao các điện tử chưa ghép đôi nằm trong lớp vỏ d của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp. Đó là lý do tại sao các yếu tố chuyển tiếp còn được đặt tên là "yếu tố tạo màu" hoặc "chất tạo màu". Bên cạnh các nguyên tố kim loại chuyển tiếp, một số kim loại đất hiếm cũng đóng vai trò là nguyên tố tạo màu.

Các chất tạo màu có thể là một phần của thành phần hóa học lý tưởng hoặc xuất hiện dưới dạng tạp chất trong tinh thể.
Chúng tôi chia khoáng chất thành hai nhóm, tùy thuộc vào điều này.

  • Idiochromatic - khoáng chất được tạo màu bởi chất tạo màu là một phần của công thức hóa học (ví dụ malachit)
  • Allochromatic - chất tạo màu không phải là một phần của thành phần hóa học lý tưởng (chẳng hạn như ngọc lục bảo và ruby)

Mặc dù lý thuyết về các nguyên tố kim loại chuyển tiếp đóng vai trò là một hiểu biết cơ bản tốt về nguyên nhân của màu sắc, nhưng có thể có những cơ chế khác đang hoạt động. Một số nguyên tố làm việc cùng nhau để tạo thành màu (lý thuyết quỹ đạo phân tử) trong khi trong những trường hợp khác, sự vắng mặt của một điện tử hoặc một nguyên tố tại một vị trí cụ thể ("vị trí") trong tinh thể sẽ tạo ra trung tâm màu.
Điểm chung của tất cả các lý thuyết là một số năng lượng từ ánh sáng tới (bước sóng) bị hấp thụ và các màu dư (bước sóng) quyết định màu cuối cùng của đá quý (hoặc bất kỳ chất nào khác).

Trình độ cao

Nguyên nhân của màu sắc có thể được chia thành 4 lý thuyết khác nhau:

  1. Lý thuyết trường tinh thể
    • Hợp chất kim loại chuyển tiếp (malachit, almandine) - idiochromatic
    • Tạp chất kim loại chuyển tiếp (ruby, emerald, citrine, ngọc bích) - allochromatic
    • Trung tâm màu (thạch anh tím, maxixe-beryl)
  2. Lý thuyết quỹ đạo phân tử
    • Chuyển phí (sapphire, iolite)
  3. Lý thuyết ban nhạc
    • Chất cách điện (kính)
    • Chất dẫn điện (kim loại)
    • Chất bán dẫn (galena)
    • Chất bán dẫn pha tạp (kim cương)
  4. Lý thuyết tính chất vật lý
    • Sự phân tán (Lửa trong kim cương)
    • Tán xạ (mặt trăng, mắt mèo, sao)
    • Giao thoa (ánh kim, opal)
    • Sự nhiễu xạ (opal)

Lý thuyết trường tinh thể

Lý thuyết trường tinh thể mô tả màu sắc bắt nguồn từ sự kích thích của các điện tử trong các phần tử chuyển tiếp (đơn sắc hoặc đa sắc) và các trung tâm màu.

Khi một ion kim loại chuyển tiếp có lớp vỏ d được lấp đầy một phần, các electron ở lớp vỏ d bên ngoài quay quanh hạt nhân không ghép đôi (hoặc ít nhất một số electron có). Các ion xung quanh của mạng tinh thể tạo ra một lực (một "trường tinh thể") xung quanh một phần tử chuyển tiếp như vậy và cường độ của các trường đó xác định mức năng lượng nào dành cho các điện tử chưa ghép đôi. Hệ thống các mức năng lượng như vậy phụ thuộc vào độ bền và bản chất của liên kết trong mạng tinh thể cũng như vào trạng thái hóa trị của nguyên tố chuyển tiếp. Những điều này khác nhau trong mỗi tinh thể.
Khi năng lượng và mức năng lượng được lượng tử hóa, các electron cần một lượng năng lượng cụ thể để "nhảy" từ trạng thái cơ bản của nó lên mức năng lượng cao hơn. Các phép tính phức tạp xác định mức năng lượng nào có sẵn cho điện tử để kích thích cũng cung cấp một số quy tắc lựa chọn loại trừ một số mức cho kích thích.

Hình ( PageIndex {2} ): Hấp thụ trong ruby

Trong ruby, Cr3+ thay thế một số Al3+ các ion trong Al2O3 mạng tinh thể. Vì crom không phải là một phần của lớp trang điểm lý tưởng, nên ruby ​​được cho là có màu sắc. Trường tinh thể xung quanh tạp chất crom tạo ra một số mức năng lượng đã được lượng tử hóa sẵn cho các điện tử chưa ghép đôi. Chúng được trình bày dưới dạng mức B, C và D. Tuy nhiên, các quy tắc lựa chọn xác định rằng mức B không có sẵn để kích thích trong trường hợp này.
Mức C và D tương ứng với năng lượng lần lượt là 2,23 eV và 3 eV. Năng lượng cần thiết để nhảy lên mức C (2,23 eV) tương ứng với ánh sáng xanh lục vàng và mức D (3 eV) tương ứng với ánh sáng tím.
Điều này có nghĩa là khi ánh sáng trắng đi vào một viên hồng ngọc, ánh sáng vàng lục và tím sẽ bị hấp thụ bởi các điện tử chưa ghép đôi và các điện tử này lúc này đã có đủ năng lượng để bị kích thích lên mức C hoặc D. Các màu dư không bị hấp thụ quyết định màu đỏ. của ruby.
Các quy tắc chọn lọc tương tự cũng cấm điện tử bị kích thích trở lại trạng thái cơ bản của chúng (A), nhưng thay vào đó, trước tiên phải rơi trở lại trạng thái cơ bản B. Khi các điện tử ở mức B chuyển sang trạng thái cơ bản của chúng, sự phát ra ánh sáng đỏ xảy ra (huỳnh quang). tạo thêm ánh sáng cho màu vốn đã đỏ do sự hấp thụ các phần màu vàng-lục và tím của ánh sáng trắng.

