보석의 색상과 발색 요인은 무엇인가?(2)

자수정 이미지

 

1. 분산된 금속이온(dispersed metal ion)

1)이온과 에너지의 상호작용

원자의 중심에는 핵이 있고 핵에는 (+)전기를 띈 양성자와 전기적으로 중성인 중성자가 동일한 숫자로 구성되어 있으며, (-)전기를 띈 전자가 에너지 준위가 다른 궤도를 돌고 있다. 각각의 전자는 하나의 (-)전기를 띈 에너지 센터를 구성하고 있다. 전자기 스펙트럼의 에너지가 이러한 전자와 부딪힐 때 그 전자가 흡수할 수 있는 특정 에너지를 흡수하여 원래 우치인 기저상태에서 더 높은 에너지 준위로 이동하게 된다. 그러나 더 높은 준위로 이동된 전자는 그 상태를 유지하는 것이 아니고 다시 원래 준위인 기저상태로 돌아오게 되며 이동할 때 흡수한 에너지의 일부를 2가지의 형태로 발산하게 된다. 첫째, 원자 진동의 형태로 결정의 구조 내부로 발산하는데 이때 미세한 열을 발산하며 이러한 현상이 일반적인 형태이다. 둘째, 발광의 형태로 에너지를 발산한다.

화학 원소 가운데 오직 몇가지의 원소만이 빛의 에너지를 흡수할 수 있는데 이러한 원소를 전이원소라고 한다. 이 전이원소는 금속원소로서 어떤 보석의 내부에 분산된 이온의 형태로 존재할 때 빛의 에너지 일부를 흡수하여 잔류 광선을 만들고 우리의 눈의 색을 인식하게 된다. 동일한 금속이온이라도 결정구조 내부의 위치에 따라서 서로 다른 색을 나타내는데, 크롬 이온이 베릴의 결정구조에서는 녹색을 나타내지만 커런덤의 구조에서는 적색을 나타낸다.

2) 색에 대한 원자가의 영향

보석을 처리하여 그 속에 포함된 전이원소의 원자가의 상태를 변경시킴으로써 그 보석의 색을 바꿀 수 있다.

3) 색에 대한 이온 환경의 영향

이온에 의해 나타나는 색은 그 이온을 둘러싸고 있는 원자의 종류, 숫자, 및 배열에 따라 영향을 받는다. 보석 내부의 전이원소는 일반적으로 산소 이온에 의해 둘러싸여 있다. 동일한 이온이지만 그 환경이 달라지면 상이한 영향을 미치게 된다.

2. 전하전이(charge transfer)

어떤 보석 물질에서는 전자가 한 종류의 이온에서 다른 종류의 이온으로 이동하여 다시 원래의 이온으로 돌아온다. 전자가 이렇게 이동할 때는 특정한 에너지, 즉 파장을 가진 빛의 에너지를 흡수하게 된다. 음전기를 가진 전자(e-)의 형태로 전기 전하가 하나의 이온에서 다른 이온으로 이동하는 것을 전하전이라고 한다. 전하전이에서 이동된 전자에 흡수된 에너지는 그 전자가 원래의 이온으로 되돌아갈 수 있도록 해주게 된다. 전하전이가 발생되는 동안 그 보석을 통과하는 빛이 선택적으로 흡수되어 그 잔류광선에 의해 체색이 나타나게 된다. 전하전이에 의한 빛의 흡수는 분산된 금속이온보다 훨씬 강하기 때문에 그 결과로 나타나는 색은 아주 진한 색이 된다.

3. 컬러센터(color center)

컬러센터란 결정격자의 결함에 의해 빛을 흡수한는 것을 말한다. 이러한 격자의 결함은 연적으로 나타날 수도 있고 방사선 조사에 의해 나타날 수도 있다.

