紅外光譜、拉曼光譜、X 射線熒光能譜、紫外可見 近紅外光譜對礦物研究

自然界中絕大多數礦物在不同光源下一般保持同一色調，也有少數礦物，其 顏 色 隨 著 光 源 的 轉 換 會 發(fā) 生 明 顯 變 化。礦物顏色隨著照射光源不同(一般指日光和白熾燈光)而 發(fā)生明顯變化的現象通常被稱為變色效應，該效應同貓眼效 應、星光效應和變彩效應一起并列為寶石的四大特殊光學效 應。與光致變色、熱致變色等由于化合物在光波或熱量的影 響下內部結構發(fā)生改變而表現出的顏色差異不同，具有變色 效應的物質在光源變化前后內部結構并未改變，所表現出的 顏色差異一般與所含的微量元素有關，是光源性質與致色離 子的選擇性吸收共同作用的結果。現有研究表明，可產 生變色效應的微量元素多為過渡金屬元素和稀土元素，常見 有 Cr，V，Fe，Mn，Y 和 Ce 等。礦物的變色效應早于 11830年在俄羅斯烏拉爾山脈產出的金綠寶石中發(fā)現，這種具有變 色效應的金綠寶石也因此被命名為“變石(alexandrite)”。之后，剛玉、石榴石、螢石、尖晶石、橄欖石、碧璽、藍晶石、 黝簾石等礦物也陸續(xù)發(fā)現了變色效應的存在。隨著晶體生長 與合成技術的發(fā)展，一些具有變色效應的人工合成材料如合 成變石、合成剛玉、玻璃、立方氧化鋯、釔鋁榴石等開始逐 漸走入人們的視線?？傮w說來，具有變色效應的礦物大 多屬于硅酸鹽和氧化物，在鹵化物中也可有少量出現，但在 氫氧化物中則鮮有提及。

在氫 氧 化 物 家 族 中，具 有 鏈 狀 結 構 的 硬 水 鋁 石 (α- AlOOH)是鋁土礦的主要組成礦物之一，在工業(yè)中常用于提 煉鋁以及制作耐火材料，與軟水鋁石(γ-AlOOH)互為同質多 像，屬于斜 方 晶 系，對 稱 型 為 mmm，晶 胞 參 數 a = 0.４４ 1 nm，b=0.9 ４0 nm，c =0.2 8４ nm，單晶體通常平行發(fā)育 為板狀并沿 z 軸延長，集合體通常呈片狀、鱗片狀、放射狀 或隱晶質及膠態(tài)豆狀、鮞狀。近年來，一種具有變色效應 的硬水鋁石開始在珠寶市場中出現并因其獨特的變色效應和 稀有性逐漸受到人們的關注。硬水鋁石是否具有變色效應， 不僅關系到價格，而且在很大程度上影響其用途。對其光譜特征以及變色效應成因的分析可以進一步了解硬水鋁石的材 料性能，并為其應用研究提供新思路。然而現有文獻對其光 譜特征并未進行系統(tǒng)分析、對其變色效應的成因也并未給出 明確的解釋。Hatipoˇglu 等[7]利用紫外可見吸收光譜的吸 收峰所在峰位與含鐵礦物和含錳礦物的紫外可見吸收光譜進 行對比，推測變色水鋁石的變色效應由含量相對較多的鐵和 微量的錳共同產生，但并未結合樣品化學成分等定量數據進 行驗證。Can?moglu 等[5]通 過 陰 極 發(fā) 光 光 譜 確 定 了 Cr ３+ 和 Fe ３+ 均以替代 Al ３+ 占位的形式存在于變色硬水鋁石中，但 并未由此分析變色硬水鋁石變色效應產生的原因。

周丹怡，陸太進，柯 捷，陳 華，施光海，李克等人利用紅外光譜、拉曼光譜、X 射線熒光能譜、紫外可見 近紅外吸收光譜、顏色參數測量等無損測試方法對收集的 ３ 件變色硬水鋁石樣品的化學成分、譜學特征以及獨特的變色 效應機理進行了分析和探討，首次對變色硬水鋁石在模擬日 光和白熾燈光條件下的顏色參數進行了測定，定量分析了變色效應現象，并與普通硬水鋁石的測試結果進行對比，以期 為硬水鋁石的應用拓展、性能改善研究以及氫氧化物材料光 學性質的深入探討提供科學依據和數據支持。

利用紅外光譜、拉曼光譜、紫外可見近紅外光譜對具有 變色效應的硬水鋁石的光譜學特征進行分析，并結合 X 射線 熒光能譜測試所獲取的化學成分數據，探討了變色硬水鋁石 的變色機理。確定了變色硬水鋁石的晶格中代替 Al ３+ 并具有 一定含量的 Fe ３+ 和 Cr ３+ 的共存是其產生變色效應的主要原 因，而 Mn 對變色效應的貢獻極小。變色硬水鋁石中 Fe ３+ 發(fā) 生6A1 →４E(D)，6A1 →４A1 +４E(G)，6A1 →４T2 (D)的躍遷使 可見光藍紫區(qū)(３ 80～４70 nm)內產生吸收帶，而 Cr ３+ 發(fā)生 d 軌道４A2 基態(tài)的電子發(fā)生４A2 →４T2 躍遷則會在黃區(qū)(5 6 0 ～ 5 9 0 nm)內產生吸收帶，使可見光中橙黃-紅色光及綠色光均 可透過變色硬水鋁石，并且透射程度相近。因此當外部光源 藍綠光成分偏多時(如日光)，變色硬水鋁石將呈現綠色調; 而外部光源中紅光成分偏多時(如白熾光