Hình ( PageIndex {3} ) : Sơ đồ tổng quan về mức năng lượng trong ruby ​​và emerald

Đối với ngọc lục bảo, màu sắc đa sắc cũng do Cr3+ tạp chất, cơ chế tương tự nhưng trường tinh thể từ các phần tử xung quanh có độ bền kém hơn và gây ra sự dịch chuyển trong các dải hấp thụ. Mức D được hạ xuống 2,8 eV và mức C được hạ xuống 2,05 eV nhưng mức B gần như giữ nguyên (1,82 thay vì 1,79 eV).
Kết quả là emerald hấp thụ hầu hết các phần màu tím và đỏ của ánh sáng nhìn thấy, để lại sự truyền màu xanh lam-xanh lục chiếm ưu thế với huỳnh quang màu đỏ.

Alexandrite, một loạt các chrysoberyl, cũng được tạo màu bằng Cr3+ tạp chất. Sơ đồ hấp thụ của alexandrite nằm giữa biểu đồ của ruby ​​và ngọc lục bảo và cường độ của ánh sáng tới xác định màu sắc của alexandrite. Ánh sáng ban ngày tự nhiên có nhiều màu xanh lam-lục hơn trong khi ánh sáng đèn sợi đốt có nhiều màu đỏ hơn trong quang phổ của nó. Điều này làm cho alexandrite có màu xanh lam (giống ngọc lục bảo) trong ánh sáng ban ngày và tím đỏ (giống như thạch anh tím) trong ánh sáng đèn sợi đốt.

Vanadium (V3+) gây ra hiệu ứng thay đổi màu "alexandrite" tương tự trong corundum tự nhiên và tổng hợp.

Màu allochromatic do tạp chất kim loại chuyển tiếp gây ra

Chỉ sự xuất hiện của một tạp chất kim loại chuyển tiếp không nhất thiết gây ra màu sắc của đá quý. Ngoài nhu cầu của một hóa trị cụ thể, ion phải chịu trách nhiệm hấp thụ, các cơ chế khác (chẳng hạn như trung tâm màu và sự chuyển điện tích) có thể chiếm ưu thế hơn.
Giống như một số tạp chất nhất định có thể tạo ra các màu khác nhau, như màu đỏ và xanh lá cây đối với crom, các tạp chất khác cũng có thể gây ra màu tương tự (như vanadi trong ngọc lục bảo).

Màu sắc đồng dạng do các thành phần kim loại chuyển tiếp gây ra

Lý thuyết trường tinh thể được mô tả ở trên cũng áp dụng cho các khoáng chất có ion kim loại chuyển tiếp trong thành phần hóa học lý tưởng của nó.

Trung tâm màu

Các electron chưa ghép đôi trên các ion kim loại không chuyển tiếp cũng có thể tạo ra màu sắc trong một số trường hợp nhất định. Điều này có thể xảy ra do vị trí của một ion (và một điện tử chưa ghép đôi chiếm chỗ trống của nó) hoặc do sự dịch chuyển của một điện tử từ bức xạ (tự nhiên hoặc nhân tạo).
Trong cả hai trường hợp, một "trung tâm màu" được tạo ra và điện tử chưa ghép đôi có thể được nâng lên mức năng lượng cao hơn thông qua sự hấp thụ ánh sáng tới như với các điện tử chưa ghép đôi của các ion kim loại chuyển tiếp. Trong trường hợp đầu tiên (một điện tử thay thế một ion đặt sai vị trí), trung tâm màu là "tâm lỗ trống điện tử" và trong trường hợp sau, nó tạo ra "tâm màu lỗ trống".

Trung tâm màu điện tử

Hình ( PageIndex {4} ): Trung tâm màu electron trong fluorit


Fluorit thường được sử dụng nhiều nhất để mô tả cơ chế của một trung tâm màu điện tử. Màu tím của florit là do không có flo (F-) và một điện tử bị mắc kẹt trong khoảng trống mà nó để lại.
Có nhiều lý do khác nhau khiến ion flo bị thiếu ở một vị trí cụ thể trong mạng tinh thể. Trong số đó có tình trạng dư thừa canxi và bức xạ. trong hoặc sau khi tinh thể lớn lên. Điều này tạo ra cái gọi là "trung tâm F" (hoặc "trung tâm Farbe" - Farbe là từ tiếng Đức để chỉ màu sắc) và một điện tử tự do từ nhóm các điện tử chưa ghép đôi trong tinh thể (xem Lý thuyết dải) bị mắc kẹt trong chỗ trống. Điện tử chưa ghép đôi này sau đó có thể được nâng lên mức năng lượng cao hơn hiện có bằng cách hấp thụ năng lượng trong các photon và các quy tắc trường tinh thể tương tự về hấp thụ và huỳnh quang, như đã mô tả ở trên, đang có hiệu lực.

Ion flo thường bị dịch chuyển và tạo ra một kẽ trong mạng tinh thể, một cái gọi là "khuyết tật Frenkel", có nghĩa là có một ion tại một vị trí cụ thể trong mạng mà nó thường không có. Ion flo bị dịch chuyển này không đóng vai trò gì trong sự phát triển của màu sắc (chỉ khoảng trống mà nó để lại mới có).

