Đá quý có màu vì nó hấp thụ một phần ánh sáng trắng đi qua nó, và mắt ta nhìn thấy phần còn lại. Phần lớn sự hấp thụ ấy do một lượng rất nhỏ nguyên tố kim loại chuyển tiếp như crôm, sắt, vanadi, mangan, đồng, titan nằm trong mạng tinh thể; ngoài ra còn có các cơ chế khác như tâm màu, truyền điện tích và hiệu ứng vật lý của cấu trúc.
Hiểu cơ chế này giải thích được nhiều điều tưởng lạ: vì sao cùng một nguyên tố crôm lại cho ruby màu đỏ và emerald màu lục, vì sao một viên đá trông khác nhau dưới nắng và dưới đèn, và vì sao người giám định dùng phổ hấp thụ để nhận ra viên đá.
Ánh sáng trắng và phép trừ màu
Ánh sáng trắng của mặt trời là hỗn hợp của mọi bước sóng nhìn thấy, từ tím, lam, lục, vàng, cam đến đỏ. Khi ánh sáng ấy đi vào một viên đá trong suốt, một số bước sóng bị hấp thụ, tức năng lượng của chúng được các electron trong viên đá giữ lại. Những bước sóng không bị hấp thụ đi tiếp ra ngoài và tới mắt ta. Màu ta thấy chính là "ánh sáng trắng trừ đi phần bị hấp thụ".
Một viên ruby, chẳng hạn, hấp thụ mạnh vùng lục – vàng và một phần vùng tím, để lọt qua nhiều đỏ và một chút lam. Mắt ta tổng hợp phần còn lại thành sắc đỏ, có khi ngả hồng tím. Một viên emerald hấp thụ vùng đỏ và một phần vùng vàng, vùng tím, để lọt qua lục và lam, nên ta thấy lục ánh lam.
Vì màu là phép trừ, nguồn sáng ban đầu có ảnh hưởng lớn. Nếu nguồn sáng vốn ít đỏ, viên ruby sẽ thiếu nguyên liệu để "đỏ"; nếu nguồn sáng giàu đỏ, viên ruby rực hơn. Đây là gốc rễ của hiện tượng đá đổi sắc dưới các loại đèn khác nhau, và ở trường hợp đặc biệt là hiện tượng đổi màu như alexandrite.
Vì sao kim loại chuyển tiếp lại hay tạo màu
Phần lớn nguyên tố trong đá quý như silic, oxi, nhôm, magie không hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, nên khoáng vật thuần của chúng thường không màu: corundum thuần, beryl thuần, thạch anh thuần đều trong như nước. Kim loại chuyển tiếp thì khác. Chúng có những electron ở lớp vỏ ngoài với các mức năng lượng rất gần nhau, và khoảng cách giữa các mức đó lại vừa đúng năng lượng của ánh sáng nhìn thấy.
Khi kim loại chuyển tiếp ngồi trong mạng tinh thể, các nguyên tử oxi bao quanh tạo ra một "trường" điện tách các mức năng lượng ấy ra. Độ tách lớn hay nhỏ phụ thuộc vào khoảng cách, cách sắp xếp và lực hút của các nguyên tử xung quanh. Độ tách quyết định bước sóng nào bị hấp thụ, tức quyết định màu. Giới khoa học gọi đây là lý thuyết trường tinh thể.
Một lượng rất nhỏ là đủ. Ruby có thể chỉ chứa crôm ở mức dưới một phần trăm mà vẫn đỏ rực. Đây là lý do người ta gọi các nguyên tố này là nguyên tố vết: chúng có mặt với hàm lượng vết, nhưng quyết định toàn bộ vẻ ngoài của viên đá.
Trạng thái hoá trị cũng quan trọng. Sắt hai và sắt ba hấp thụ ánh sáng khác nhau, nên cùng là beryl có sắt, viên nghiêng về sắt hai thì xanh lam, viên nghiêng về sắt ba thì vàng. Nung trong môi trường thiếu hay đủ oxi có thể đẩy sắt từ trạng thái này sang trạng thái kia, và đây là nguyên lý của nhiều kiểu nung đổi màu.
Các nguyên tố tạo màu chính và ví dụ
Bảng dưới gom những nguyên tố tạo màu hay gặp nhất trong đá quý. Một nguyên tố có thể cho nhiều màu tuỳ khoáng vật chủ và trạng thái hoá trị.
