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Verursacht wird die gelbe Färbung des Citrins durch zwei verschiedene Mechanismen:

Eisenhaltige Citrine werden durch submikroskopische Einschlüsse von Eisenoxid oder Eisenhydroxid gefärbt. Diese Eisenoxidpartikel haben eine Größe von ca. 100 nm, absorbieren Licht im violetten bis blauen Bereich des Spektrums und färben so den Citrin gelb bis braun orange.

Der zweite farbgebende Prozess ist bislang nicht in allen Details geklärt und ähnelt den Farbzentren im Rauchquarz. Quarze, die Spuren von Aluminium (Al³⁺) sowie Lithium oder Wasserstoff (Li⁺, H⁺) enthalten, können durch Bestrahlung grünlich-gelb gefärbt werden. Farbgebend sind bei diesen Citrinen Gitterdefekte, bei denen Aluminium (Al³⁺) auf die Gitterposition des Siliziums eingebaut worden ist und Lithium (Li⁺) oder Wasserstoff (H⁺) in einen der benachbarten Zwischengitterplätze, beispielsweise in den sechsseitigen Kanälen der Quarzstruktur. Durch radioaktive Bestrahlung kann anschließend ein Sauerstoffatom aus der Umgebung des Aluminiumions ein Elektron verlieren. Das daraus resultierende Sauerstoffion mit einem ungepaarten Elektron (Elektronenloch) absorbiert Licht im ultravioletten Bereich des Spektrums und färbt den Quarz gelb.

Je nach Ursache und Zustandekommen ihrer Färbung werden im wesentlichen fünf Typen von Citrin unterschieden:

1. Natürliche, eisenhaltige gelb-orange farbige Citrine: Sie kommen als Citrin-Zonen in Amethysten vor oder als Citrin- Sektoren im Ametrin. Farbgebend sind Entmischungen submikroskopischer Eisenhydroxidpartikel.
   
2. Gebrannte, gelbe bis orange-braune Amethyste: Amethyste vieler Lokalitäten (Brasilien, Uruguay, Namibia, Tansania und andere) verlieren beim Erhitzen auf 300 bis 560 °C ihre violette Farbe und färben sich orange-gelb bis braun. Farbgebend sind wiederum submikroskopische Entmischungen von Eisenoxid.
   
3. Synthetische, eisenhaltige Quarze: Gelbe bis braune Citrine können hydrothermal gezüchtet werden. Farbgebend ist auch hier Eisen, das zum Beispiel aus dem umgebenden Stahl der Hydrothermalapparatur stammt. Färbend wirken submikroskopische Eisenoxideinschlüsse, Einbau von Fe³⁺ in tetraedrisch von Sauerstoff umgebenen Gitterpositionen und Einbau von Fe²⁺ in oktaedrisch von Sauerstoff umgebenen Zwischengitterplätzen in den sechsseitigen Kanälen der Quarzstruktur.
   
4. Durch Bestrahlung gelb gefärbter Quarze: Aluminiumhaltige Quarze können durch Bestrahlung gelb gefärbt werden. Dies kann natürlich im Gestein erfolgen oder künstlich im Labor. Quelle der radioaktiven Strahlung in der Natur ist das 40K-Isotop sowie Uran und Thorium im umgebenden Gestein. Gleichartig gefärbte Quarze können auch aus Rauchquarz durch Tempern bei 300 °C erzeugt werden. Farbgebend sind in beiden Fällen Elektronendefekte an Sauerstoffen.
   
5. Grünlich-gelbe Bestrahlungsfärbung: Auch sie entsteht durch Bestrahlung natürlicher Quarze, Tempern von Rauchquarz bei 150 bis 250 °C oder einer Kombination beider Prozesse. Sie unterscheiden sich spektroskopisch von den durch Bestrahlung gelb gefärbten Quarzen durch eine zusätzliche Absorbtionsbande im violetten Bereich des Spektrums (bei ca. 400 nm). Farbgebend sind hier Elektronenlöcher an Al³⁺ - Li⁺ - Defekten.