Thuật ngữ "trung tâm màu điện tử" đề cập đến thực tế là có một điện tử "tự do" ở nơi mà nó thường không có.
Tình huống A trong hình ảnh cho thấy cấu hình lý tưởng của fluorit, trong khi tình huống B cho thấy electron bị mắc kẹt trong chỗ trống do ion flo chuyển chỗ.

Trung tâm màu lỗ

Hình ( PageIndex {5} ): Trung tâm màu lỗ trong thạch anh khói

Các trung tâm màu lỗ thường được minh họa bằng thạch anh Smokey như trong hình bên phải.
Trong thạch anh (SiO2) một số ion silic có hóa trị 4+ được thay thế bằng ion nhôm có hóa trị 3+. Để giữ độ âm điện, một nguyên tử hydro (hoặc Na+) sẽ có mặt gần đó. Điều này làm cho lực tác động lên các electron của nguyên tử oxy bị suy yếu và bức xạ (tia X, tia gamma, v.v.) có thể loại bỏ một trong những electron liên kết yếu hơn của nguyên tử oxy. Điều này để lại một lỗ trống (thiếu một điện tử) và các mức năng lượng khác nhau sẽ có sẵn cho điện tử hiện chưa ghép đôi trên ion oxy.
Lý thuyết trường tinh thể giờ đây được áp dụng cho electron oxy còn lại, chưa ghép đôi, và màu kết quả là màu nâu khói mà thạch anh khói mang tên của nó. Electron bị dịch chuyển sẽ bị giữ lại ở các vị trí khác trong mạng tinh thể và nó không góp phần tạo ra màu sắc.
Ion nhôm thay thế hoạt động như một "tiền chất" và rất quan trọng đối với cơ chế này.

Trong thạch anh tím hoạt động tương tự, nhưng tiền chất là sắt sắt (Fe3+) và tạo ra màu tím đặc trưng.

Thuật ngữ "tâm màu lỗ trống" dùng để chỉ điện tử bị thiếu, để lại một lỗ trống.


Nếu tinh thể bị nung nóng (khoảng 400 ° C. đối với thạch anh khói và ± 450 ° C. đối với thạch anh tím), điện tử bị dịch chuyển sẽ được giải phóng khỏi bẫy của nó và quay trở lại vị trí ban đầu của nó, chuyển động như các điện tử ghép đôi trở lại. Màu sắc của tinh thể sau đó sẽ trở lại màu ban đầu (thường là màu vàng ("citrine") hoặc xanh lục ("prasiolite") đối với thạch anh tím và không màu đối với thạch anh Smokey). Sau khi chiếu xạ lại, trung tâm màu lỗ có thể được tái tạo và miễn là tinh thể không bị quá nóng, quá trình này có thể lặp lại vô hạn.
Quá trình làm nóng tinh thể và phá hủy trung tâm màu lỗ được đặt tên là "tẩy trắng".

Lý thuyết quỹ đạo phân tử

Lý thuyết quỹ đạo phân tử mô tả các đường đi (quỹ đạo) các electron di chuyển khi nhiều nguyên tử (hai hoặc nhiều hơn) kết hợp với nhau về mặt hóa học. Để các nguyên tử kết hợp thành phân tử, chúng phải chia sẻ hoặc trao đổi electron.

Hầu hết các sơ đồ và sách giáo khoa được sử dụng để giải thích các obitan trong hóa học cơ bản (và đá quý), hiển thị các obitan hoặc chuyển động của các electron trong các vòng 2 chiều. Mặc dù điều đó là đủ để hiểu cơ bản, các obitan là 3 chiều và các electron chuyển động trong các đám mây phức tạp.
Một lời giải thích chuyên sâu về các quỹ đạo đó có thể rất hữu ích trong việc mô tả lý thuyết này nhưng nó là một chủ đề rất phức tạp và vượt ra ngoài lĩnh vực đá quý.

Thay vào đó, chúng ta sẽ tập trung vào các loại liên kết khác nhau có thể xảy ra giữa các nguyên tử.

  1. Liên kết ion
  2. Liên kết cộng hóa trị

Mặc dù cả hai liên kết này đều có các đặc điểm khác nhau, nhưng hầu hết chúng đều đóng vai trò trong liên kết hóa học của đá quý và liên quan trực tiếp đến độ âm điện của các nguyên tố khác nhau tạo nên công thức hóa học của đá quý.
Chỉ các electron ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử mới có vai trò trong cả liên kết ion hoặc liên kết cộng hóa trị.

Độ âm điện

Hình ( PageIndex {6} ): Thang độ âm điện

Độ âm điện dùng để chỉ lực mà các nguyên tố nhất định hút nhau. Một trong những cách sắp xếp bảng tuần hoàn các nguyên tố là theo độ âm điện của chúng. Nhìn chung, các nguyên tố ở góc trên bên phải có độ âm điện mạnh hơn các nguyên tố ở góc dưới bên trái.
Khi các nguyên tố khác nhau cố gắng kết hợp để tạo thành phân tử, các nguyên tố có độ âm điện lớn nhất là tham lam nhất và được ưu tiên hơn các nguyên tố có độ âm điện thấp hơn.

