Il Colore Delle Gemme (Parte 2)

4. Meccanismi fisici che producono il colore assorbimento, scattering e centri di colore

La tavolozza vivida delle gemme, come le manifestazioni più appariscenti nel regno animale, non nasce dal caso, ma da un delicato intreccio di fisica e chimica. 

Negli esseri viventi, i colori che giungono agli occhi umani derivano da pigmenti, nanostrutture o da una combinazione complessa di entrambi. 

I pigmenti assorbono lunghezze d’onda specifiche, mentre le nanostrutture manipolano la luce attraverso scattering (diffusione elastica o anelastica della luce su disomogeneità), interferenza o diffrazione. 

Questi meccanismi, evolutisi per comunicazione, mimetismo o termoregolazione, illustrano principi fondamentali anche per la formazione dei colori nelle gemme.

Al centro del colore vi è l’assorbimento selettivo. 

Nei sistemi biologici, la melanina assorbe ampiamente, producendo nero, marrone e grigio, mentre i carotenoidi assorbono lunghezze d’onda più corte, creando rossi, arancioni e gialli intensi. 

Analogamente, nelle gemme, gli oligoelementi (elementi in tracce strutturalmente incorporati e funzionalmente attivi), agiscono come pigmenti, assorbendo determinate lunghezze d’onda per generare tintecaratteristiche, dai rubini più intensi alle tormaline più vivide.

Oltre all’assorbimento, i meccanismi strutturali modellano il colore manipolando il percorso e la fase della luce. 

Nei piumaggi degli uccelli, strutture periodiche di cheratina e melanina producono blu non iridescenti; strati multipli di melanosomi generano iridescenze. 

Nelle gemme avvengono fenomeni analoghi: il reticolo cristallino, difetti, micro-inclusioni e variazioni di indice di rifrazione diffondono, diffraggono o interferiscono con la luce, creando effetti ottici come adularescenza, labradorescenza, opalescenza, pleocroismo o iridescenza.

Spesso, questi meccanismi agiscono in sinergia. 

Come il verde non iridescente di alcune piume richiede scattering blu filtrato da pigmenti gialli, nelle gemme i metalli di transizione, i difetti e la struttura interna si combinano per creare colori impossibili da ottenere con un solo meccanismo. 

Superfici lisce producono lustro e lucentezza, mentre curvature o strati interni possono aumentare o diminuire certi effeti fenomenali, come per esempio l’asterismo, modulando ulteriormente l’aspetto della gemma.

In molte gemme, l’assorbimento elettronico è il principale responsabile della tonalità. 

Gli elettroni negli orbitali d dei metalli di transizione (Cr³⁺, Fe²⁺/Fe³⁺, Ti⁴⁺(solo se in combinazione con Fe4⁺), V³⁺, ecc.) assorbono fotoni di energia specifica tramite transizioni d-d. Piccole variazioni nella composizione o geometria del reticolo spostano i picchi di assorbimento, alterando tinta o saturazione. 

Le transizioni di trasferimento di carica creano bande ampie, generando colori intensi e talvolta pleocroismo. 

Questi fenomeni spiegano il blu profondo dello zaffiro, il rosso intenso del rubino e il verde lussureggiante dello smeraldo.

Quando i metalli di transizione sono assenti o insufficienti, dominano i difetti del reticolo, o centri di colore, come nei diamanti. 

Un diamante perfetto sarebbe incolore; i colori visibili derivano da vacanze, complessi vacanza-impurità e difetti sostitutivi. Esempi comuni includono:

• GR1 (vacanza neutra) → verde/verde-blu
• N3 (tre atomi di azoto + vacanza) → giallo-cape
• H3 (due azoti + vacanza) → giallo e fluorescenza verde
• NV (coppie azoto-vacanza) → rosa-rosso

Anche concentrazioni minime di difetti influenzano fortemente il colore, e sotto UV o eccitazione ad alta energia possono diventare fosforenti o fosforescenti, modificando talora le tinte percepite. 

Questi effetti mostrano che il colore non è mera chimica, ma una proprietà emergente della struttura elettronica del cristallo.

Infine, struttura interna ed effetto scattering giocano un ruolo complementare. 

Interfacce interne, inclusioni nanoscale o ordine microstrutturale diffondono la luce in modo coerente o incoerente, creando iridescenza, opalescenza o variazioni angolari di colore. 

Anche in pietre dominate dall’assorbimento, questi effetti aumentano saturazione, creano pleocroismo o modificano luminosità.

In pratica, i meccanismi raramente agiscono isolati. Una singola gemma può avere un colore base da assorbimento elettronico, modulato da difetti e arricchito da scattering interno. 

