水晶的色彩探密
97/12/05
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余樹楨｜
成功大學地球科學系教授
記得多年前帶學生到臺灣東部野外考察，一位同學在瑞穗山區發現水晶，十分興奮，但也很納悶地問我為什麼山上沒有水卻可以找到水晶。這個問題和「水晶」中的「水」字有關。原來和水晶相關的英文字是 rock crystal，其中 crystal 源自希臘文「krystallo」，指的是在奧林匹斯山發現，由水固化而成，且永不融化的晶體。
當然今天我們知道水晶其實和水沒有太多的關聯，從礦物學或寶石學的角度來看，水晶泛指結晶完美、無色透明的「石英」（quartz）晶體。石英在清朝末年的中文文獻中稱為「科子」，就是 quartz 的音譯。石英的化學組成是 SiO2，是二氧化矽礦物系列中最常見的結晶，也是火成岩、沉積岩及變質岩中十分重要的礦物。
石英與水晶
一般石英不能成為水晶，主要是內部有微細的孔洞或裂隙瑕疵。這些生長缺陷有時只是空孔，但有時被 H2O，CO2 等流體充填，不過都十分微小，一般在微米（10−6 米）到奈米（10−9 米）的尺度之間，因此肉眼無法觀察到。
不過當波長 700 奈米（紅光）到 400 奈米（紫光）之間的可見光照射這種石英晶體時，光線在石英晶體內部散射，而無法直接折射出來，因此人們看到的是乳白色的不透明石英晶體。但是如果石英內部的瑕疵含量甚低，或甚至沒有任何瑕疵，光線便容易經由折射而穿透石英晶體，這種結晶完美、無色透明的石英就是所謂的水晶。
可見光進入不透明的乳白色石英和進入水晶之間的不同，有點類似毛玻璃和透明玻璃對光線的差別效應，不同的是石英的瑕疵大部分在晶體內部，而毛玻璃的在表面。光線從不同角度照射透明玻璃，由於透明玻璃表面光滑毫無瑕疵，結果都可完整地穿透。可是當光線從不同角度照射毛玻璃時，穿透光在瑕疵表面的影響下不再平行，而且互相干擾。因此隔著透明玻璃可以清晰地看到窗外景色，但透過毛玻璃，窗外景物就變得模糊不清了。
水晶球與玻璃球
吉普賽人和印地安人認為水晶是人類和大自然溝通的最重要橋梁，吉普賽人透過水晶球可以預知一個人的未來運勢，但是透過玻璃球便無法看到一個人的未來命運。水晶球就是天然水晶經過人工研磨拋光而成的球形水晶，而玻璃球只是人工合成的球狀玻璃。
多年前一位市民想買水晶球供養佛菩薩，跑來問筆者如何區分水晶球和玻璃球。他買的是廉價的玻璃球，那顆玻璃球用肉眼便可以看到厘米尺度的氣泡，氣泡是玻璃的典型特徵之一。筆者用天秤稱重（M），再量球體的半徑（r），得到體積 V =（4/3）πr3，從而算出玻璃球的密度（M/V）是 2.40 g/cm3。玻璃的主要成分也是二氧化矽，但是內部組成原子排列不規則，形成所謂的「非晶質」物質，密度會比原子排列整齊規則的石英結晶體略低一些，如果含有氣泡，密度會更低。
筆者告訴他天然水晶是瑕疵甚低或無瑕疵的石英，密度是 2.65 g/cm3，他買的確定不是水晶球。同時跟他說明，供養佛菩薩是出於一片誠摯的心，佛菩薩不會介意是水晶球或玻璃球，他才釋然離去。順便值得一提的是，由於玻璃球的密度小於水晶球，因此除了鉛玻璃，一般玻璃球的折射率也略小於水晶球。大體而言，用折射率較高的晶體琢磨出來的寶石，也比較璀璨亮麗。
水晶玻璃
玻璃和水晶很容易經由氣泡的有無、密度的大小、折射率的大小、以及雙折射的有無區分出來，不過由於材料科技的日新月異，市面上出現一種稱為水晶玻璃的商品。又是水晶，又是玻璃，名稱蠻令人迷惑的。