| Nguyên tố | Màu thường gặp | Ví dụ đá ngọc |
|---|---|---|
| Crôm | Đỏ, lục, đổi màu | Ruby, emerald, alexandrite, tsavorite và demantoid (một phần), spinel đỏ hồng, ngọc jadeite lục |
| Vanadi | Lục, xanh tím | Một số emerald, tsavorite, tanzanite |
| Sắt | Lục, vàng, lam, nâu, đỏ | Peridot, aquamarine, sapphire vàng, almandine, thạch anh tím (cùng tâm màu) |
| Mangan | Hồng, cam, đỏ | Morganite, kunzite, rhodochrosite, spessartine, beryl đỏ |
| Đồng | Lam, lục | Ngọc lam, malachite, tourmaline xanh neon chứa đồng |
| Titan (cùng sắt) | Lam | Sapphire xanh lam |
| Coban | Lam | Spinel lam hiếm; nhiều đá tổng hợp và thuỷ tinh lam |
| Niken | Lục táo | Chrysoprase |
Lưu ý dòng titan: sắc lam của sapphire không phải do titan hay sắt đứng riêng, mà do hai nguyên tố trao đổi electron với nhau. Cơ chế đó gọi là truyền điện tích, có bài riêng trên trang.
Một nguyên tố, hai màu: chuyện crôm trong ruby và emerald
Ruby là corundum có crôm; emerald là beryl có crôm (hoặc vanadi). Cùng một nguyên tố, sao một viên đỏ, một viên lục? Câu trả lời nằm ở môi trường quanh ion crôm. Trong corundum, các nguyên tử oxi ép sát ion crôm hơn, làm các mức năng lượng tách xa nhau; dải hấp thụ dịch về phía bước sóng ngắn hơn, ánh sáng đỏ lọt qua nhiều. Trong beryl, liên kết quanh crôm "lỏng" hơn một chút, dải hấp thụ dịch về phía đỏ, nên lục lọt qua nhiều hơn.
Alexandrite nằm ở giữa hai trường hợp đó: trong chrysoberyl, trường quanh crôm cân bằng đến mức đá để lọt gần như đều cả vùng lục – lam lẫn vùng đỏ. Nguồn sáng giàu lục – lam thì đá ngả lục, nguồn sáng giàu đỏ thì đá ngả đỏ. Đây là ví dụ đẹp nhất cho thấy màu là kết quả tương tác giữa nguyên tố, cấu trúc và ánh sáng.
Bài học rộng hơn: không thể đoán khoáng vật từ màu, và cũng không thể đoán nguyên tố tạo màu chỉ từ màu. Cần biết cả khoáng vật chủ.
Những cơ chế tạo màu ngoài nguyên tố vết
Tâm màu. Khuyết tật trong mạng tinh thể giữ một electron lạc chỗ, thường hình thành do bức xạ tự nhiên hoặc nhân tạo. Thạch anh khói, thạch anh tím, fluorite tím, topaz lam (phần lớn qua chiếu xạ) có màu theo cơ chế này.
Truyền điện tích. Electron nhảy giữa hai ion kề nhau, hấp thụ mạnh một vùng ánh sáng. Sắc lam của sapphire, của kyanite liên quan tới cơ chế này.
Thành phần thiết yếu. Khi nguyên tố tạo màu là thành phần chính của khoáng vật, như đồng trong malachite hay sắt trong peridot, màu gần như cố định cho loài đó. Người ta gọi các đá này là tự sắc.
Hiệu ứng vật lý. Màu không do hấp thụ mà do cấu trúc tán xạ hoặc nhiễu xạ ánh sáng: lửa màu của opal, ánh màu của labradorite, ánh xanh của đá mặt trăng. Những hiệu ứng này có ở các bài riêng.
Bao thể có màu. Đôi khi màu của cả viên đá đến từ vô số bao thể nhỏ: aventurine lấp lánh lục do vảy mica chứa crôm, thạch anh hồng đục một phần do sợi khoáng vật siêu nhỏ.
Phổ hấp thụ: dấu vân tay màu của viên đá
Nếu cho ánh sáng đã đi qua viên đá tách ra thành dải cầu vồng bằng lăng kính hoặc cách tử, những bước sóng bị hấp thụ hiện thành vạch hoặc dải tối. Bộ vạch và dải ấy là phổ hấp thụ. Mỗi nguyên tố tạo màu, trong mỗi khoáng vật chủ, để lại một kiểu phổ khá đặc trưng.
Crôm trong ruby cho những vạch hẹp ở vùng đỏ và dải rộng ở vùng lục – vàng; sắt trong sapphire vàng và sapphire lam cho vạch ở vùng lam; almandine có các dải sắt rất đặc trưng. Người giám định dùng quang phổ kế cầm tay hoặc máy phổ để đọc các vạch này, nhờ đó phân biệt được những viên cùng màu mà khác loài, như ruby và garnet đỏ.
Phổ còn giúp phát hiện màu nhân tạo: một viên "lục" do nhuộm cho phổ khác hẳn viên lục do crôm tự nhiên. Cách đọc từng loại máy phổ thuộc danh mục giám định trong phòng lab; ở đây chỉ cần nhớ rằng màu mắt thấy là bề mặt của một câu chuyện mà phổ kể lại đầy đủ hơn.
