第一章 序论
一、优化处理的概念
天然宝石的优化处理(Enhacement and Treatment of Gemstone)是指除切磨和抛光以外，用于改善珠宝玉石的外观(颜、净度或特殊现象)、耐久性或可用性的所有方法。它是宝石学研究的一个重要内容。
优化处理可进一步划分为优化(Enhancement)和处理(Treatment)两类。
优化是指“传统的、被人们广泛接受的使珠宝玉石潜在的美显示出来的优化处理方法”，如加热处理、漂白、浸无油以及玉髓玛瑙的染等。市场上不予声明当做天然宝石出售。处理是指“非传统的，尚不被人们接受的优化处理方法”，如染处理、辐照处理、表面扩散处理等。属于处理的宝石在市场出售时，必须声明其经过人工处理的真实性。 关于宝石的优化处理，特别是对泽和透明度较差的天然宝石颜的改变的研究，目前在国际上已成为了一个专门的学科。
二、优化处理的历史
有一些改善宝石的处理方法尽管在古代就已经被人们认识了，如加热的方法使红玛瑙变红等等，但当时更多的是在偶然的机遇中发明的。只有在今天，当人们弄清了固体物质包括无机质矿物（如金刚石、刚玉、黄玉、绿柱石、水晶等），有机质宝石（如珍珠、琥珀等）的固体物理性质和研究了宝石的致机理之后，才是这个古老的领域发生了巨大的变化，产生各式各样新的完善的宝石处理技术。
进入20世纪以来，特别是近些年来，由于自然科学的重大突破，新技术的不断出现，给优化处理宝石的工作提供了一个又一个新手段、新方法。随着宝石学的成熟，使优化处理天然宝石以增加宝石价值的研究成为一门科学。人们的认识从宏观领域进入了微观领域，使以前偶然发现的优化处理宝石的方法，成为有目的的自觉行为，人们可以有意识的改变宝石的物理性质。当前，世界上许多技术手段齐全的实验室都开展了天然宝石优化处理的研究。
目前，人们已经能将绿的绿柱石改善成为天然的海蓝宝石；物的黄玉改善成为蓝的黄玉；无的金刚石改善位黄、绿、蓝、粉红等。甚至有人提出，如果您手中有金刚石（无钻），它可以给您改善成任何你需要的
颜。近十几年来，通过热处理使劣质刚与变成蓝或橙宝石的技术更是风靡一时。据报道，在国际市场上出售的彩宝石，有80%使经过优化处理的，刚玉类红、蓝宝石的优化处理品超过90%。一些改善后的宝石颜稳定，经久不变，已被公认价值与天然产出品相当。
三、优化处理的意义
宝石由于其特殊的魅力，一直为人们所喜爱，随着科技的进步，人
们生活水平的日益提高，人们对宝石的需求量越来越大。据统计，2002年我国仅宝石进出口就是840亿美元，加上首饰和珍珠的金出口额可达3200亿美元，其增长速度远远超过国际上的平均增长速度。随着经济的迅速发展，宝石业和珠宝市场将会更加繁荣昌盛。
由于自然界的资源有限，宝石新矿床的发展速度远远低于社会的需求量，完美无瑕的天然产出品极少。由于天然资源的局限，使供需发生矛盾，决定了人们必须要对那些质量不好的天然宝石进行改善，以满足社会对天然宝石的需求。
一、热处理
一、热处理技术简介
将宝石放在可以控制加热的设备中，选择不同的加热温度和不同氧化还原条件进行加热处理，使宝石的颜、透明度及净度等外观特征得到长期稳定的改善，从而提高宝石美学价值和商品价值的技术。这是一种把宝石潜在美显示出来的方法，也是一种容易操作且优化处理后的珠宝玉石被人们广泛接受的方法。根据我国1997年月1日实施的国家标准“GB/T16552-1996珠宝玉石名称”的规定，这一方法属
于“优化”的范围。
在古代，宝石的改善主要靠加热的方法实现的。据报道，早在公元前2000年，在印度已出现加热的红玛瑙和红玉髓。有人曾对古代宝石的改善方法进行推测：在古代各地区之间，侵略和掠夺战争不断发生，时常会焚烧死者的尸骨，有时就会发现一些被烧焦的贵重装饰品的残骸(因为贵族们常把珠宝当作护身符而带在身上)。这样，或许偶然有人发现一颗与其主人一起被烧过的宝石的颜得到了改善，变得更漂亮了。这个人就有可能把这种现象告诉其他人，遇到有心人就可能试着把那些不漂亮的宝石烧一烧，逐渐就摸索出一套方法。这可能就是最初人类对热处理方法的发现。近代由于冶金技术的提高，宝石热处理的温度得到提高，使热处理工艺得到了新的发展。现代随着宝石学的成熟，使天然宝石优化处理的研究成为一门科学。加热处理宝石这一古老方法，在这个时期又周期性的复苏了，并蓬勃的发展起来，工艺日趋精细与完善。