Ne deriva un colore variabile con la luce e l’angolo di osservazione, spiegando perché due pietre apparentemente identiche possano apparire molto diverse.

5. Classificazione: idiocromatiche vs allocromatiche e consigli pratici per l’identificazione

Dai meccanismi fisici del colore, è fondamentale distinguere l’origine del colore nelle diverse specie gemmologiche. 

La distinzione classica tra idiocromatiche e allocromatiche aiuta a comprendere perché alcune gemme mostrano colori costanti mentre altre variano in base a tracce di elementi.

Gemme idiocromatiche

Il colore deriva da elementi essenziali alla composizione chimica. 

Ad esempio, il verde vivo del malachite proviene dal rame presente in Cu₂CO₃(OH)₂; il rosso del cuprite o il blu-verde del dioptasio riflettono transizioni elettroniche di rame integrate nella struttura. 

Anche il peridoto deve il suo caratteristico verde a aligoelementi presenti nella sua struttura interna. 

In queste gemme, il colore è relativamente costante e poco influenzato da impurità o trattamenti superficiali.

Gemme allocromatiche

Il colore proviene da impurità o difetti, non dagli elementi principali. 

Corindone, berillo, quarzo e feldspati appartengono a questa categoria. 

Le forme pure sono incolori o quasi, e le tinte emergono solo in presenza di tracce come Cr³⁺, Fe²⁺/Fe³⁺, V³⁺, oppure da meccanismi di trasferimento di carica (ad esempio Fe²⁺–Ti⁴⁺ nello zaffiro blu) o da centri di colore. 

Questi meccanismi, legati al campo cristallino locale, rendono le gemme allocromatiche altamente variabili, sensibili a concentrazione, stato di ossidazione e trattamenti termici o irradiativi.

Identificazione pratica

• Idiocromatiche: bande di assorbimento stabili, colore meno modificabile
• Allocromatiche: colore modificabile da calore, irradiazione o alterazioni chimiche, richiedono spettroscopia, microscopia e test avanzati (UV-Vis-NIR, EPR, LA-ICP-MS)

Controllo rapido:

• Spettro UV-Vis-NIR: bande stabili (idiocromatiche) vs variabili (allocromatiche)
• Microscopia: inclusioni irrilevanti vs zonature e “aloni” da irradiazione
• Esami strumentali: osservazione sotto diverse luci, filtri Chelsea, fluorescenza per centri di colore

Dopo questa distinzione, la domanda successiva è: quanta impurità serve per produrre un colore visibile?

6. Gli Oligoelementi che dipingono le gemme quali e come

Il colore nelle gemme allochromatiche è una proprietà emergente che nasce dall’interazione tra composizione chimica, struttura cristallina e fisica elettronica del reticolo ospite. 

In questi materiali, anche concentrazioni estremamente ridotte di elementi in traccia, talvolta pari a poche parti per milione o a frazioni di percento, sono sufficienti a generare colori intensi e chiaramente percepibili. 

La concentrazione influisce direttamente su intensità e visibilità, ma non agisce mai da sola: contano in modo determinante lo stato ionico del cromoforo, il sito cristallografico occupato e l’ambiente elettronico locale. 

È quest’ultimo a controllare l’entità della separazione dei livelli energetici (termne accurato in inglese ligand-field splitting) e quindi la natura delle transizioni elettroniche responsabili dell’assorbimento selettivo della luce. 

Processi di trasferimento di carica intervallente tra ioni a valenza mista, come Fe²⁺–Ti⁴⁺ nel corindone o Fe²⁺–Fe³⁺ in diversi silicati, producono bande di assorbimento ampie ed efficienti, generando colori che non potrebbero essere ottenuti da un singolo ione isolato. 

La struttura cristallina del materiale ospite modula ulteriormente queste bande: lo stesso ione Cr³⁺ produce il rosso nel corindone, ma il verde nello spinello, nel berillo o in alcune specie di granato. 

Ne consegue che due gemme con contenuto chimico apparentemente identico possono presentare colori diversi a causa di variazioni nel contesto del reticolo, nella distribuzione dei difetti, nella presenza di nano-inclusioni o nella lunghezza del cammino ottico.

Un caso limite è rappresentato dal diamante: a differenza di rubino o smeraldo, il suo colore non è dovuto a ioni di metalli di transizione, ma a difetti del reticolo, centri di colore e deformazioni strutturali, che agiscono anche a concentrazioni minime. 

In generale, variazioni molto piccole nella quantità di cromofori come Cr³⁺, Fe²⁺/Fe³⁺, Mn³⁺ o Ti³⁺ possono produrre cambiamenti cromatici macroscopicamente evidenti, proprio perché questi centri generano assorbimenti estremamente efficienti. 