Khi có sự chênh lệch độ âm điện lớn giữa hai nguyên tố, nguyên tố nào có độ âm điện lớn hơn sẽ lấy electron của nguyên tố kia và điều này gây ra liên kết rất mạnh giữa hai nguyên tố đó.
Nguyên tố "tham lam" sẽ có thêm điện tích âm (vì nó lấy các electron mang điện tích âm từ nguyên tố kia) và do đó sự phân cực giữa hai yếu tố xảy ra. Sự phân cực này (một phần tử sẽ mang điện tích dương và phần tử còn lại mang điện tích âm) hoạt động giống như một nam châm và hai phần tử sẽ rất gần nhau. Nói cách khác, chúng tạo thành một liên kết rất bền và sẽ có sự trao đổi (cho và nhận) các electron. Điều này được gọi là liên kết ion.

Tuy nhiên, nếu sự chênh lệch độ âm điện rất thấp hoặc độ âm điện bằng nhau thì các liên kết không bền bằng và các điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử (nguyên tố) được chia sẻ giữa các nguyên tố khác nhau và các điện tử đó có thể chuyển động tự do (nhưng theo theo quy tắc nhất định) giữa hai yếu tố. Loại liên kết lỏng lẻo này được đặt tên là liên kết cộng hóa trị và các nguyên tử tạo nên phân tử được đặt cách xa nhau hơn trong liên kết ion.
Liên kết cộng hóa trị đóng một vai trò lớn trong việc hình thành màu sắc vì năng lượng cần thiết để trao đổi các electron gây ra sự hấp thụ. Phí chuyển khoản là một thuật ngữ phổ biến để mô tả sự trao đổi tiếp tục của các electron trong liên kết cộng hóa trị khi năng lượng được áp dụng cho phân tử.

Sự khác biệt chính giữa liên kết ion và liên kết cộng hóa trị là trong liên kết ion có một tặng / nhận của các electron, trong khi trong liên kết cộng hóa trị có một chia sẻ của các electron.

Phí chuyển khoản

Hình ( PageIndex {7} ): Chuyển phí trong Iolite

Các nguyên tố khác nhau (đặc biệt là các nguyên tố chuyển tiếp) có thể tồn tại ở các trạng thái hóa trị khác nhau. Khi các nguyên tử (ion) tích điện đó hình thành liên kết cộng hóa trị, một số electron ở lớp vỏ ngoài cùng có thể di chuyển giữa hai ion đó. Điều này dẫn đến một chuyển phí giữa hai ion đó và chỉ có thể xảy ra thông qua quá trình hấp thụ năng lượng. Khi năng lượng cần thiết cho quá trình chuyển đổi đó tương đương với năng lượng trong phạm vi nhìn thấy (hoặc gần đó) của ánh sáng, nó sẽ tạo ra màu sắc.

Trong trường hợp iolit, người ta tin rằng màu sắc là do sự chuyển điện tích giữa Fe2+ và Fe3+ các ion. Fe2+ ion có nhiều electron ở lớp vỏ ngoài cùng hơn ion Fe3+ ion. Electron đó bị hút vào Fe3+ ion và khi electron quay quanh Fe3+ ion, ion đó sẽ trở thành Fe2+ ion. Fe ban đầu2+ ion sau đó sẽ trở thành một Fe3+ ion và quá trình lặp lại.


Kí hiệu thông thường cho quá trình chuyển như vậy là: [Fe ^ {2+} + Fe ^ {3+} rightarrow Fe ^ {3+} + Fe ^ {2 +} ]

Đối với sapphire, các hoạt động tương tự, nhưng sự chuyển đổi là giữa Fe2+ và Ti4+. Mặc dù có nhiều nguyên tố khác có thể đóng vai trò trong việc tạo màu của ngọc bích, nhưng ký hiệu chung cho sapphire (xanh lam) là: [Fe ^ {2+} + Ti ^ {4+} rightarrow Fe ^ {3+} + Ti ^ {3 +} ]

Lý thuyết ban nhạc

Lý thuyết dải ban đầu được phát triển để giải thích tính dẫn điện trong kim loại. Sau đó lý thuyết này được phát triển thêm với cơ học lượng tử và cùng với đó nó cũng có thể giải thích màu sắc trong vật liệu (chẳng hạn như đá quý).

Độ dẫn điện phụ thuộc vào sự di chuyển tự do của các electron mang điện tích âm qua vật liệu. Để một điện tử di chuyển qua một chất rắn (như kim loại hoặc tinh thể), cần có chỗ cho điện tử di chuyển.
Hãy tưởng tượng bạn đang ở trong một căn phòng đầy người và bạn muốn đi đến đầu kia của căn phòng. Trong một căn phòng chật cứng, bạn không thể vượt qua nó vì có quá nhiều người trong đó. Bây giờ hãy tưởng tượng rằng có một ban công phía trên căn phòng không có người. Khi một số người có đủ năng lượng trong cơ thể để nhảy lên ban công, những người đó giờ đây có quyền tự do di chuyển. Trong khi những người đó di chuyển ra ban công, họ để lại khoảng trống trong phòng để những người còn lại có nhiều không gian hơn để di chuyển xung quanh.
Tất nhiên để mọi người nhảy lên ban công, họ cần có năng lượng để làm như vậy. Nếu họ không có năng lượng đó, họ sẽ chỉ tụt lùi. Vì vậy, có một khoảng cách giữa căn phòng và ban công mà họ cần phải bắc cầu.
Điều tương tự cũng áp dụng cho các electron trong chất rắn.

