第二届我国磁管束聚变能交流会对焦“翠绿色将来聚变同创”，第三届中国磁约束聚变能大会

宝石中的特殊元素——从黄金的诞生谈起

近日，日本政府决定将福岛第一核电站核污水排入大海事件引起了全世界的关注。多数人只了解到核废水含有大量的氚元素，人体只有大量吸入氚，才会造成损害，而实际上东京电力公司已检测出核废水中含有63种放射性元素，包括伤害性极强的6种放射性元素，分别是碘-131、铯-134 和铯-137、碳-14、钴-60和锶-90。

日本核废水相关报道（图源：CCTV）

这些元素对人体和动植物都是极为有害的，比如碘-131大量存在，可能导致癌症患病率飙升；铯-134和铯-137会导致海洋生物发生变异；碘-129可以导致甲状腺癌等。

来自德国的海洋科学研究机构的计算结果显示，核废水一旦倒入大海，核废水将在57天内污染半个太平洋。因此被放射性物质污染过的废水，对海洋环境、食物安全以及人类健康都会带来巨大的负面影响。

核废水污染模拟图

地球上存在许多的化学元素，目前存在118种不同元素，有些元素是构成生物有机体必备的要素，有些元素对生物有着极大的危害作用，还有的元素被人类视若珍宝。

金元素就是一种被人类视为宝贵财富的元素之一，同时也是全世界公认的硬通货，那么黄金和各种元素是如何产生的？为什么黄金会有如此稀有？宝石中化学元素到底从何而来？这些元素对宝石有什么不同的影响？下面为大家一一解开。

Part 1. 黄金如何产生

地球化学元素丰度最高的前八个元素分别是氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁。而金（Au）这种化学元素，在地壳中含量不过1400万吨，能被发现和开采的量就更少。

地球上的这些元素都从何而来？

这和宇宙的起源等天文物理学有关。目前科学界的解释是：宇宙中所有元素都起源于氢（H），绝大多数恒星的元素中氢最丰富，它在非常高的温度下发生聚变反应，形成较重的原子核，首先是氦，然后是其他元素。恒星内部发生核聚变反应演化到最后，先消耗完氢元素，再消耗氦元素，这个过程不断合成更重的元素，因此才有如此丰富的化学元素。

金元素为什么如此稀有？

因此原子序数最小的氢元素是宇宙中最多的元素，原子序数越高含量越少，而金（Au）的原子序数为79，属于原子序数非常高的元素，因此金在宇宙中都十分稀少。

金是如何产生的呢？

金元素的产生和宇宙中两颗中子星碰撞有关，碰撞后金元素散布到宇宙空间，在地球形成初期被捕获，于是地球才有了金元素。而两颗中子星的碰撞，概率是极低的，宇宙中目前在银河系中仅仅找到了一对中子星，所以黄金的稀有程度可见一斑了。

Part 2. 宝石中的特殊元素

上面我们了解到地球上最多的元素是氧和硅，因此地壳中的矿物绝大多数都是硅酸盐矿物。硅酸盐矿物在自然界分布极广，是构成地壳、上地幔的主要矿物，估计占整个地壳的90%以上，已知的约有800个矿物种，约占矿物种总数的1/4。

同样大部分宝石也是硅酸盐矿物，如祖母绿、碧玺、锆石、橄榄石、石榴石、翡翠、和田玉等。

但有些宝石之所以能够从众多矿物中脱颖而出，离不开它本身含有某种特殊的元素。

1. 红宝石、蓝宝石

红、蓝宝石也称为刚玉，其主要化学元素为Al2O3，纯净时无色。尽管铝和氧都是非常常见的元素，但想要形成美丽的红宝石，其一定要有含有铬（Cr）元素，含量位于2%~3%时，颜色才能达到正红色。而蓝色的蓝宝石则要求含有铁（Fe）和钛（Ti）元素，才能形成浓郁典雅的蓝色。

这是因为含有这些特殊的微量元素，红、蓝宝石才能在众多宝石中脱颖而出，成为五大宝石之一。

2. 祖母绿

同样作为五大宝石之一的祖母绿也是因为含有特殊的微量元素而独树一帜。祖母绿的苍翠欲滴的翠绿色是由内部的铬（Cr）或钒（ V）取代晶体结构中的铝而致色的，并铬和钒含量的多少，直接影响着祖母绿绿色的深浅程度，含量越高，绿色越深。

