Все драгоценные камни, как и металлы, имеют определенную окраску. Для понимания процессов получения ими цвета требуется знание физики, в основном находящейся вне сферы интересов большинства геммологов. Ниже представлены основные группы драгоценных камней и металлов по окраске.
В первую группу входят те окрашенные минералы, у которых одной из основных составляющих является какой-нибудь из так называемых переходных элементов. Это минералы с идиохроматической (собственной) окраской. Они отличаются тем, что имеют всегда практически один и тот же цвет. Примерами могут служить альмандин, красный цвет которого обусловлен присутствием железа, малахит и бирюза, цвет которых связан с наличием в них меди.
Вторая и наиболее важная для геммологии группа — драгоценные камни с аллохроматической окраской, которые по существу являются бесцветными минералами, а широкий диапазон их окрасок связан с присутствием небольших количеств различных переходных элементов в виде примесей. Хорошо известные примеры — изумруд и рубин (красный корунд, содержащий хром), аквамарин и желтый хризоберилл (содержащий железо).
Цвет минералов третьей группы вызван наличием центров окраски, которые приурочены к дефектам кристаллической решетки. Попав в такую «ловушку», электрон может оказаться в положении, где обычно он не должен находиться. Или же потеря электрона может приводить к появлению дырки. Примерами ювелирных камней, цвет которых обусловлен такими дефектами, являются флюорит, аметист и дымчатый кварц.
Четвертая группа окраски связана с переносом заряда, который объясняет различие в валентности двух разных переходных элементов или двух ионов одного и того же элемента, находящихся в разных валентных состояниях. Хорошо известным примером является сапфир, у которого цвет зависит не только от присутствия железа и титана, но и от их валентностей. Если двухвалентный атом железа (Ее2+) и четырехвалентный атом титана (Т14+) занимают соседние позиции алюминия в кристалле корунда, может случиться, что электрон от двухвалентного железа перейдет к четырехвалентному титану, в результате чего оба иона станут трехвалентными. Процесс переноса заряда требует затрат определенного количества энергии, которую обеспечивает поглощение света, и таким образом появляется окраска минерала.
Красящие органические вещества, присутствующие в таких материалах, как янтарь и коралл, включены Нассау в пятую группу. Красители в прошлом использовались для окрашивания агатов, которые резали и полировали в Идар-Оберштайне (Германия), но такая окраска со временем выцветала и сейчас предпочитают использовать более стойкие неорганические красители.
В шестую группу помещены проводники, т. е. металлы, не часто рассматриваемые в этой связи геммологами. Их типичный бриллиантовый блеск приписывается свободному перемещению внешних электронов от одного атома к другому, что делает эти материалы электро- и теплопроводными. Поток электронов обеспечивает непрозрачность и высокую отражательную способность металлов. Однако существует некоторая разница между металлами в длинах волн света, которые наиболее сильно ими отражаются, что и вызывает различия в цвете золота, меди, серебра и т. д.
Седьмая группа Нассау включает в себя полупроводники, среди которых важное место занимает алмаз, а также такие минералы, как галенит и пирит, имеющие металлический блеск. Для этих кристаллов характерна ковалентная химическая связь, которая предполагает обобществление электронов, а не их переходы. Цвет таких материалов (не считая тот, который связан с примесями) рассматривается в зонной теории и зависит от наличия запрещенной энергетической зоны между зоной проводимости и валентной зоной. Переходы между этими зонами, а не между энергетическими уровнями отдельных атомов обусловливают цвет некоторых драгоценных камней. Такой цвет не может быть индуцирован или изменен при какой-либо ювелирной обработке, поскольку он связан с самой кристаллической структурой драгоценного камня, а не с ее дефектами или примесями. Если между уровнями энергии имеется широкая запрещенная зона, как в алмазе, кристалл будет практически бесцветным в видимой области спектра и неэлектропроводным. Цвет алмаза, возникающий при облучении, является результатом образования центров окраски.