Nhân vật (PageIndex {8} ): Lý thuyết dải (khoảng cách) được minh họa

Trong các lý thuyết trước đây, trọng tâm là các nguyên tử (ion) đơn hoặc hai điện tích. Một số electron ở trong các mức năng lượng lấp đầy xung quanh nguyên tử và rất cục bộ theo nghĩa là chúng có lực liên kết rất mạnh với hạt nhân. Tuy nhiên, các điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng (chưa được lấp đầy) có thể đóng vai trò liên kết với các nguyên tử khác, thông qua liên kết ion hoặc liên kết cộng hóa trị. Các electron đó được đặt tên là điện tử hóa trị và liên kết lỏng lẻo với hạt nhân. Trong thực tế, có một số lượng rất lớn các điện tử hóa trị trong một tinh thể (vô số tỷ trên milimét khối).
Nếu chúng ta ném tất cả các điện tử hóa trị liên kết lỏng lẻo hơn vào một nhóm các điện tử, chúng ta sẽ nhận được một nhóm các điện tử hóa trị tưởng tượng. "Hồ bơi" đó được đặt tên là dải hóa trị.
Vì vùng hóa trị được lấp đầy hoàn toàn bởi các electron, nên không thể có sự di chuyển của các electron. Vì vậy không thể có hiện tượng dẫn điện. Nếu các electron sẽ có đủ năng lượng để bứt ra khỏi vùng hóa trị này và đi vào băng dẫn (ban công), khi đó sẽ có thể dẫn điện. Trong các vật liệu khác nhau, khoảng cách ban nhạc (khoảng cách giữa tầng trệt và ban công) khác nhau.

Tùy thuộc vào năng lượng cần thiết để một electron vượt qua khoảng trống này, chúng tôi chia vật liệu thành ba loại:

  1. Chất cách điện (khe hở lớn không dẫn điện)
  2. Dây dẫn (nhỏ đến không có khoảng cách đến các mức năng lượng chồng lên nhau với độ dẫn điện tốt)
  3. Chất bán dẫn (trung gian giữa chất cách điện và chất dẫn điện)

Trong chất cách điện, khe hở quá lớn nên ở điều kiện bình thường (nhiệt độ phòng) không có đủ năng lượng để một êlectron thu hẹp khoảng cách lớn giữa vùng hoá trị và vùng dẫn. Kết quả là các vật liệu có khe hở lớn sẽ là chất cách điện cũng như không màu. Phần cuối cùng (không màu) là hợp lý vì chất rắn không thể hấp thụ năng lượng từ ánh sáng nhìn thấy. Thủy tinh là một ví dụ về chất cách điện tốt.

Trong các vật dẫn (chẳng hạn như kim loại) có một vùng cấm rất nhỏ hoặc hoàn toàn không có vùng cấm (thường là vùng cấm và khoảng cách dẫn trùng nhau). Do đó các điện tử có thể dễ dàng nằm trong vùng dẫn. Khi cần ít năng lượng để một điện tử đi từ vùng hóa trị sang vùng dẫn, các vật liệu này sẽ mờ đục vì tất cả năng lượng trong ánh sáng khả kiến ​​sẽ bị hấp thụ. Tình huống lý tưởng là tạo ra một vật liệu có màu đen đục, nhưng các lực khác có thể biến nó thành một vật liệu có màu không trong suốt (chẳng hạn như màu vàng đối với vàng).

Chất bán dẫn là chất trung gian giữa hai trạng thái nêu trên và chúng ta chia chất bán dẫn thành hai loại:

  1. Chất bán dẫn bên trong (nguyên tố tinh khiết)
  2. Chất bán dẫn bên ngoài (phần tử pha tạp)

Pha tạp chất có nghĩa là có các tạp chất có trạng thái hóa trị khác trong mạng tinh thể, giống như trong các loại đá quý đa sắc.

Hình ( PageIndex {9} ): Cấu trúc chấm Lewis của kim cương.

Các chất bán dẫn bên trong có độ rộng vùng cấm lớn thường hoạt động như chất cách điện (chẳng hạn như kim cương). Mỗi nguyên tử cacbon trong cấu trúc kim cương đều có 4 nguyên tử hóa trị và chúng cố gắng kết hợp với 4 nguyên tử cacbon khác để tạo thành cấu trúc phân tử tứ diện. Điều này có nghĩa là trong cấu trúc kim cương tinh khiết, vùng hóa trị được chiếm hoàn toàn và vùng dẫn trống (vì vậy không có hiện tượng dẫn điện). Tuy nhiên, nếu chúng ta có thể tìm ra cách để tạo khoảng trống trong vùng hóa trị và / hoặc chiếm vùng dẫn, thì kim cương có thể là một chất dẫn điện.
Đối với điều này, chúng ta sẽ cần một tạp chất để thay thế cho một nguyên tử cacbon trong cấu trúc kim cương "lý tưởng".

Hình ( PageIndex {10} ): Hai loại chất bán dẫn có pha tạp chất

Nếu chúng ta thay thế một nguyên tử cacbon (C) bằng một nguyên tử nitơ (N), có 5 electron hóa trị thay vì 4, thì chúng ta sẽ có quá nhiều electron. Điện tử dư thừa đó sẽ tạo ra một mức năng lượng phụ bên trong vùng cấm bên dưới vùng dẫn. Một số điện tử trong mức năng lượng điện tử phụ này có thể được kích thích vào vùng dẫn. Loại này của một chất bán dẫn pha tạp được đặt tên là chất bán dẫn loại N (N sau khi mang điện tích âm từ các electron thêm vào). Kim cương loại IIa màu vàng là một ví dụ của loại này.

