为了系统地解释由宝石固有成分、杂质、缺陷和特殊构造产生的颜色，人们采用了四种不同的近代物理学理论，即晶体场理论、分子轨道理论、能带理论和物理光学理论。对于某一宝石的具体颜色，在这四种理论中总能找到一种能给予圆满地解释。总计五大呈色机理。
过渡金属离子次外层电子跃迁致色
过渡金属离子含有d1到d9得d电子，它们在配位体电场的作用下发生分裂。由于它们的dγ和dε轨道没有全充满，d电子可以在两者之间跃迁，而其能量差一般在1.2-3.7eV的范围内，相当于可见光的波长。
过渡金属组分产生的颜色：
铈(Ce):氟菱钙铈矿（黄色）铬(Cr):铬铅矿(橙色)；红铬铅矿(红色)；钙铬榴石(绿色)钴(Co):钴华(紫红)；砷钴钙石(粉红色)；菱钴矿(粉红色)铜(Cu):蓝色：蓝铜矿；硅孔雀石；绿松石，绿色：孔雀石，绿铜矿，红色：赤铜矿铁(Fe):橄榄石(绿色)、针铁矿(黄色)红色：铁铝榴石；砷铁铝石锰(Mn):蔷薇辉石(粉红色)；锰铝榴石(橙色)；辉叶石(黄色)镍(Ni):绿镍矿(绿色)铀(U):橙黄色：钙铀云母；钒钾铀矿；板铅铀矿；橙红铀矿
过渡金属杂质引起的颜色
铬(Cr3＋)绿色：祖母绿、钙铬榴石、尖晶石、铬透辉石、铬硬玉、铬电气石、翠绿锂辉石、黝帘石，红色：红宝石、尖晶石、镁铝榴石、托帕石，变色（红－绿）：变石钴(Co2＋)蓝色：钴十字石；尖晶石，粉红：钴方解石，绿色：闪锌矿铁(Fe3＋或Fe2＋)黄色：金绿宝石、长石类宝石、硅线石、黄水晶，黄－绿色：绿帘石、硬玉、透辉石、软玉，蓝色：海蓝宝石、锂电气石、锌尖晶石，红色：玛瑙、镁铝榴石锰(Mn2＋)粉红：绝绿柱石、电气石、锂云母、锂辉石，绿色：红柱石，黄绿色：锂电气石，红－紫－粉色：红绿柱石、锰绿帘石、红电气石、锰黝帘石镍(Ni2＋)绿色：绿玉髓、镍蛋白石、某些珍珠钒(V4＋或V3＋)绿色：祖母绿、铝铬榴石、绿蛀石、蓝晶石、透辉石、鱼眼石，蓝色：黝帘石、斧石，变色：刚玉、镁铝榴石
色心致色
色心指由于各种原因所形成的晶体结构点缺陷，因其可致色而得名。色心的存在直接导致晶体结构中形成未成对电子。在晶体场中，它可以像过渡金属未成对电子那样有基态和激发态，它在各能态中跃迁而吸收可见光。宝石中常见的色心是“电子色心”和“空穴色心”。
颜色中心产生的颜色
在光中基本稳定：紫水晶、萤石（紫红色）、辐照金刚石（绿色、黄色、棕色、黑色、蓝色、粉红色）、一些天然或辐照的黄玉（蓝色）在光中迅速退色：锂绝型绿柱石（深蓝色）；一些辐照黄玉（棕或褐色）；辐照蓝宝石（黄色）；紫外线辐照紫方钠石（紫红色）其他可能由色心产生的颜色：钾石盐（蓝色）；石盐（蓝或黄色）；锆石（棕色）；方解石（黄色；重晶石、天青石（蓝色）；天河石（蓝色到绿色）
电荷转移致色
分子轨道理论认为，原子形成分子后，电子不再像晶体场理论提出的那样，仍属于原来原子轨道所有，而是在一定的分子轨道中运动。根据分子轨道理论，电子可以从一个原子的轨道上，跃迁到另一个原子的轨道上，称为“电荷转移”。
这种在两个原子轨道之间的电子跃迁，其能量差同样在可见光能量范围内，从而在吸收光谱上出现相应的强吸收带。这种电荷转移有很高的概率，所以它对光的吸收大大地强于离子本身电子跃迁所产生的吸收，产生的颜色更鲜艳。电荷转移可以发生在金属－金属、非金属－非金属、金属－非金属之间。
电荷转移引起的颜色
A．金属－金属电荷转移
Fe2＋－Fe3＋/Fe3＋－Fe2＋：堇青石（蓝色）、蓝铁矿（蓝色）、磁铁矿（黑色）等
Fe2＋－Ti4＋/Fe3＋－Ti3＋：蓝晶石（蓝色）、蓝宝石（蓝色）
Mn2＋－Mn4＋/Mn3＋－Mn3＋：水锰矿（黑色）、方铁锰矿（黑色）
B．非金属－金属电荷转移
O2-－Cr6＋：铬铅矿（橙色）
O2-－V5＋：钒铅矿（橙色）
C．非金属－非金属电荷转移
S-3：青金石（蓝色）
π电子：石墨（黑色）
有机染料、琥珀（蜜黄色）、象牙（棕色）、珊瑚（红色、黑色）、珍珠（粉红色、绿色、蓝色、黑色）、煤晶（黑色）等等。
能带致色
能带理论讨论的不是单个离子、分子或孤立离子团，而是整个晶体中电子的运动。能带理论认为，固体中的电子不是束缚于某个原子，而是在整个固体内运动，运动的范围是在晶格周期性势场中，从而使电子轨道的空间展布超出了分子的范围，达到最大值。
依照能带理论，固体物质中可以有不同的能带。由已充满电子的原子轨道能级所形成的低能量能带，叫做满带（也称价带）；由未充满电子的能级所形成的高能量带，叫做空带（也称导带）。两能带之间的间隔叫做“带隙”或“禁区”。
对于某些宝石，其电子可接受光能在价带和导带之间运动，形成“内带跃迁”。这种跃迁的可能性，与价带和导带之间的能量差，即带隙能（Eg）密切相关。带隙能的不同，可以使宝石吸收不同的光能，若吸收了部分可见光，则可使宝石产生颜色。
能带跃迁引起的颜色
导体（金属颜色和金属光泽）
元素：铜、金、铁、银、汞等等合金：汞齐、铱锇矿、陨镍铁
半导体
窄带隙：不透明灰至黑色：蹄铅矿、方铅矿，不透明金属色：辉砷钴矿、白铁矿、黄铁矿、砷钴矿中等带隙：红色：辰砂、淡红银矿、深红银矿，橙色：雄黄黄色：硫镉矿、雌黄、硫磺宽带隙：无色：金刚石、闪锌矿
含杂质的宽带隙半导体
施主杂质：含氮金刚石（黄色）受主杂质：含硼金刚石（蓝色）物理光学致色
物理光学效应产生的颜色，是与电子对光的选择性吸收无关的一种颜色成因。它与宝石的化学组成和性质几乎无关，而是由于晶体结构或构造及内含物对光的色散、干涉、衍射、反射、散射等原因而形成的，只是一种光学效应。
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