红外光谱、拉曼光谱、X 射线荧光能谱、紫外可见 近红外光谱对矿物研究

自然界中绝大多数矿物在不同光源下一般保持同一色调，也有少数矿物，其 颜 色 随 着 光 源 的 转 换 会 发 生 明 显 变 化。矿物颜色随着照射光源不同(一般指日光和白炽灯光)而 发生明显变化的现象通常被称为变色效应，该效应同猫眼效 应、星光效应和变彩效应一起并列为宝石的四大特殊光学效 应。与光致变色、热致变色等由于化合物在光波或热量的影 响下内部结构发生改变而表现出的颜色差异不同，具有变色 效应的物质在光源变化前后内部结构并未改变，所表现出的 颜色差异一般与所含的微量元素有关，是光源性质与致色离 子的选择性吸收共同作用的结果。现有研究表明，可产 生变色效应的微量元素多为过渡金属元素和稀土元素，常见 有 Cr，V，Fe，Mn，Y 和 Ce 等。矿物的变色效应早于 11830年在俄罗斯乌拉尔山脉产出的金绿宝石中发现，这种具有变 色效应的金绿宝石也因此被命名为“变石(alexandrite)”。之后，刚玉、石榴石、萤石、尖晶石、橄榄石、碧玺、蓝晶石、 黝帘石等矿物也陆续发现了变色效应的存在。随着晶体生长 与合成技术的发展，一些具有变色效应的人工合成材料如合 成变石、合成刚玉、玻璃、立方氧化锆、钇铝榴石等开始逐 渐走入人们的视线。总体说来，具有变色效应的矿物大 多属于硅酸盐和氧化物，在卤化物中也可有少量出现，但在 氢氧化物中则鲜有提及。

在氢 氧 化 物 家 族 中，具 有 链 状 结 构 的 硬 水 铝 石 (α- AlOOH)是铝土矿的主要组成矿物之一，在工业中常用于提 炼铝以及制作耐火材料，与软水铝石(γ-AlOOH)互为同质多 像，属于斜 方 晶 系，对 称 型 为 mmm，晶 胞 参 数 a = 0.４４ 1 nm，b=0.9 ４0 nm，c =0.2 8４ nm，单晶体通常平行发育 为板状并沿 z 轴延长，集合体通常呈片状、鳞片状、放射状 或隐晶质及胶态豆状、鲕状。近年来，一种具有变色效应 的硬水铝石开始在珠宝市场中出现并因其独特的变色效应和 稀有性逐渐受到人们的关注。硬水铝石是否具有变色效应， 不仅关系到价格，而且在很大程度上影响其用途。对其光谱特征以及变色效应成因的分析可以进一步了解硬水铝石的材 料性能，并为其应用研究提供新思路。然而现有文献对其光 谱特征并未进行系统分析、对其变色效应的成因也并未给出 明确的解释。Hatipoˇglu 等[7]利用紫外可见吸收光谱的吸 收峰所在峰位与含铁矿物和含锰矿物的紫外可见吸收光谱进 行对比，推测变色水铝石的变色效应由含量相对较多的铁和 微量的锰共同产生，但并未结合样品化学成分等定量数据进 行验证。Canımoglu 等[5]通 过 阴 极 发 光 光 谱 确 定 了 Cr ３+ 和 Fe ３+ 均以替代 Al ３+ 占位的形式存在于变色硬水铝石中，但 并未由此分析变色硬水铝石变色效应产生的原因。

周丹怡，陆太进，柯 捷，陈 华，施光海，李克等人利用红外光谱、拉曼光谱、X 射线荧光能谱、紫外可见 近红外吸收光谱、颜色参数测量等无损测试方法对收集的 ３ 件变色硬水铝石样品的化学成分、谱学特征以及独特的变色 效应机理进行了分析和探讨，首次对变色硬水铝石在模拟日 光和白炽灯光条件下的颜色参数进行了测定，定量分析了变色效应现象，并与普通硬水铝石的测试结果进行对比，以期 为硬水铝石的应用拓展、性能改善研究以及氢氧化物材料光 学性质的深入探讨提供科学依据和数据支持。

利用红外光谱、拉曼光谱、紫外可见近红外光谱对具有 变色效应的硬水铝石的光谱学特征进行分析，并结合 X 射线 荧光能谱测试所获取的化学成分数据，探讨了变色硬水铝石 的变色机理。确定了变色硬水铝石的晶格中代替 Al ３+ 并具有 一定含量的 Fe ３+ 和 Cr ３+ 的共存是其产生变色效应的主要原 因，而 Mn 对变色效应的贡献极小。变色硬水铝石中 Fe ３+ 发 生6A1 →４E(D)，6A1 →４A1 +４E(G)，6A1 →４T2 (D)的跃迁使 可见光蓝紫区(３ 80～４70 nm)内产生吸收带，而 Cr ３+ 发生 d 轨道４A2 基态的电子发生４A2 →４T2 跃迁则会在黄区(5 6 0 ～ 5 9 0 nm)内产生吸收带，使可见光中橙黄-红色光及绿色光均 可透过变色硬水铝石，并且透射程度相近。因此当外部光源 蓝绿光成分偏多时(如日光)，变色硬水铝石将呈现绿色调; 而外部光源中红光成分偏多时(如白炽光