Điều ngược lại cũng xảy ra, nếu chúng ta đưa bo (B) vào mạng tinh thể, có 3 điện tử hóa trị, viên kim cương sẽ mang điện tích dương và nó sẽ tạo ra một lỗ trống trong khoảng trống năng lượng (một thuật ngữ khác của vùng cấm). Một electron từ vùng hóa trị được kích thích lấp đầy lỗ trống và điều đó tạo ra một lỗ trống trong vùng hóa trị. Một electron lân cận trong vùng hóa trị sẽ lấp đầy lỗ trống đó và lỗ trống dường như đang di chuyển qua vùng hóa trị, điều này tạo ra độ dẫn điện. Loại này được đặt tên là bán dẫn loại P (P theo tên điện tích dương do lỗ trống tạo ra). Kim cương loại IIb màu xanh lam là một ví dụ về điều này. Kim cương xanh được chiếu xạ không dẫn điện, vì vậy có thể phân biệt được giữa chúng.

Lý thuyết tính chất vật lý

Mặc dù các lý thuyết trước đây mô tả nguyên nhân của màu sắc bắt nguồn từ tương tác electron, nhưng vẫn có một số cách khác để tạo ra màu sắc. Chủ yếu chúng hiển thị dưới dạng các mảng màu do phân tán, tán xạ, giao thoa và / hoặc nhiễu xạ.
Tất cả những hiện tượng này được giải thích trong các chương khác.


7.12: Nguyên nhân của màu sắc - Khoa học địa chất

Khoáng chất có thể có màu tự nhiên vì nhiều lý do. Trong số này có:

Màu sắc là đặc trưng (đơn sắc) đối với một số khoáng chất, và do đó có thể dùng để hỗ trợ nhận dạng. Màu sắc thường khá thay đổi (allochromatic), và do đó có thể góp phần xác định sai.

Màu sắc phụ thuộc vào phản ứng của mắt với bức xạ nhìn thấy được, khoảng từ 400 đến 700 nanomet. Ánh sáng chiếu vào bề mặt của khoáng chất có thể được truyền đi, phản xạ, khúc xạ, hấp thụ hoặc tán xạ. Sự phản xạ và tán xạ góp phần tạo nên độ bóng của khoáng chất chứ không phải màu sắc. Nếu không có sự hấp thụ ánh sáng xảy ra, khoáng chất sẽ không màu đối với cả ánh sáng phản xạ và ánh sáng truyền qua. Màu sắc là kết quả của sự hấp thụ một số bước sóng ánh sáng, phần còn lại được truyền đi. Mắt của chúng ta kết hợp các màu được truyền vào một "màu" duy nhất. Tuy nhiên, máy quang phổ có thể phân giải ánh sáng truyền vào các thành phần của nó. (Xem hình 4.60, trang 158 của Klein, ấn bản thứ 22) Phổ hấp thụ của beryl cho thấy các cực đại ở 400 và 700 nanomet, và truyền cực đại gần 500 nanomet, tương ứng với màu xanh lục.

Một khoáng chất có màu nếu các bước sóng nhất định bị hấp thụ khi ánh sáng truyền qua khoáng vật đó. Nhiều khoáng chất hấp thụ một số màu sắc khác nhau. Các sóng ánh sáng không bị hấp thụ kết hợp với nhau để tạo ra màu sắc của khoáng chất. Sự hấp thụ xảy ra do năng lượng của bước sóng bị hấp thụ tương ứng chính xác với sự chênh lệch năng lượng giữa các mức năng lượng cho phép trong các nguyên tử hoặc ion trong khoáng chất. Các khoáng chất không màu không có sự chuyển tiếp mà năng lượng của chúng tương ứng với ánh sáng khả kiến. Các khoáng chất màu có một trong những quá trình chuyển đổi như vậy. Ba nguyên nhân của sự chuyển đổi như sau:

Ví dụ 2: Khoáng chất chrysoberyl (Al 2 BeO 4) có cấu trúc tương tự như olivin. Một số sắt sắt có thể thay thế các ion nhôm, có dạng phối trí bát diện. Phổ thu được khác nhiều so với phổ của olivin (xem Hình 4.62 của Klein, trang 160). Một số hấp thụ màu xanh lam-xanh lục xảy ra ở phần nhìn thấy được, và khoáng chất có màu vàng nhạt. Vì vậy trạng thái điện tử của ion ảnh hưởng rất nhiều đến màu sắc.

Ví dụ 3: Trong granat almandine (Fe 3 Al 2 Si 3 O 12), sắt đen được tìm thấy ở vị trí phối hợp gấp tám lần. Điều này thay đổi sự hấp thụ nhìn thấy được thành sự hấp thụ mạnh của màu vàng, xanh lam và xanh lá cây và một số sự hấp thụ của màu da cam. Do đó, khoáng vật có màu đỏ đậm (xem Hình 4.62 của Klein, trang 160).

Fluorit màu tím được biết là lấy màu từ khuyết tật Frankel (thiếu anion F). Thiếu anion có thể do tiếp xúc với bức xạ năng lượng cao (tia X hoặc năng lượng cao hơn) hoặc phát triển trong môi trường thiếu flo. Lỗ trống được cho là có điện tích âm. Do đó, một điện tử, được giữ ở vị trí của trường tinh thể tổng thể, chiếm vị trí đó. Electron này có thể chiếm một mức năng lượng ở trạng thái cơ bản hoặc các trạng thái kích thích khác nhau. Chuyển động của các điện tử giữa mặt đất và trạng thái kích thích có thể gây ra màu sắc hoặc huỳnh quang quang học. Làm nóng tinh thể sẽ nung chảy các khuyết tật như vậy và màu sắc mờ dần.