1)공간컬러센터

결정격자 속에서 원자가 있어야 할 위치에 원자가 없는 빈 공간이 생겨서 나타나는 컬러센터이다. 그 예로서 녹색 다이아몬드는 이러한 컬러센터에 의해 색이 나타난다. 이러한 공간은 고속의 원자 입자가 다이아몬드의 결정구조에 부딪히면 결정격자를 구성하고 있는 탄소 원자가 그 위치를 이탈함으로써 만들어진다. 천연적인 방사선 물질의 영향으로 천연 녹색 다이아몬드가 만들어지는데, 이러한 결함으로 인하여 적색 파장의 영역인 741nm에서 예리한 흡수밴드가 나타나게 된다. 이 흡수밴드를 'GRI흡수' 라고 한다. 이와 같은 원리를 이용하여 인공적인 방사선 처리로 다이아몬드를 녹색이나 청색으로 처리할 수 있다.

2)홀컬러센터

공간컬러센터보다 더 흔하게 나타나는 것으로서 방사선은 전자가 그 궤도를 이탈하게 만듦으로서 홀칼라센터를 형성할 수 있다. 예를 들면 연수정의 색은 불순물로서 알루미늄 이온이 존재함으로써 발색된다. 그러나 알루미늄 이온만으로는 충분한 갈색을 나타낼 수 없는데, 인공적 또는 천연적인 방사선 조사의 영향으로 전자가 궤도를 이탈하여 자외선에서 가시광선의 에너지를 흡수하게 된다. 방사선에 아주 오랫동안 노출되는 경우에 수정은 검은색으로 변한다. 홀컬러센터에 의한 색은 열처리를 통해 이탈된 전자를 원래의 위치로 되돌려 놓음으로서 원래의 색으로 환원될 수 있다.

3)진동컬러센터

이 형태의 컬러센터는 많은 다이아몬드에서 나타나는 황색의 원인이 된다. 대부분의 다이아몬드는 그 결정격자 내부에 미량 원소로서 질소가 포함되어 있다. 천연다이아몬드에서 질소는 대체로 하나의 공간을 둘러싸고 있는 집합된 3개의 질소 원자 상태로 존재한다. 이 상태에서 질소는 분자의 진동에 의한 컬러센터를 형성하게 되고 가시광선의 청색 영역인 414nm의 에너지를 흡수하여 흡수밴드를 만들게 된다. 이 컬러센터를 N3센터라고 부른다. 케이프 계열의 다이아몬드는 모두 이 N3센터에 의해 발색되는데 청색 파장의 흡수 강도에따라 무색에서 황색에 이르는 색을 띄게 된다.

4)색을 나타내는 다른 형태의 결함

다이아몬드에서 색을 나타내는 다른 형태의 결함은 소성변형에 의한 것인데, 소성변형이란 결정격자의 내부구조가 규칙적이지 못하고 변형된 상태를 말한다. 이러한 소성변형에 의해 나타나는 색은 핑크, 연보라색 및 갈색이다.

-.결정격자 : 결정안에 규칙적이고 주기적으로 배열해 있는 점들이 형성하는 입체적인 그물 모양의 격자

4. 밴드 갭(band gap)

일부의 물질에서 전자는 원자나 이온의 궤도에서 이동하는 것이 아니고 결정의 내부구조 전체에서 이동할 수 있다. 이 전자들은 이온의 궤도 안에서만 이동하는 전자보다 훨씬 더 강한 에너지 준위를 가지고 있다. 원자 궤도에 국한하여 이동할 수 있는 '원자가 밴드전자'의 에너지와 결정의 내부구조를 이동할 수 있는 '전도 밴드전자'의 에너지의 차이를 전자 에너지 밴드 갭이라고 한다. 이 밴드 갭, 즉 두 가지 전자의 에너지 차이는 물질이나 물리적 조건에따라 달라지며, 이 밴드 갭은 물질의 광학적 또는 기타 특성에 커다란 영향을 미치게 된다.

이 이론은 일부 발색 현상을 설명할 수 있을 뿐아니라 불순물을 포함하지 않은 순수한 상태의 보석이 색을 띄지 않는 이유를 설명해 줄 수 있다. 밴드 갭을 가지고 있는 물질은 그 화학성분 및 결정구조에따라 3가지의 밴드갭으로 분류될 수 있다. 

