硬水铝石是珠宝市场上流行的彩色宝石, 因其具有独特的变色效应（日光下呈现棕黄绿色, 白炽灯下呈现紫红色）而被广大消费者欢迎。 研究硬水铝石的变色成因对于宝石的切割加工、 优化处理以及价值评估有着重要意义。 目前硬水铝石的变色成因研究较少, 考虑到硬水铝石的化学成分和晶体结构与刚玉类似, 刚玉的颜色成因理论研究较为成熟, 因此, 为研究硬水铝石的变色成因, 本文选取与硬水铝石变色效应非常相近的变色刚玉, 从二者的微量元素、 紫外-可见光光谱与晶体结构等方面进行对比研究。 运用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪测试了样品的微量元素, 根据测试结果, 硬水铝石样品中致色元素主要有Fe、 Cr、 V、 Ti, 刚玉样品中致色元素主要有Mg、 Ti、 Fe、 V、 Cr, 二者的微量元素种类相似, 但含量有差异。 运用紫外-可见光光谱与偏振紫外-可见光光谱表征了变色硬水铝石与变色刚玉在可见光区的吸收特征, 发现硬水铝石中存在位于387、 398、 438和448 nm处的吸收峰以及中心位于572 nm左右的宽缓吸收带, 正是这一宽缓吸收带导致了变色效应, 与之对应的, 变色刚玉中存在位于377、 388和450 nm处的吸收峰以及中心位于560 nm左右的宽缓吸收带。 二者在可见光区的吸收特征非常类似。 有差异的是, 变色刚玉的560 nm吸收带不存在明显的偏振性, 而硬水铝石的572 nm吸收带存在偏振性, 晶体中电荷转移导致的吸收特征往往具有偏振性。 通过二者晶体结构的对比分析与刚玉中的电荷补偿理论分析, 推测硬水铝石中398 nm吸收峰由Fe3+导致, 387、 438和448 nm吸收峰由Fe3+-Fe3+离子对导致, 572 nm处的宽缓吸收由Cr、 V、 Fe2+-Ti4+离子对产生。 硬水铝石的变色效应是在Cr、 V、 Fe2+-Ti4+离子对的综合作用下产生的。 本研究通过类比变色效应相近的刚玉, 研究了硬水铝石的变色成因, 为研究宝石中的类似问题提供了新思路。

硬水铝石（α-AlOOH）是铝土矿的主要组成矿物之一, 常用于工业提炼铝以及制作耐火材料。 近年来, 一种具有变色效应的硬水铝石晶体开始在市场中出现。 采用X射线荧光能谱仪、 红外光谱仪、 拉曼光谱仪、 紫外可见近红外分光光度计以及测量颜色参数等方法获得了变色硬水铝石和无变色效应硬水铝石的光谱学特征, 并探讨了其变色效应的成因。 变色硬水铝石在日光下常呈黄绿色而在白炽灯下呈褐红色, 其红外光谱与拉曼光谱与普通硬水铝石的特征峰较为一致, 其中红外光谱中的特征峰主要集中在400~1 200, 1 800~2 110和2 900~3 000 cm-1三个范围内, 拉曼特征峰则主要位于154, 331, 448, 665和1 189 cm-1附近。 对比化学成分分析和紫外可见吸收光谱的测试结果, 认为Fe3+和Cr3+的d—d电子跃迁导致变色硬水铝石在可见光绿-黄绿色光区（500~560 nm）和橙黄-红色光区（600~780 nm）的透射程度较为接近, 环境光源中红光和绿光相对功率分布的差异使硬水铝石产生变色效应。 对变色硬水铝石在模拟日光和白炽灯光条件下的颜色参数进行了测定, 结果显示不同光源下样品颜色参数a*和h0的变化, 可定量地描述变色硬水铝石的变色效应。 为硬水铝石的应用拓展、 性能改善以及氢氧化物材料光学性质的深入探讨提供了科学依据和数据支持。