Màu và độ dày: vì sao viên to trông đậm hơn
Hấp thụ ánh sáng phụ thuộc quãng đường ánh sáng đi trong viên đá. Đi càng xa, càng nhiều ánh sáng bị nuốt, màu càng đậm. Vì vậy cùng một loại đá, viên to thường trông đậm hơn viên nhỏ, và phần đáy sâu của một viên mài giác thường tối hơn phần mép mỏng.
Điều này có hai hệ quả thực tế. Với đá màu nhạt như aquamarine, morganite, người ta thích viên lớn vì màu mới đủ rõ. Với đá vốn đậm như tourmaline lục, almandine, viên lớn có thể tối quá mức, nên thợ mài thường làm đáy nông hơn hoặc chọn cắt theo hướng màu nhạt hơn.
Hệ quả thứ ba là khi so màu hai viên đá, nên so những viên cỡ gần nhau, mài kiểu gần nhau. So một viên to với một viên nhỏ rồi kết luận "màu viên này đẹp hơn" thường là so độ dày chứ không phải so chất lượng màu. Ví dụ giả định: hai viên aquamarine cắt từ cùng một tinh thể, viên mười li trông xanh rõ, viên năm li trông gần như trắng.
Quan sát màu đá cho đúng
Một vài thói quen đơn giản giúp bạn nhìn màu của viên đá chính xác hơn, dù chưa có dụng cụ.
- Xem dưới ánh sáng ban ngày gián tiếp, không nắng gắt, rồi xem thêm dưới đèn vàng trong nhà để biết đá đổi sắc thế nào.
- Đặt đá trên nền trắng không bóng để màu nền không pha vào màu đá.
- Xoay đá theo nhiều hướng; đá có đa sắc sẽ đổi sắc nhẹ theo hướng nhìn.
- So với một viên mẫu bạn đã biết, cùng cỡ và cùng kiểu mài.
- Chụp ảnh với cân bằng trắng cố định nếu muốn lưu lại màu; chế độ tự động của điện thoại thường "sửa" màu đá.
Những thói quen này không thay được phổ kế, nhưng giúp bạn nhận ra khi màu của viên đá phụ thuộc quá nhiều vào ánh đèn quầy. Đèn trưng bày thường được chọn để làm đá rực lên: đèn hơi lạnh cho đá lam, lục; đèn ấm cho đá đỏ, vàng. Không có gì sai khi người bán chiếu đèn đẹp, nhưng bạn nên tự xem lại viên đá dưới ánh sáng bình thường của nơi mình sẽ đeo hoặc cất nó, vì đó mới là màu bạn sống cùng hằng ngày.
Câu hỏi thường gặp
Đá không màu có nghĩa là tinh khiết không?
Thường là gần tinh khiết về nguyên tố tạo màu. Corundum, beryl, thạch anh, topaz thuần đều không màu. Nhưng không màu không có nghĩa là không có tạp chất hay bao thể; nó chỉ cho biết không có chất nào hấp thụ đáng kể ánh sáng nhìn thấy.
Vì sao ruby và emerald cùng có crôm mà khác màu?
Vì môi trường quanh ion crôm khác nhau. Trong corundum, các nguyên tử oxi ép sát ion crôm hơn, làm dải hấp thụ dịch về phía lục – vàng nên đá đỏ. Trong beryl, trường quanh crôm yếu hơn, dải hấp thụ dịch về phía đỏ nên đá lục.
Một lượng nguyên tố rất nhỏ có đủ tạo màu không?
Đủ. Nhiều đá quý có màu rực chỉ nhờ nguyên tố vết ở mức phần nghìn hoặc thấp hơn. Vì hấp thụ ánh sáng của kim loại chuyển tiếp rất hiệu quả, một lượng nhỏ đã đủ làm thay đổi hẳn màu của khoáng vật chủ.
Màu của đá có phai không?
Phần lớn màu do nguyên tố vết rất bền. Màu do tâm màu thì có thể nhạt khi gặp nhiệt hoặc ánh nắng lâu, như một số kunzite, thạch anh khói, topaz nâu. Màu do nhuộm hoặc phủ có thể phai và bong. Biết cơ chế màu giúp biết cách cất giữ.
Có thể đoán loại đá từ màu không?
Không đáng tin. Một màu có thể đến từ nhiều khoáng vật và nhiều cơ chế khác nhau. Đỏ có thể là ruby, spinel, garnet, tourmaline hay thuỷ tinh. Màu chỉ là gợi ý đầu tiên; cần đo chiết suất, tỉ trọng và xem phổ để biết chắc.
Phổ hấp thụ có xem được bằng điện thoại không?
Không theo cách đáng tin. Phổ hấp thụ cần dụng cụ tách ánh sáng như quang phổ kế cầm tay hoặc máy phổ trong phòng lab, cùng kinh nghiệm đọc vạch. Ảnh điện thoại chỉ ghi lại màu tổng hợp, lại bị phần mềm tự chỉnh.