보석의 색상과 발색 요인은 무엇인가?(1)

보석 사파이어 이미지

 

1. 보석에서 색의 중요성 및 빛과 전자

보석의 아름다움을 나타내는 중요한 요소이다. 보석의 체색, 다색성, 광학적 특성 및 스펙트럼 등 보석의 검사에 있어서 중요하고 색상에따라 그 쓰임과 의미가 달라져 그만큼 보석에 있어서 색은 중요하다.

빨강은 감정과 열정, 주황은 과일의 이미지로 생명력 및 에너지를 상징, 노랑은 발랄한 색상, 녹색은 자연의 색, 파랑은 편안하고 자연스러운 분위기, 보라는 정신적인 권위와 세렴됨 및 우아함, 영적인 세계와 연관된 이미지, 흰색은 순수함과 순결함을 상징, 회색은 중성적인 이미지, 검정은 무감각 및 부동 그리고 빛의 부족을 의미한다.

어떤 물질의 체색과 형광은 전자와 그 전자의 에너지 준위와 관련이 있고 빛과 전자는 에너지를 교환함으로서 상호 작용할 수 있다. 빛과 전자기 스펙트럼은 광자라고 부르는 아주 미세한량의 에너지를 흡수 또는 발산하는데, 광자는 일정한 량의 에너지로 구성되어 있다. 

원자내의 모든 에너지의 변화는 이 원자가 밴드의 범위내에서 이루어지게 된다.

 -. 밴드 : 원자의 궤도에 있는 전자 또는 이온의 결합과 관련이 있는 전자를 원자가 전자라고 하며, 이러한 원자가 전자가 보유하고 있는 다양한 에너지 준위를 전체적으로 하나로 볼 수 있는데, 이러한 연속적인 에너지 준위의 범위를 에너지 준위의 원자가 밴드라고 한다. 

원자가 밴드의 전자는 대부분의 유색 보석의 체색에서 발색과 관련되는 전자이다. 밴드 갭의 에너지 범위는 그 물질의 화학성분과 구조에 따라 좌우되는데, 이 밴드 갭은 전이원소가 없는 순수한 보석에서 체색이 없는 것과 관련이 있다.

-. 밴드 갭 : 에너지 준위의 특정한 범위에는 전자가 없는데, 이를 밴드 갭이라고 한다.

2. 가시 스펙트럼

전자기 스펙트럼의 일부로서 700~400 나노미터 파장의 범위를 가진다. 가시 스펙트럼은 가장 낮은 에너지의 파장은 700나노미터의 적색에서 가장 높은 에너지의 파장인 400나노미터 자색까지로서 그 사이에 오렌지색, 황색, 녹색, 및 청색 파장이 존재하고 있다.

 

낮은에너지                                                                                                                                              높은에너지

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         700                                            600                                               500                                               400

                           적색                        오렌지       황색          녹색                               청색                  자색

        

3. 선택적 흡수와 흡수 스펙트럼

보석의 원자가 외부의 에너지나 빛과 상호작용을 할 때, 원자 궤도에 있는 일부 전자는 원자가 밴드의 범위내에서 낮은 에너지 준위로부터 높은 에너지 준위로 이동할 수 있다. 백색광이 보석을 통과할 때 이러한 작용이 일어나서 일부의 전자가 낮은 준위로부터 높은 준위로 이동되면서 이러한 변화에 소요되는 에너지, 즉 백색광의 일부 에너지가 흡수된다. 가시광선의 연속 스펙트럼 가운데 흡수되는 에너지(파장)를 제외한 나머지의 파장은 보석을 통과하게 되는데, 이러한 현상을 선택적 흡수라고 한다.

빛이 보석을 통과할 때, 선택적 흡수 과정을 거치고 보석을 통과한 잔류에너지(잔류광선)를 우리의 눈이 인식할 때 그 보석의 체색을 볼 수 있게 되는데, 그 잔류 광선을 분광기로 관찰할 때 나타나는 잔류 광선의 패턴을 흡수 스펙트럼이라고 한다. 

보석의 체색과 흡수 스펙트럼은 보석을 감별하는데 있어서 중요한 요소이다. 예를 들어 적색 가닛 가운데 알만다이트 가닛과 파이로프 가닛은 체색이 비슷하기 때문에 분광기를 이용한 흡수 스펙트럼의 관찰을 통해 확증적 감별이 가능하다.

4. 발색 원소와 발색되는 색상

원소          원소 기호          발색되는 색상                          원소            원소 기호          발색되는 색상

티타늄           Ti                         청색                                   철                    Fe              녹색,청색,황색

바나듐           V                       녹색, 핑크                            코발트             Co                      청색

크롬              Cr                      녹색, 녹색                            니켈                 Ni                       녹색

망간              Mn                       핑크                                    구리                Cu                  녹색,청색

 

5. 발색의 원인

보석의 주된 발색 원인은 크게 5가지를 들 수 있다. 

 -. 분산된 금속이온

 -. 전하전이

 -. 컬러센터

 -. 밴드 갭

 -. 물리적 광학효과

 

보석의 색상과 발색 요인은 무엇인가?(2) 에서 발색원인 5가지에 대해서 알아보겠습니다.