Fattori strutturali aggiuntivi come distorsioni del reticolo, pleocroismo, centri di difetto e scattering interno modulano ulteriormente saturazione e luminosità. 

L’intensità del colore in una gemma è quindi sempre il risultato di una sinergia complessa tra fattori chimici, elettronici e strutturali, e non può mai essere ricondotta alla sola quantità di elemento colorante presente.

Qui di seguito alcune tabelle indicative sui principali cormatofori e le gemme che li contengono.

Oligoelementi (Cromofori) nelle Gemme Allochromatiche Tabella di Riferimento Integrata

Elemento (ione / stato di valenza tipico)	Specie gemmologiche / varietà comuni (allochromatiche)	Colori tipici risultanti	Meccanismo cromatico / Note
Cromo (Cr³⁺)	Corindone (rubino, zaffiro rosa); Berillo (smeraldo); Spinello; Granati (piropo, almandino–piropo, demantoide, uvarovite); Giadeite (giada cromifera); Diopside cromifero; Tormalina cromifera; raramente topazio	Rosso, rosa, verde intenso	Transizioni elettroniche d–d del Cr³⁺; la tonalità dipende fortemente dall’intensità del campo cristallino e dalla geometria del sito
Vanadio (V³⁺)	Berillo (smeraldo vanadifero); Zoisite (tanzanite); Granati (grossularia vanadifera / tsavorite); rari corindoni	Verde; blu-violetto / blu-verde; rari effetti di cambiamento di colore	Principalmente transizioni d–d; colore sensibile alla struttura ospite e alle interazioni V–Cr–Fe
Ferro (Fe²⁺ / Fe³⁺)	Corindone (zaffiro); Berillo (acquamarina); Tormalina; Peridoto; Granati; Crisoberillo; Quarzo; Zircone; numerosi silicati	Blu, verde, giallo, bruno, oliva	Transizioni d–d (Fe²⁺ / Fe³⁺); trasferimento di carica intervalente (IVCT) Fe²⁺–Fe³⁺; IVCT Fe²⁺–Ti⁴⁺ fondamentale per lo zaffiro blu
Titanio (Ti⁴⁺)	Corindone (zaffiro blu solo in presenza di Fe²⁺)	Blu → blu-grigio	Non agisce da solo; il colore deriva dal trasferimento di carica intervalente Fe²⁺ ↔ Ti⁴⁺ con bande di assorbimento ampie
Manganese (Mn²⁺ / Mn³⁺)	Berillo (morganite, berillo rosso); Spodumene (kunzite, hiddenite); Granati (spessartina, rodolite); Tormalina; Rodocrosite; Rodonite	Rosa, rosso, violetto; arancio; verde (hiddenite)	Transizioni d–d; lo stato di ossidazione (Mn²⁺ vs Mn³⁺) influenza fortemente tonalità e saturazione
Rame (Cu²⁺)	Tormalina tipo Paraíba; Turchese; Azzurrite; Dioptasio; malachite (idiochromatica)	Blu intenso → blu-verde	Assorbimento d–d del Cu²⁺; colore molto sensibile alla coordinazione e all’ambiente dei leganti
Nichel (Ni²⁺)	Crisoprasio (calcedonio); rari silicati; alcuni corindoni sintetici o trattati	Verde → giallo-verde	Transizioni d–d; richiede concentrazioni relativamente elevate per produrre colore visibile
Cobalto (Co²⁺)	Raro in natura; spinello cobaltifero; spinello/quarzo sintetici	Blu profondo → blu-violaceo	Transizioni d–d; la coordinazione tetraedrica vs ottaedrica influenza fortemente la tonalità
Elementi delle Terre Rare (REE³⁺ / Eu²⁺)	Granati; silicati rari; fosfati; materiali sintetici; minerali da collezione	Colori di corpo deboli; fluorescenza intensa	Transizioni f–f strette; spesso secondarie rispetto ai metalli di transizione
Idrogeno / gruppi OH⁻ (difetti, modificatori)	Berillo; Quarzo; Feldspati; Topazio; silicati idrati	Modifiche sottili blu-verdi o fumé	Non cromofori primari; alterano i campi locali e il comportamento spettrale di altri impurità
Specie dello zolfo (S²⁻, polisolfuri)	Lazurite (lapislazzuli); Sfalerite; solfuri	Blu, giallo, bruno	Colore dipendente dalla struttura; spesso combinato con impurità metalliche
Uranio (UO₂²⁺)	Autunite; Carnotite; Uraninite (uso collezionistico)	Giallo → giallo-verde; fluorescenza	Assorbimento e luminescenza dell’uranyle; non utilizzato in gioielleria

