보석의 광학적 특성

 

 

 

보석의 색을 결정하는 빛!

 

 색은 빛이 물체에 비추었을 때 일어나는 반사, 굴절, 흡수, 투과, 산란 등의 과정을 통해 인간의 눈을 자극함으로써 생기는 현상이며, 우리 눈에 보이는 보석의 아름다운 색은 빛과 밀접한 관계가 있습니다.
 

 

전자기 스펙트럼(electromagnetic spectrum)

 전자기파를 파장에 따라 감마선, X-선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 라디오파로 분해하여 배열한 것입니다. 

장파, 단파

 각 스펙트럼은 파장의 길이에 따라 장파(長波, long wave), 단파 (短波, short wave)로 나눌 수 있으며, 그 종류에 따라 다르게 이용된다. 특히 자외선 영역의 장파와 단파를 구분하여 보석의 특징을 검사할 수 있습니다. 

적외선(赤外線, infrared ray)

 파장이 가시광선보다 길며 극초단파보다 짧은 750μm~1mm의 전자기파. 눈으로는 볼 수 없고 일반적으로 공기 가운데에서 산란하기 어려우며, 가시광선보다 투과력이 강합니다. 

가시광선(可視光線, visible ray)

 사람의 눈으로 볼 수 있는 빛. 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색의 일곱 가지가 있습니다.

자외선(紫外線, ultraviolet ray)

 태양 광선의 스펙트럼을 사진으로 찍었을 때 가시광선의 바깥쪽에 나타나는 전자파를 통틀어 이르는 말입니다. 육안(肉眼)으로 보이지 않는 빛으로 가시광선보다 파장이 짧고 X-선 보다 깁니다. 

X-선(X-ray)

 X-선은 파장이 10 ~ 0.01 나노미터이며, 주파수는 30 × 1015 헤르츠에서 30 × 1018헤르츠 사이인 전자기파다. 이는 자외선보다 짧은 파장의 영역이다. 독일의 물리학자 빌헬름 콘라트 뢴트겐이 처음 발견하여 이름 붙였으며, 그의 이름을 따라 뢴트겐선으로도 부르기도 한다. 뢴트겐은 이 발견으로 최초의 노벨물리학상을 수상했다. X-선은 투과성이 강하여 물체의 내부를 볼 수 있으므로, 의료 분야 및 비파괴 검사 등에 널리 쓰입니다.

감마선(gamma ray)

 감마선은 전자기 스펙트럼에서 가장 높은 에너지 영역입니다. 극히 파장이 짧은 전자기파로 물질을 투과하는 힘이 몹시 강합니다.
 

 

전이원소와 전하이동 ?

 

 보석의 색은 발색원소라 불리는 전이원소(轉移元素, transition elements)의 전자가 전자기 복사에너지의 일부 또는 전체를 흡수하여 나타납니다. 이 8종류의 전이원소가 보석의 주성분 또는 미량성분으로 포함되어 있기 때문입니다. 대부분의 보석은 빛을 선택흡수 하는 특정 원소를 가지고 있는데, 이들은 화학원소 중 전이원소라고 부르는 하나의 그룹을 형성하고 있습니다. 전이원소의 색 유발 규칙은 다음과 같습니다. 
 

 

티타늄 

 티타늄은 철이 함께 작용하여 사파이어, 블루 스피넬, 카이아나이트, 그리고 몇몇 투 어멀린의 청색을 만듭니다.

바나듐 

 바나듐 또한 보석의 선명한 녹색을 만듭니다. 대부분의 크롬 투어멀린은 그 명칭과는 달리 실제로는 바나듐에 의해서 보석의 색상이 발색 되고, 탄자나이트의 특징적인 청색을 유발합니다.

크롬 

 크롬은 루비와 에메랄드의 색 유발의 원인이 되는 원소입니다. 두 보석에서 크롬 이온의 원자가는 동일하고, 6개의 산소 원자들이 크롬을 같은 배열로 둘러싸고 있습니다. 그러나 각각의 크롬 원자와 근접해 있는 산소 원자 사이의 거리가 약간씩 다릅니다. 이런 미세한 차이로 인해 두 보석은 각각 적색이나 녹색으로 만들어집니다.

망간 

 망간은 베릴의 적색과 분홍색을, 가닛의 황색 계열의 색을 유발합니다.

철 

 철은 다른 어떤 전이원소들보다도 다양한 색을 유발한다. 철은 보석을 녹색으로 만들 수도 있지만, 크롬이나 바나듐으로 발생한 색보다는 약한 경향이 있습니다. 철은 페리도트 의 녹색뿐만 아니라, 알만다이트 가닛의 적색, 아콰마린의 밝은 청색, 사파이어와 크리 소베릴의 황색등 다양한 색을 유발합니다.

코발트 

 코발트는 합성 스피넬, 몇몇 합성 사파이어와 인조 유리의 투명하고 밝은 청색을 만들어 냅니다. 또한 철과 함께 작용하여 일부의 천연 스피넬에 진한 청색을 유발하기도 합니다.

니켈 

 니켈은 몇몇 투어멀린의 색과 유사한 녹색을 생성합니다. 또한 일부 천연 크리소프레이즈의 색에 중요한 역할을 합니다.

구리 

 구리는 터키석의 청색을 유발하는 원소이며, 파라이바(paraiba) 투어멀린의 청색과 녹색의 원인이 됩니다.