Việc thay thế một cation có điện tích thấp hơn cho ion thường có, sau đó là sự phóng điện tử từ một anion lân cận, chẳng hạn như oxy, có thể tạo ra các lỗ trống như vậy. Trong thạch anh ám khói, Al 3+ có thể thay thế cho Si 4+. Điều này tạo ra sự mất cân bằng điện tích. Mức độ bức xạ cao trong một thời gian ngắn, hoặc mức độ thấp trong các giai đoạn quan trọng về mặt địa chất, có thể đẩy một điện tử ra khỏi một cặp đơn lẻ trên một ion ôxy liền kề. Điều này tạo ra "lỗ". Electron còn lại bây giờ có sẵn một số trạng thái kích thích cho nó. Sự chuyển đổi sang các trạng thái này có thể hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, tạo ra màu sắc. Nếu cho Fe 3+ vào thay cho Al 3+ thì tạo ra màu tím của thạch anh tím.

Phụ gia cơ học của các tạp chất cũng có thể gây ra màu trong khoáng chất. Hematit là một vật liệu tạo màu phổ biến, truyền màu đỏ cho các khoáng chất như fenspat, canxit và thạch anh, nhiều loại jasper. Chrysoprase, một loại tinh thể mật mã màu xanh lục, thường có màu xanh lục do chứa chlorit. Sự bao gồm của nước có thể làm cho thạch anh có màu trắng đục. Thạch anh sữa thường được hình thành từ dung dịch thủy nhiệt. Sự tiến hóa của kim phút, vi thể, kim của rutil gây ra sự tán xạ của ánh sáng xanh và truyền màu hồng cho thạch anh. Nếu các kim lớn hơn, ánh sáng đỏ bị tán xạ, và kết quả là thạch anh xanh. Sự hiện diện của cacbon hạt mịn, vô định hình hoặc ở dạng than chì, có thể gây ra màu xám đến đen trong các khoáng chất không màu.

Các khoáng chất như mã não, khá xốp, dễ bị nhuộm màu nhân tạo. Việc ngâm khoáng chất trong nhiều dung dịch liên tiếp sẽ làm kết tủa các tinh thể nhỏ trong các lỗ của mã não, tạo màu cho nó.


Topaz có màu gì?

Topaz tự nhiên trong mờ và không màu, giống như corundum tự nhiên. Nhiều loại màu topaz có sẵn là do các tạp chất vết tự nhiên hoặc các khuyết tật cấu trúc tinh thể. Sự đa dạng về màu sắc cũng là do sự thay đổi của ngành sản xuất đá quý. Topaz có nhiều màu sắc từ vàng, cam, xám, tím, xanh lam, đen, tím và xanh lá cây.

Topaz không màu khá phổ biến và hiếm khi bị cắt chói và được bán như một loại kim cương thay thế. Thật vậy, một trong những loại đá quý topaz nổi tiếng nhất thế giới & # 8217s là một loại đá topaz không màu ban đầu được cho là kim cương.

Các màu phổ biến nhất của topaz chưa được xử lý là vàng nhạt, nâu và xám. Màu pastel của xanh lá cây nhạt, tím và hồng cũng được tìm thấy. Màu topaz phổ biến nhất là màu xanh lam. Thật vậy, topaz xanh là loại đá trang sức bán chạy nhất lâu năm ở Hoa Kỳ.

Màu topaz có giá trị nhất được gọi là màu hoàng đế, là màu từ cam đến hồng. Màu sắc chính xác không được biết đến nhiều cho topaz hoàng gia, vì vậy một loạt các topaz cam vàng, đào và hồng được cung cấp dưới cái tên này. Một số viên đá quý topaz màu hồng nhạt là kết quả của quá trình xử lý bằng nhiệt.


Màu nước

Nước tinh khiết có thực sự trong? Không hẳn - ngay cả nước tinh khiết cũng không phải là không màu, nhưng có một chút màu xanh lam nhẹ. Trong thế giới tự nhiên bạn thường thấy nước chắc chắn không trong. Trầm tích và chất hữu cơ tạo màu cho nước tự nhiên có màu nâu hoặc xanh lục. Và nếu có quá nhiều sắt, ngay cả nước uống của bạn cũng có thể có màu nâu. Đọc tiếp để điều tra màu nước trong môi trường.

Có thể đúng là một chút màu trong nước có thể không gây hại khi uống. nhưng nó chắc chắn làm cho nó không hấp dẫn khi uống. Vì vậy, màu sắc trong nước của chúng ta rất quan trọng khi chúng ta uống nó, cũng như trong nước cho các mục đích sử dụng khác trong gia đình, sử dụng trong công nghiệp và trong một số môi trường nước.

"Chăm sóc cho một cốc nước ngon?
Nó chỉ là một chút sắt đen lơ lửng!
"

Tín dụng: Petr Kraatochvil, Hình ảnh miền công cộng

Màu và nước uống

Nếu bạn đã từng uống nước có chứa một chút sắt, bạn sẽ biết vị kim loại còn sót lại trong miệng. Hóa chất hòa tan trong nước uống có thể ít hơn mong muốn. Màu trong nước uống có thể do các vật liệu hòa tan và lơ lửng gây ra, và nước có màu nâu thường do rỉ sét trong đường ống nước. Although water can contain contaminants, which are usually removed by water-supply systems, the plus side is that the water you drink likely contains a number of dissolved minerals that are beneficial for human health. And, if you have ever drunk "pure" water, such as distilled or deionized water, you would have noticed that it tasted "flat". Most people prefer water with dissolved minerals, although they still want it to be clear.