 

Centri di colore nelle gemme allocrómatiche

Atlante degli elementi in traccia (2010–2025)
Stato ionico, intervalli in ppm, effetti cromatici, specie ospiti e combinazioni validate
Fonti: GIA, Fritsch & Rossman, Nassau, Schmetzer, letteratura spettroscopica peer-reviewed
“?” = ipotesi pubblicata ma non ancora universalmente accettata

1. DIAMANTE (allocrómatico)

Elemento / agente	Stato / difetto	Intervallo (ppm)	Centro di colore / effetto	Note
Azoto (N)	N⁰ (centro C), aggregati A (N₂), B (N₄V)	~1–3500	Giallo (serie Cape), arancio-bruno	Tipo Ib (N isolato) → giallo intenso; aggregazione (IaA, IaB)riduce saturazione e sposta il colore verso giallo pallido
Azoto (N)	Tipo IaA / IaB	variabile	Incolore → giallo pallido	IaA/IaB non sono cromofori, ma attenuano l’assorbimento nel visibile
Boro (B)	B⁻ (accettore)	~0,05–5	Blu; aumento della conducibilità	Diamanti tipo IIb; il colore è legato alla banda di assorbimento nel rosso
Nichel (Ni)	Ni⁺ / Ni²⁺ (?)	<0,5	Giallo-verde (raro)	Quasi sempre associato a N; assegnazione spettrale ancora dibattuta
Idrogeno (H)	Difetti H-correlati	~5–40	Toni grigio-violacei	Associati ai diamanti IbH; ruolo cromatico non completamente chiarito (GIA 2023)

 

Agenti cromatici non in traccia (fondamentali)

Questa sezione va assolutamente mantenuta, ma con due integrazioni e una precisazione.

Versione corretta e completa:

• Rosa / rosso / bruno → deformazione plastica → cluster di vacanze
• (meccanismo supportato da diffrazione e spettroscopia, ma ancora oggetto di modellazione teorica)
• Verde → irraggiamento naturale o artificiale → centro GR1 (vacanza neutra)
• (α, β, γ; la profondità del colore dipende dalla penetrazione)
• Grigio / nero → inclusioni di grafite, microfratture, elevata densità di difetti
• Viola → combinazione di deformazione plastica + difetti H-correlati
• Arancione → combinazioni complesse di N + deformazione o centri NV/NV⁰ modificati
• (meno comune, spesso instabile al trattamento termico)
• Bianco / lattiginoso → nuvole di inclusioni submicroscopiche, dislocazioni, scattering multiplo
• (non colore per assorbimento, ma per diffusione incoerente della luce)

2. CORINDONE (rubino e zaffiro)

Elemento	Valenza	ppm	Effetto cromatico	Gemma / combinazione
Cromo (Cr)	Cr³⁺	~10–3500	Rosso rubino; rosa	Rubino, zaffiro rosa
Ferro (Fe)	Fe²⁺ / Fe³⁺	~100–3000	Blu, verde, giallo	Zaffiri
Titanio (Ti)	Ti⁴⁺	~50–1500	Blu solo tramite IVCT Fe²⁺–Ti⁴⁺	Zaffiro blu
Vanadio (V)	V³⁺ / V⁴⁺	~1–150	Verde-grigiastro; raro cambio di colore	Zaffiro al vanadio
Nichel (Ni)	Ni²⁺	<5	Sovratono verdastro	Zaffiri basaltici

Vincoli chiave:

• Ti⁴⁺ da solo è otticamente inattivo
• Il blu intenso richiede Fe²⁺ + Ti⁴⁺
• Cr³⁺ domina quando Fe < ~300 ppm
• Il padparadscha richiede basso Fe + bilanciamento Cr ± V

3. BERILLO (smeraldo, acquamarina, heliodor, morganite)

Elemento	Valenza	ppm	Effetto	Gemma / note
Cromo (Cr)	Cr³⁺	~50–3000	Verde smeraldo	Smeraldi colombiani (Fe basso)
Vanadio (V)	V³⁺	~20–2500	Verde	Smeraldi zambiani / berillo al vanadio
Ferro (Fe)	Fe²⁺ / Fe³⁺	~1000–15000	Blu (Fe²⁺), giallo (Fe³⁺)	Acquamarina, heliodor
Manganese (Mn)	Mn²⁺ / Mn³⁺	~10–3000	Rosa → rosso	Morganite, berillo rosso
Cesio (Cs)	Cs⁺ (modificatore)	~100–50000	Modula saturazione	Berilli pegmatitici

Indicatori geochimici:

• Colombia: Cr / (Cr+V) > 0,7
• Zambia: dominanza del V

4. CRISOBERILLO (gruppo alexandrite)

Elemento	Valenza	ppm	Effetto	Note
Cromo (Cr)	Cr³⁺	~50–1500	Verde → rosso (cambio di colore)	Alessandrite
Ferro (Fe)	Fe³⁺	~200–3000	Verde-giallastro	Cymophane; riduce il cambio

Condizione necessaria:

Cr³⁺ in siti Al a simmetria speculare; Fe attenua il contrasto spettrale.