 

 

복합적 색 유발 

 

 보석의 색은 한 가지 이상의 전이 원소로 인해 발생하는 경우가 있습니다. 예를 들면, 안드라다이트 가닛의 데만토이드 변종은 크롬 외에 철을 함유할 수도 있습니다. 이 보석에서 크롬은 녹색을 만드는 반면, 철은 황색을 만듭니다. 두 가지 색 요소가 결합하어, 대부분의 데만토이드 가닛의 특징적인 녹황색이 유발됩니다. 이와 같은 방법으로 사파이어에서 철과 크롬의 결합은 각각의 전이 원소들이 존재하는 양에 따라서 황색에서 분홍색을 띤 오렌지 보석까지의 색 범위를 만들 수 있습니다.
 

 

자색 보석과 타색 보석  

 어떤 특징적인 색을 발생시키는 원소들을 발색소(發色素, chromophore)라 부르며, 발색소가 보석의 주성분인 경우가 있고 불순물로써 색을 띠는 경우가 있습니다.

- 자색 보석 

 전이원소가 보석을 구성하는 주요 화학성분일 경우 자색(自色, idiochromatic) 보석입니다. 한 예로 알만다이트 가닛의 특징적인 적갈색은 철(Fe)에 의해 생기는데, 이러한 철 성분은 가닛의 결정구조 내에 있는 원소를 대체한 것이 아니라, 보석 자체의 구성 성분 원소입니다. 자색 보석들은 색의 유발 원소가 보석을 형성하는 기본적인 화학성분 중 하나이기 때문에 색의 범위가 다양하게 나타나지는 않습니다.
 

- 타색 보석 

 전이원소가 주된 구성 원소가 아닌 미량으로 포함되어 색을 띠게 된 경우 이를 타색 (他色, allochromatic) 보석이라 합니다. 루비의 경우, 보석의 결정구조 내에 있는 알루미늄 대신 적은 양의 크롬이 불순물로 대체되어 적색을 띠고 있습니다. 커런덤의 결정구조 내에 있는 크롬의 양이 적색의 진한 정도를 결정해 준 것입니다. 만일 미세한 양의 크롬이 존재한다면 이 커런덤은 연한 핑크 사파이어가 될 것이고, 크롬의 양이 더 많아지면 진한 적색의 루비가 될 것입니다.
 

간섭색  

 간섭색(干涉色, interference color)은 어떤 물체에 닿는 빛이 엷은 막에서 반사와 굴절에 의해 일어나는 간섭무늬를 말합니다. 예를 들면, 얇은 비눗방울의 막 표면과 내면에서 각각 반사한 빛의 합류에 의해 여러 가지 색이 만들어지는 비눗방울 현상을 들 수 있겠습니다.
 

분산과 휘광, 섬광  

 보석의 광학적 특성 중 보석 내에서 일어나는 빛의 양상으로, 빛이 보석에 들어갔다가 되돌아 나오는 현상을 휘광, 백색광이 무지개색으로 분리되는 현상을 분산, 보석이나 빛 또는 관찰자가 움직일 때 볼 수 있는 빛을 섬광이라 합니다. 
 

- 분산

 백색광이 스펙트럼의 색으로 분리되는 것을 분산(分散, dispersion)이라고 합니다. 햇빛에는 여러 가지 파장의 빛이 섞여 있고 파장에 따라 굴절률이 서로 다릅니다. 파장이 클수록 굴절률이 낮기 때문에 프리즘에 의한 빛의 굴절은 적색이 가장 작으며, 보라색이 가장 크게 됩니다. 즉, 빛이 어떤 물체에 의해서 감속되면 될수록 또한 그 빛이 경사진 각도로 들어간다면 그 빛은 더 많이 구부러지고, 이것은 청색과 보라색의 파장이 적색의 파장보다 구부러짐이 크다는 것을 의미합니다. 보석 업계에서는 ‘파이어’라고도 알려져 있습니다. 
 

- 휘광 

 휘광(輝光, brilliance)은 보석의 내부와 외부에서 발생하여 나타나는 여러 가지 시각적 현상 즉, 광택과 전반사 등의 조합으로 발생하여 나오는 모든 백색광의 밝기를 말합니다. 보석의 외부에서 나타나는 현상으로는 연마된 패싯에서 반사된 광택이 있고, 빛이 보석의 내부로 들어가서 나오는 내부 전반사에 의해 나타납니다. 휘광의 강도는 보석의 연마 상태(폴리시), 프로포션, 굴절률, 투명도의 정도에 따라서 영향을 받습니다.
  

- 섬광 

 섬광(閃光, scintillation)은 광원 또는 보석이 움직이거나 관찰자의 눈이 움직임으로서 나타나는 현상으로 보석의 패싯들로부터 나오는 빛의 반짝임을 말합니다. 움직임이 많으면 많을수록 섬광도 많게 되며, 발생한 섬광의 양은 반사가 가능한 적절한 패싯의 수와 크기, 패싯의 각도와 프로포션 그리고 패싯 연마의 질에 따라 좌우됩니다. 따라서 보석이 너무 작거나, 너무 커도 섬광이 제대로 발생하지 않는다고 볼 수 있습니다.
 

 

 

빛에 의한 특수효과 1

빛에 의한 특수효과 2

합성석과 인조석