二、热处理技术的原理
宝石在热处理过程中内部会发生很多变化，热处理的基本原理就是通过反复试验、反复修正寻和利用那些有利于显示珠宝玉石潜在美的变化。
环视制作者根据宝石在热处理过程中内部变化的机理将热处理的原理分成以下几类详加说明：
（1） 使宝石中致元素改变而产生颜的变化。
这些化学成分可以是宝石的主要成分，也可以是宝石的微量致元素。
例如：对于有机宝石如珍珠、象牙、珊瑚、琥珀等，加热处理会使其中的有机质氧化，温度过高会
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使颜慢慢变暗变黑，若继续加热即出现“碳化”现象。人们经常利用这个特点，掌握好温度实施有机宝石的“仿旧”处理。对于宝石，加热处理往往将其中的低价态阳离子氧化成高价态，从而使颜产生变化。最典型的例子就是带绿调的海蓝宝石在空气中加热去除绿，使颜变成蓝。
（2）使宝石原有的心被破坏而引起颜的变化。
有些宝石的颜主要是由心引起的，心是能够产生颜的结构缺陷，可以理解为“掉到空穴陷阱中的电子，吸收可见光中某一能量，产生电子跃迁而显示颜”的中心。空穴陷阱的浓度不一样，显示出来的颜也不一样，如果不同深度的空穴陷阱同时存在，颜会显示混合。加热这类宝石，相当于给落入陷阱的电子增加一定能量，使心中的电子可以被激发到更高的能级。若外界给与的能量超过陷阱能时，陷阱中的电子将跳出陷阱而发生逃逸，该陷阱能的心即被破坏，颜消除。人们利用这个原理，掌握好加热温度和时间，将陷阱能的心颜消除掉，留下陷阱能高的心颜，以达到改善颜的目的。
例如辐照法改蓝黄玉，当无黄玉利用辐照处理法得到的样品是褐-棕褐，这是因为不同陷阱能的
心产生的不同颜混在一起造成的，通过热处理消除低陷阱能的心，就可以得到漂亮的海蓝。粉红黄玉变黄，紫水晶变黄或绿，烟水晶变黄绿或无，也是热处理改变心造成的。
（3）使宝石中的杂质扩散或改变存在状态而改变颜。
有些宝石中存在着致离子，但由于存在状态不好，使宝石颜不好或不能致，加热可以使致离子在宝石内均匀扩散，进入晶格质点位置或晶格缺陷，从而改变宝石的颜。如褐红宝石加热变成红红宝石，白蓝宝石加热变成蓝蓝宝石；有些宝石中的致离子呈聚合态而使颜不漂亮，经加热扩散后可形成漂亮的颜。
如斯里兰卡产出的一种原石叫“究打”（Geuda）刚玉，没有处理前是一种半透明、乳白、有丝绢光泽的刚玉，称不上宝石，常被用来铺垫花园小径、装点花床等，这种刚玉中钛元素以金红石矿物形式存在，若进行高温加热，可以使金红石矿物熔化（此时刚玉矿物不熔化）掌握好操作工艺，使钛元素均匀扩散，就能变成透明、颜漂亮的蓝蓝宝石。
（4）使一些含水的宝石发生脱水作用而引起颜的变化。
有些宝石中不仅存在吸附水，而且还含有结构水，在热处理优化过程中，若温度不破坏结构水，则能完成改任务；若加热温度过高会将结构水驱赶出来，使宝石发生脱水作用，从而破坏宝石的结构
稳定。当然，有些宝石在此时也会变，但这种变往往是人们不希望的。如漂亮的欧泊若加热到300℃左右就会失水，从而破坏它的变彩效应。所以，在采用热处理优化珠宝玉石颜时必须掌握好加热温度。粉红玉髓变橙，红或褐；虎睛石加热产生深褐至红褐与脱水作用有关。
（5）使某些宝石发生结晶构型的变化。
有些宝石随着温度的升高，晶格结构类型会发生变化，从而发生颜变化。例如加热可使低型锆石转化成高型锆石，颜由褐-褐红变成无透明，人们常用此法获得折光率高的无锆石作为钻石仿制品；若在还原环境下加热，还可以得到迷人的浅蓝-蓝锆石。
（6）使某些宝石发生重组、再生和净化而达到优化的目的。
对于有机宝石如琥珀，在较低的温度下热处理就可以使它软化或熔融，冷却后成透明度高、质地较纯的琥珀，若在软化时加压，还会出现美丽的爆裂花形图案，通常称之为“太阳光芒”。
（7）消除宝石中的包裹体，提高宝石的透明度和净度。
宝石中经常存在包裹体，不仅影响宝石净度，有时还影响宝石的透明度。高温热处理（常接近宝石的熔点）能把宝石中的不纯包裹体杂质熔解或消除，以达到提高提宝石的透明度和净度的目的，如红宝石的热处理可去除丝光。据资料表明，市场上销售的高档红宝石和蓝蓝宝石，许多都是经过高温处