Have you ever gotten a glass of water from your faucet and the water is milky white water or hazy? This is almost always caused by air in the water. To see if the white color in the water is due to air, fill a clear glass with water and set it on the counter. Observe the glass of water for a minute. If the white color is due to air, the water will begin to clear at the bottom of the glass first and then gradually will clear all the way to the top. This is a natural phenomenon and is caused by dissolved air in the water that is released when the faucet is opened. When you relieve the pressure by opening the faucet and filling your glass with water, the air is now free to escape from the water, giving it a milky appearance for a few minutes.

Air bubbles and pressure in water lines can make your drinking water look
cloudy. for a few seconds.

An indoor swimming pool appears blue from above. as light reflecting from the bottom of the pool travels through enough water that its red component is absorbed. The same water in a smaller bucket appears colorless.

Pure water and color

Is pure water really clear? First, you won't find truly pure water in a natural setting. The water you see every day contains dissolved minerals and often suspended materials. But, for practical purposes, if you fill a glass from your faucet the water will look colorless to you. The water is in fact not colorless even pure water is not colorless, but has a slight blue tint to it, best seen when looking through a long column of water. The blueness in water is not caused by the scattering of light, which is responsible for the sky being blue. Rather, water blueness comes from the water molecules absorbing the red end of the spectrum of visible light. To be even more detailed, the absorption of light in water is due to the way the atoms vibrate and absorb different wavelengths of light. The details are beyond the scope of this Web site, but Webexhibits explains this in much more detail.

Color and water in the environment

Color in water you see around you can be imparted in two ways: dissolved and suspended components. An example of dissolved substances is tannin, which is caused by organic matter coming from leaves, roots, and plant remains (picture below on the left). Another example would be the cup of hot tea your grandmother has in the afternoon. In the picture below the color is probably attributable to naturally dissolved organic acids formed when plant material is slowly broken down by into tiny particles that are essentially dissolved in the water. If you filtered that tannin-water in the picture the color would probably remain.

Natural water will never be totally clear, but will have some amount of color.

Most of the color in water you see around you comes from suspended material (pictured above on the right) of a tributary contributing highly-turbid water containing suspended sediment (fine particles of clay) to clearer, but still colored, water in the main stem of the river. Algae and suspended sediment particles are very common particulate matter that cause natural waters to become colored. Even though the muddy water would not be appealing to swim in, in a way that water has less color than the water containing dissolved tannins. That is because suspended matter can be filtered out of even very dirty-looking water. If the water is put into a glass and left to settle for a number of days, most of the material will settle to the bottom (this method is used in sewage-treatment facilities) and the water will become clearer and have less color. So, if an industry needed some color-free water for an industrial process, they would probably prefer sediment-laden water over tannin colored water.

Suspended material in water bodies may be a result of natural causes and/or human activity. Transparent water with a low accumulation of dissolved materials appears blue. Dissolved organic matter, such as humus, peat or decaying plant matter, can produce a yellow or brown color. Some algae or dinoflagellates produce reddish or deep yellow waters. Water rich in phytoplankton and other algae usually appears green. Soil runoff produces a variety of yellow, red, brown and gray colors.

High dissolved iron in the tap water has, over time, stained the porcelain in the sink.

Effects of color on ecosystems

Highly colored water has significant effects on aquatic plants and algal growth. Light is very critical for the growth of aquatic plants and colored water can limit the penetration of light. Thus a highly colored body of water could not sustain aquatic life which could lead to the long term impairment of the ecosystem. Very high algal growth that stays suspended in a water body can prevent light penetration as well as use up the dissolved oxygen in the water body, causing a eutrophic condition that can drastically reduce all life in the water body. At home, colored water may stain textile and fixtures and can cause permanent damage, as the picture of the sink shows.


Colored Diamonds at $800/carat

Element Six, a De Beers-owned company, has been producing synthetic diamond for experimental and industrial purposes since the 1980s. Although De Beers has historically only sold natural diamonds for use in jewelry, in 2018 they surprised the gem and jewelry industry by breaking that tradition. In September 2018 they began selling a collection of synthetic diamond jewelry under the Lightbox trademark. They distinguished their products from natural diamonds by calling then lab-grown diamonds.

Lightbox Jewelry features pink, blue, and colorless lab-grown diamonds for the previously unheard-of price of $800 per carat. These are all sold without grading or laboratory reports. They do not have the lab-grown diamonds graded for two reasons: 1) to minimize the cost of the product and, 2) they do not believe that lab-grown diamonds require grading. The goal is to sell them inexpensively for any occasion and for everyday wear.

At a price of only $800 per carat, almost anyone who wants a colored lab-grown diamond can afford one. Customers can purchase lab-grown blue or pink diamond solitaire stud earrings starting at $250 per pair. For $250, each earring contains a 1/8-carat lab-grown diamond set in 10-karat white gold.

In May, 2019, Stephen Lussier, a De Beers executive, reported that Lightbox's early sales have been mostly their pink and blue products. The company believes that this is happening because the buyers want "color". They are also selling all of the Lightbox jewelry that they have the ability to produce. [13] In the autumn of 2020, Lightbox opened their new factory in Gresham, Oregon, and it will soon be producing up to 200,000 carats per year. [14]

Mr. Lussier was asked if Lightbox was "cannibalizing the lower end of the diamond market". His reply was "Not significantly. We are selling in a category where it's competing largely with non-diamond jewelry. [We] are actually in a different market segment from a diamond perspective, and there is minimal cannibalization. It will affect some of the semiprecious, the low-end colored stones. But at the end of the market it's mostly color." [13]


Xem video: Địa chất 12 5 2021 p3