안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
루비와 사파이어는 모두 산화 알루미늄 결정인 코런덤 구조를 공유하지만, 결정 격자 내에 박힌 미량의 전이 금속 이온이 d-궤도를 어떻게 변화시키느냐에 따라 색이 결정됩니다.
결정장 이론에 따르면, 전이 금속 이온이 산소 이온들에 둘러싸이면 구형이던 d-궤도 전자들의 에너지 준위가 주변 전하와의 반발력으로 인해 두 그룹으로 갈라지게 됩니다. 루비의 경우 알루미늄 자리에 크로뮴 이온이 들어가는데, 이 크로뮴의 d-궤도 갈라짐 에너지 간격이 가시광선 중 녹색과 황색 광선의 에너지와 일치하게 됩니다. 따라서 이 파장의 빛들은 흡수되어 전자를 들뜨게 하는 데 사용되고, 흡수되지 않은 붉은색 파장의 빛만 우리 눈에 도달하여 루비 특유의 색을 띠게 됩니다.
사파이어는 철과 타이타늄 이온이 동시에 알루미늄 자리를 치환할 때 색이 나타납니다. 두 이온 사이에서 전자가 이동하는 전하 이동 전이가 발생하며 루비와는 다른 폭의 에너지 갈라짐이 형성됩니다. 이 과정에서 주로 붉은색과 노란색 계열의 빛을 흡수하기 때문에, 그 보색인 푸른색 파장의 빛이 반사되어 우리 눈에는 사파이어의 깊은 파란색으로 보이게 됩니다.
결국 동일한 산화 알루미늄 격자라 하더라도, 어떤 전이 금속이 들어가 d-궤도 갈라짐 에너지를 어떻게 형성하여 어떤 파장의 빛을 선택적으로 흡수하느냐에 따라 보석의 색이 완전히 달라지는 것입니다.