 -. 가시광선의 에너지 범위보다 더 넓은 범위의 밴드 갭, 자색

 -. 가시광선의 에너지 범위보다 더 좁은 범위의 밴드 갭, 자색~적색

 -. 가시광선의 에너지 범위와 동일한 범위의 밴드 갭, 다이아몬드

5. 물리적 광학효과(physical optics)

앞에서 언급된 발색의 원인은 모두 빛의 흡수와 관련된 것이다. 이 밖에 색을 나타내는 원인으로서는 빛에 어떤 영향을 미치는 물리적 현상에 기인하는 것도 있는데, 5가지로 예를 들 수 있다.

 -. 분산, 회절, 얇은 막에 의한 간섭, 산란, 내포물

1)분산

분산은 가시광선의 스펙트럼이 서로 다른 파장을 가지고 있으므로 빛이 보석을 통과할 때 각 파장에 따른 굴절률이 다르고 이에따라 백색광이 무지개 색으로 분리되는 현상이다. 가시광선의 파장은 자색에서 적색에 이르기까지 점진적으로 길어지기때문에 빛이 패싯된 보석이나 경사진 프리즘 면을 통과할 때 무지개빛의 파이어가 나타나게 된다. 보석에서 나타나는 파이어의 량은 그 패싯의 각도와 그 물질의 분산도에따라 달라진다. 분산도가 높으면 높을수록 뚜렷하고 강한 파이어가 나타나는데, 분산도는 굴절률과 직접적인 관계가 없다. 다이아몬드, 지르콘 및 데만토이드, 가닛은 분산도가 좋은 보석의 예이다.

2)회절

빛이 서로 다른 굴절률을 가진 물체의 경계면이나 투명한 물체와 불투명한 물체의 경계면을 통과할 때 빛은 분산된다. 이런 현상은 빛이 아주 미세한 구멍이나 격자를 통과할 때도 나타나는데, 격자나 구멍이 작으면 작을수록 빛은 원래의 진행방향에서 큰 각도로 퍼지게 된다. 귀오팔은 그 직경이 수백 나노미터인 아주 미세한 실리카 구형으로 만들어져있으므로 빛이 오팔을 통과할 때 무지개빛의 '플레이 오브 컬러'현상이 나타난다. 구형의 실리카가 큰 경우에 빛의 모든 파장이 통과할 수 있어서 무지개 색의 모든 색이 나타나는 바람직한 오팔이 된다. 그러나 실리카 구형이 약간 작은 경우에는 자색에서 녹색의 색을 나타내고, 아주 작은 경우에는 자색과 청색의 색만을 나타내는데 이런 오팔을 블루오팔이라고 부른다.

3)얇은 막에 의한 간섭

얇은 막에 의한 간섭색은 액체의 얇은 막, 얇은 고체 필름, 서로 다른 성분의 고체가 이루는 얇은 층상구조 또는 얇은 막과 같은 캐비티나 균열을 빛이 통과할 때 나타나는 현상이다. 

4)산란

문스톤에서 나타나는 효과는 펠드스파의 서로 다른 성분을 가진 층상구조의 얇은 막에 의한 간섭과 빛의 산란에 의해 복합적으로 나타나는 은백색 또는 은청색의 이리데슨스 현상이다. 이 층상구조가 극히 얇은 막을 이룰 때에는 청색의 이리데슨스가 나타난다. 문스톤의 이러한 현상을 아둘라레슨스, 쉰 또는 쉴러라고 부르는데, 이 현상은 문스톤 이리데슨스라고 부르는 것이 가장 정확한 표현이다.

5)내포물

카넬리언이나 적색 재스퍼의 색상은 그 내부에 포함된 미세한 수산화철내포물에 의한 것이다. 큰 결정이 색의 원이 되기도 하는데 그 예는 녹색 어벤츄린쿼츠에서의 녹색 운모 내포물이다. 이 운모 내포물은 보석이 움직일 때 빛을 반사하여 반짝이는데 이 현상을 어벤츄레슨스라고 부른다. 또 다른 예로서 선스톤은 헤마타이트 박편 내포물과 다른 칼날 모양의 작은 광물 내포물로 인해 골든 어벤츄레슨스 효과를 나타낸다.