ทฤษฎีการเกิดสีของแร่

ทฤษฏีบทที่ใช้ในการเกิดสีของแร่(Theory of colour)

สีของแร่ มีความสำคัญอย่างมาก เนื่องจากสามารถใช้ในการจำแนกคุณสมบัติของแร่แต่ละชนิดในธรรมชาติ การสร้างสรรค์ให้เกิดเครื่องประดับที่มีคุณค่า ซึ่งแสงที่ปรากฏเกิดจากการคายพลังงานของอิเล็กตรอนที่โดนกระตุ้นจากสภาวะเริ่มต้นให้มีพลังงานสูงขึ้นจนถึงระดับหนึ่งจะเกิดการคายพลังงานออกมาเพื่อกลับมาสู่สภาวะเริ่มต้นที่เสถียรเช่นเดิม

Primary, secondary, and tertiary colors of the RYB color model

การเกิดสีของแร่

ลักษณะการเกิดสีของแร่สามารถจำแนกได้ 5 ประเภท ดังนี้

1.Crystal field theory formalism

สีของธาตุเกิดอันเนื่องมากจากมีธาตุโลหะเดี่ยวๆในชั้น d-orbital (d-shell) และ ชั้น f-orbital(f-shell)ยกตัวอย่างเช่น

• ธาตุไททาเนียม(Titanium) ให้สีฟ้า
• ธาตุเหล็ก ให้สีเขียว สีเหลือง หรือ สีฟ้า(เป็นธาตุที่ทำให้เกิดสีในแร่มากที่สุดในโลก)
• ธาตุโคบอล ให้สีฟ้า
• ธาตุโครเมียม ให้สีแดงหรือสีเขียว
• ธาตุแมงกานีส ให้สีชมพู
• ธาตุคอปเปอร์ ให้สีเขียว หรือ สีฟ้า เป็นต้น

การเกิดสีในแร่ประเภทนี้สามารถแบ่งได้ 2 ลักษณะคือ

1.1 Idiochromatic

สีของแร่เกิดจากธาตุที่เป็นองค์ประกอบหลักในแร่ Beryl ที่เกิดจากโครเมียมที่ให้สีเขียว ที่เกิดจากโครเมียมให้สีแดงเลือดนก(ที่เรารู้จักกันดีในชื่อ ทับทิมสยาม)

1.2 Allochromatic

สีของแร่ไม่ได้เกิดจากธาตุที่เป็นองค์ประกอบหลักแต่เกิดจากสิ่งเจือปนหรือมลสาร เช่น Colour change(ระดับพลังงานของแสงแตกต่างกันทำให้แร่มีสีต่างกัน)หรือ Luminescence(การเรืองแสงของแร่)

2.Molecular orbital formalism (charge transfer)

สีของแร่เกิดจากการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมของธาตุที่อยู่เป็นคู่ อิเล็กตรอนจะวิ่งไปมาระหว่าง Ion A และ Ion Bทำให้เกิดสีขึ้น เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานจะเกิดการเคลื่อนที่ไปมา และเกิดการดูดกลืนแสงในช่วงสีต่างๆทำให้เกิดสีปรากฏให้เห็น อิเล็กตรอนจะหยุดวิ่งต่อเมื่อหยุดให้พลังงาน จะสามารถเกิดได้กับอะตอมของโลหะด้วยกัน ระหว่าง เหล็กและออกซิเจน หรือบางครั้งไม่เกี่ยวข้องกับธาตุโลหะ นิยมใช้ในการทาตึกหรือการย้อมผ้า

ยกตัวอย่างเช่น Metal ion + O2(ออกซิเจน) ทำให้ได้ Metal-non metal จะเกิดการดูดกลืนแสงในช่วง UV (Ultraviolet)จากสีม่วงจนถึงสีฟ้าได้เป็นสีเหลืองหรือสีส้ม

3.Color center(จุดกึ่งกลางการเกิดสี)

เกิดสีของแร่จากการที่อิเล็กตรอนในโครงสร้างเรียงตัวผิดปกติ แบ่งได้เป็น 2 ลักษณะคือ

3.1 Electron colour center(Vacancy colour center)

เกิดสีอันเนื่องมากจากอิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากสภาวะเสถียรไปสู่สภาวะกระตุ้น ในช่วงนั้นมีอิเล็กตรอนตัวอื่นเข้าไปแทนที่ในช่องว่างของโครงสร้างที่ขาดหาย แต่เมื่ออิเล็กตรอนที่ได้รับพลังงานกระตุ้นตัวเดิมคายพลังงานกลับมาสู่ชั้นพลังงานเดิม จึงทำให้เกิดอิเล็กตรอนเกินมาในโครงสร้างทำให้เกิดสีของแร่ขึ้น