同样属于绿柱石家族的绿色绿柱石，尽管和祖母绿的主要化学组成一样，但仅仅因为含有的微量元素是铁（Fe）而不是铬，达不到祖母绿那样明艳的绿色，其身份和地位就大打折扣。

3. 钴尖晶石

尖晶石是最近市场上热门的宝石之一，除绝地武士尖晶石之外，蓝色的钴尖晶石更是尖晶石家族中的贵族。钴尖晶石是由钴（Co）致色的尖晶石。钴元素的存在决定了尖晶石中的蓝色浓度，通常为蓝色或者是一些带有灰色调或者暗黑色调的蓝色，并且最终决定其外观的美丽程度。

钴尖晶石已经十分稀有了，而具有变色效应的钴尖晶石更是少之又少，其在日光灯下呈现蓝色，在白炽灯下则呈现紫色的外观。这样美艳动人的神奇宝石，能够拥有一颗才真是人间幸事。

4. 草莓绿柱石

草莓绿柱石（佩索达石）同样是一种十分珍贵稀有的宝石，最初发现于2002年，2003年被认证为新矿物种，是众多宝石矿物收藏者最想拥有的稀有宝石之一。

草莓绿柱石之所以稀有，因为其主要化学元素中含有铯（Cs）和锂（Li），，由于元素的不同导致其性质与绿柱石家族有差异，草莓绿柱石为三方晶系，而绿柱石为六方晶系，也正是因为其独特的化学元素导致其粉嫩草莓红色外观。

除了以上的四种宝石，因为含有特殊元素而出圈的宝石还有很多。

帕拉伊巴碧玺则是因为含有锰（Mn）和铜（Cu）元素才拥有特殊的电光蓝色。

沙弗莱作为普通的石榴石家族一员，因为含有铬（Cr）和钒（V）元素而显示美丽的翠绿色最终脱颖而出。

蓝锥矿则因为含有一种含有钡（Be）和钛（Ti），变成比蓝宝石还要高贵的稀有宝石。

Part 3. 宝石的光学效应

不同的化学元素不仅影响宝石的颜色和物理性质，同时还能够产生一些光学效应，而这些光学效应同样与宝石的价值有着的密切的关系。

荧光

红宝石因含有铬元素而能够在紫外荧光灯下发出明亮的红色荧光，而红宝石的荧光对其本身的颜色也具有一定的加强作用。在日光下观察红宝石会觉得红宝石颜色十分艳丽动人，这是由于日光中含有紫外线，因而使得红宝石能够产生一定的红色荧光，最终使得宝石的红色更加明亮鲜艳。

变色效应

变石由于具有变色效应而闻名于世，而变色效应就是由于变石内部含有铬（Cr）元素所导致。变石中的铬元素使得红光和蓝绿光透过宝石的几率近于相等，于是外部环境的 光源条件(色温)就决定了变石的颜色。例如，色温较高的日光灯中蓝绿色成分偏多，导致变石呈现蓝绿色，白炽灯光源中色温偏低，导致变石呈现红色。

其他具有变色效应的宝石同样也是由于所含的特殊化学元素所致，比如变色石榴石富含 Mn、Fe、V及微量的 Cr元素，变色尖晶石含有Fe、Cr和V元素等。

变色荧光效应（光致变色现象）

变色荧光效应也是宝石具有的一种特殊光学现象，最典型的宝石便是紫方钠石。紫方钠石是方钠石中含有硫的一个亚种，其在短波紫外灯下照射几分钟就能够出现明显的紫色加深的现象，而加热一段时间紫方钠石就会明显褪色。

宝石因为特殊的化学元素而变得丰富多彩，我们的地球也正是因为拥有这么多的化学元素，才能形成如此美妙神奇的世界。动物、植物、宝石等一切都是由不同的元素构成，元素之间的相互转化、循环往复，让大自然的一切都成为一个整体，息息相关。合理利用宝石矿产资源是每一个珠宝人和消费者的义务与职责，让我们一起共同创造和维护美好和谐、持续稳定的珠宝产业世界吧！