5. GRUPPO DELLA TORMALINA

Elemento	Valenza	ppm	Effetto	Note
Ferro (Fe)	Fe²⁺ / Fe³⁺	~1000–20000	Blu, verde	Indicolite
Cromo (Cr)	Cr³⁺	~50–500	Verde intenso	Tormalina al cromo
Vanadio (V)	V³⁺	~20–800	Verde, teal	Tormalina al vanadio
Rame (Cu)	Cu²⁺	~100–15000	Blu-verde neon	Paraíba
Manganese (Mn)	Mn²⁺ / Mn³⁺	~500–40000	Rosa → rosso → viola	Rubellite

Condizione Paraíba:

Cu²⁺ > ~200 ppm + Mn²⁺ → effetto neon

Cu da solo → toni turchesi

6. GRUPPO DEL GRANATO

Elemento	Valenza	Concentrazione	Effetto	Gemma
Cromo (Cr)	Cr³⁺	~1000–15000 ppm	Verde	Tsavorite, uvarovite
Vanadio (V)	V³⁺	~50–1200 ppm	Verde bluastro	Tsavorite
Ferro (Fe)	Fe²⁺	5–25 % in peso	Rosso	Almandino
Manganese (Mn)	Mn²⁺	5–40 % in peso	Arancione	Spessartina
Titanio (Ti)	Ti⁴⁺	~100–3000 ppm	Mascheramento bruno	Rodolite

7. SPINELLO

Elemento	Valenza	ppm	Effetto	Note
Cromo (Cr)	Cr³⁺	~100–3000	Rosso	Spinello rosso
Ferro (Fe)	Fe²⁺ / Fe³⁺	~500–8000	Blu, porpora	Spinello ferrifero
Cobalto (Co)	Co²⁺	~10–300	Blu elettrico	Spinello al cobalto
Nichel (Ni)	Ni²⁺	~1000–5000	Verde debole	Spesso diffuso artificialmente

Nota:

Le bande di assorbimento del Co²⁺ sono molto intense → ppm bassi sufficienti.

8. ALTRI OSPITI ALLOCRÓMATICI

Gemma	Cromoforo principale	ppm / %	Note
Peridoto	Fe²⁺	~2000–15000 ppm	Nessun Cr/V
Iolite	Fe²⁺ / Fe³⁺	~5000–25000 ppm	Forte pleocroismo
Crisoprasio	Ni²⁺ (micro-inclusioni)	~0,2–2 %	Verde mela
Opale Paraíba	Cu²⁺	~0,5–3 %	Cu in inclusioni di crisocolla

9. QUANTITÀ → INTENSITÀ CROMATICA (linee guida)

• Cr³⁺
• ~100 ppm = tenue
• 500–1500 ppm = vivido
• 3000 ppm = saturazione massima (rubino)
• Co²⁺
• ~50 ppm = blu percepibile
• 200–300 ppm = spinello top
• Cu²⁺
• ~200 ppm = teal chiaro
• 1000–5000 ppm = Paraíba neon
• Ni²⁺

Necessari livelli percentuali per colore intenso (crisoprasio)

10. FATTORI CROMATICI NON IN TRACCIA (promemoria)

• Deformazione plastica → rosa / rosso / bruno
• Irraggiamento → verde (centro GR1)
• Grafite / fratture → grigio-nero
• Difetti H + deformazione → viola

I meccanismi cromatici descritti finora, cromofori in traccia, centri di colore, deformazioni strutturali e processi di irraggiamento, spiegano come il colore si genera nelle gemme. 

Resta tuttavia una domanda cruciale per la gemmologia applicata: quanta materia colorante è realmente necessaria perché un colore diventi visibile, identificabile e gemmologicamente significativo? 

Il passaggio dai meccanismi qualitativi alla quantificazione delle concentrazioni consente di collegare la fisica del colore all’analisi strumentale, alla distinzione tra origine naturale e trattamento, e alla valutazione pratica delle gemme.

Articolo di: Dario Marchiori