理的。
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（8）温度骤变可能引起珠宝玉石内部产生裂纹。
由于绝大部分珠宝玉石是热的不良导体，热膨胀系数比较小在加热速度太快或冷却过程太快时产生内应力，容易产生裂纹；另外，有些玉石中含有较多的气-液包裹体，在高温下可能是这些包裹体发生爆裂，从而产生裂纹或指纹状包裹体。例如蓝宝石中包裹体周围的“晕”。我们还经常利用宝石的这一特性制造许多效果，例如晕彩石英。
2.热处理的宝石及鉴别
一、刚玉类宝石（红、蓝宝石）
热处理法用的最多的是在刚玉中，刚玉也大部分需要热处理进行改善.目前国际市场上的刚玉红、蓝宝石有90-95%是经过不同方法热处理的.因此在此分类详细介绍热处理法改变刚玉的颜。
（1）热处理刚玉的改机理
1. 含铁离子刚玉从无、浅黄绿到黄、橙的互变
在蓝宝石（Al2O3）中的铁，常以二价态Fe2+或三价态Fe3+存在。在高温晶体生长的条件下，铁一般以Fe2+或FeO出现。当这样一种Fe2+在取代刚玉中的Al3+时，为保持晶体电中性，每两个Fe2+的存在就会出现一个氧空位，这样可以产生几乎无的刚玉晶体、或者略带一点绿调。
其组成为： （1-x）Al2O3+2xFeO→Al2-2x Fe2x O3-x
在高温下，气
体中的氧可以通过扩散将Fe2+氧化成Fe3+4Fe2+ +O2→4Fe3++2O2-在刚玉蓝宝石中，这时没有氧空位了，相当于Al2O3中存在着Fe2O3杂质，电荷是平衡的，依Fe3+浓度的不同，宝石可以出现浅到中等的黄。
若在还原气氛中加热，比如在H2或CO的条件下，就会产生相反的作用
抽油机模型Fe2O3+ H2→2FeO+ H2O或Fe2O3+ CO→2FeO+ CO2
如果更强烈的加热，Fe2O3可能会聚集形成多分子颗粒，从而产生更深的黄到褐的颜。
也就是说，当铁离子以二价的形式存在于刚玉中时，宝石是无略带一点绿调。在高温下，通过气体扩散Fe2+可以氧化成Fe3+，随Fe3+含量的多少，宝石可以出现不同程度的黄。相反当有还原气
氛存在时Fe3+又可以转为Fe2+，宝石又可恢复原来的颜，但较氧化反应难进行。氧化成Fe3+的反应甚至在有钛存在时才可能。当宝石中铁的含量远远超过钛的含量时，铁离子之间的电荷转移占主导地位，宝石仍可呈现出黄，但含钛所形成的黄比不含钛所形成的黄暗得多。当铁离子和铬离子共存，铁为二价时，宝石为粉，经氧化加热铁变为三价，宝石成橘红。
这些热处理的温度很高，常接近刚玉熔点（2050℃）的温度，即1500℃以上。因此，必须具有良好的控温系统，否则会使宝石部分或全部熔化。实验中，为将Fe2+氧化为Fe3+常采用敞开坩埚的方法，一般不需要使用可引起化学反应的化学药品。为了防止宝石炸裂，缓慢升降温和填入缓解温度的化学药品很有必要。这种方法得到的宝石颜十分稳定，对光和热均不退。
破窗锤
2.含铁和钛离子的无或浅蓝刚玉颜加深及深蓝刚玉颜变浅
这是两个相反的过程，实现这两个过程的理论基础是：铁和钛的的电荷转移是引起蓝宝石颜的主要原因。
这种电荷转移，涉及到如下作用：
Fe2+→Fe3++e- Ti4++e-→Ti3+ 得： Fe2++Ti4+→Fe3++Ti3+
方程右边的两项比左边的两项具有更高的能量状态。当光照射到宝石上时，单电子吸收光能从铁转移
应力应变测试到钛，使方程向右进行。由于右边的能量高于左边，但电子吸收能量就形成从黄到红宽阔的吸收带从而产生了人们熟知的宝石蓝的蓝。这种电荷转移产生颜的特点是具有很高的吸收率，对光产生强吸收，所以呈现的颜很鲜艳。
第一个过程浅颜加深，浅或无的含铁和钛的刚玉中一般铁是以二价形式存在，钛是以化合物TiO2的形式存在为使方程进行，必须使TiO2的钛以离子形式存在于刚玉中，就需要进行高温处理。典型的例子是斯里兰卡的“Geuda”的热处理。这种刚玉是一种乳白至褐黄或带有蓝调的牛奶的刚玉。这种刚玉经高温处理可以得到不同程度的蓝，有的
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