3.2 Hole colour center

เกิดสีของแร่จากการที่อิเล็กตรอนได้รับพลังงานทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปจากชั้นพลังงาน เกิดช่องว่างในโครงสร้างขึ้น แต่ภายหลังอิเล็กตรอนไม่สามารถกลับเข้าไปแทนที่ได้ ทำให้อิเล็กตรอนในชั้นนี้ขาดไปโครงสร้างของแร่จึงไม่สมบูรณ์ สามารถพบได้ใน Quartz สีควันบุหรี่

4.Band theory formalism

เกิดจากการที่อิเล็กตรอนโคจรไปมาระหว่างแถบพลังงานทั้งสองแถบที่มีช่องห่างระหว่างกัน ในธาตุหนึ่งมีระดับพลังงาน 2 ระดับคือ valence band(ระดับพลังงานปกติจะอยู่ต่ำกว่า)และ conduction band(ระดับพลังงานสูงจะอยู่ด้านบน)เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานจะวิ่งโคจรไปมาระหว่างสองระดับชันพลังงาน โดยในแต่ละธาตุจะมีช่องห่าง(Band gap)ระหว่าง 2 ระดับไม่เท่ากัน สาเหตุเนื่องมาจากวัสดุและเงื่อนไขทางกายภาพที่ต่างกัน

• แถบที่ให้อิเล็กตรอน เรียก electron donor level
• แถบที่รับอิเล็กตรอน เรียก electron acceptor level

การที่อิเล็กตรอนวิ่งไปมาจะทำให้เกิดการดูดกลืนพลังงาน โดยพลังงานที่เหลือจากการดูดกลืนจะออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้ปรากฏสีขึ้น

แบ่งได้เป็น 3 กรณีคือ

1. 1 ระยะห่างระหว่าง 2 แถบกว้างกว่าแสงที่ตามองเห็นทำให้เราเห็นเป็นสีขาวเนื่องจาก อิเล็กตรอนไม่ดูดกลืนสีใดเลย
2. 2 ระยะห่างระหว่าง 2 แถบแคบกว่าแสงที่ตามองเห็นทำให้เราเห็นเป็นสีดำเนื่องจาก อิเล็กตรอนดูดกลืนสีทั้งหมดเลย
3. 3 ระยะห่างระหว่าง 2 แถบอยู่ในช่วงแสงที่ตามองเห็นทำให้เราเห็นเป็นสีต่างๆเนื่องจาก อิเล็กตรอนสามารถดูดกลืนสีในแต่ละช่วงได้ ยกตัวอย่างเช่น จะได้สีเหลืองส้มจากการดูดกลืนสีม่วงฟ้า เป็นต้น

5.Colour cause by physical optics effects

การเกิดสีเนื่องจากลักษณะทางกายภาพบางประการ

If a shaft of light entering a prism is sufficiently narrow, a spectrum results.

A black pearl and a shell of the black-lipped pearl oyster

5.1 Dispersion(การกระจายของแสง)

เราจะพบมาในปริซึมที่เกิดการกระจายแสงออกเป็น 7 สี หรือ การส่องประกายของเพชร

5.2 Diffraction(ลักษณะพิเศษของคลื่นหลายชนิด ซึ่งมีความหลากหลาย)

เกิดสีอันเนื่องมาจากการสะท้อน หักเห ดูดกลืน ทำให้เกิดสีที่แตกต่างกันไป เราจะพบใน โอปอลที่มีการเล่นสีของคลื่นทำให้เกิดสีที่หลากหลายในแร่เรียกปรากฏการณ์การเล่นสีนี้ว่า Play of colour

5.3 Thin-film interference

ปรากฏการณ์ที่เหมือนมีฟิลม์บางๆเคลือบอยู่ที่ผิวของแร่ เมื่อแสงเกิดการหักเหผ่านลงไปข้างล่างแล้วเกิดการสะท้อนกลับขึ้นมาจะทำให้เกิดสีที่แตกต่างกันออกไปซึ่งเป็นลักษณะเด่นของการแทรกสอดของคลื่น ถ้ามีการแทรกสอดแบบเสริม ช่วงที่ความสูงของคลื่นสูงที่สุดจะทำให้แร่มีสีนั้นเป็นสีหลัก แต่ถ้าเป็นการแทรกสอดแบบหักล้าง จะไม่ทำให้เกิดสีในช่วงนั้นในเห็น เช่น ในไข่มุก