所謂水晶玻璃，大部分是人工合成的含鉛玻璃。加入原子量大的鉛元素，主要目的在於增加玻璃的密度。一般而言，結構相同的物質，密度越大折射率也越高。因此鉛玻璃的密度不僅接近天然水晶，甚至超越天然水晶，折射率也比天然水晶大一些，折光效果令人驚豔，氣泡也不易發現，須利用偏光鏡從雙折射的出現與否加以分辨和確認。
任何電磁波在真空中的速率（c）除以在一種物體中的速率（v），就是該物體的折射率（n = c/v）。屬於非晶質的玻璃和屬於等軸晶系的晶體，都是均方性物質（isotropic materials），具有單一折射率。也就是說當光線進入玻璃時，不管任何方向折射率都是一樣的，在玻璃內任何方向的光速也都是一樣的，透過均方性物質看物體，只能觀察到單一影像。
石英是六方晶系結晶，屬於異方性物質（anisotropic materials），具有兩個折射率，分別是 1.544 和 1.553。光線進入石英晶體時，在光軸以外的方向，可以觀察到物體的雙影像。我們可以利用這種雙折射的特性來區分水晶和玻璃。最簡單的方法是在白紙上劃一條線或寫一個字，透過玻璃只能看到一條線或一個字，透過水晶卻可以看到線條成雙或字體成雙的現象。
紫水晶
水晶原本是無色透明的石英結晶，不過在天然水晶形成的過程中，由於天然環境條件比實驗室人工晶體培育時的化學條件複雜得多，常會有一些雜質進入水晶結構中。水晶原是二氧化矽以矽氧四面體（SiO4 ）為基本單元的結晶，每一個正四價的矽離子（Si4+）和 4 個負二價的氧離子（O2−）鍵結組成一個矽氧四面體，矽氧四面體之間以共用氧離子的關係相連形成水晶的結構。
如果在石英晶體的生長過程中，有鐵元素進入水晶的結構中，也就是有正三價的鐵離子（Fe3+）取代 Si4+ 離子時，由於鐵離子比矽離子少了一個正價，因此 Fe3+－O2− 之間的吸引力（鍵結能力或鍵結強度）小於 Si4+－O2− 之間的吸引力。如果又正好有外來助緣，比如說天然輻射線存在而照射到這個水晶時，和鐵雜質鍵結的氧離子外圍的電子，便有機會在外來輻射能量的助力下逃脫鐵－氧的引力場。
少了一個電子的氧離子，也就是形成一個電洞（electron hole）的氧離子，由於外圍電子軌域中只剩下一個未配對的電子會吸收長波可見光而成為激態，呈現出紫光、藍光波段的短波可見光，而成為紫水晶（amethyst）。由於逸脫的電子不會跑得很遠，多半仍停留在附近，因此紫水晶若經過太陽光長久照射或加熱之後，部分逃脫的電子會回到原來的電洞位置，造成紫水晶的紫色色調變淡。這就是我們常說的，佩戴紫水晶飾品時不宜做日光浴的主要原因。
目前人工合成紫水晶的方法，是在培育石英晶體時加入少量鐵離子（比如用 FeCl3），生成含微量鐵雜質的水晶。這時尚不會有紫色出現，必須使用Ｘ射線或 γ 射線照射方能產生紫色的水晶。自然界的輻射劑量雖然很低，但是由於經過千百萬年的地質時間累積，一樣可以形成美麗動人的天然紫水晶。火成岩體內包含許多放射性元素，像是鈾、釷、鐳、銣、鍶、乃至於鉀，都是天然輻射線的重要來源。
煙水晶
煙水晶（smoky quartz）也稱為墨水晶或茶晶，主要是指顏色從棕色到黑色的水晶。煙水晶的成色原理和紫水晶類似，也是電洞色心（electron hole color center）成色，不過雜質原子不是鐵而是鋁。正三價的鐵離子或鋁離子取代四價矽離子時，常會伴隨一個 H+ 離子或一個正價的鹼金屬離子，如 Na+、K+ 等，以平衡電價。和鋁離子鍵結的氧離子，在外加輻射能的助緣之下，一樣會產生一個電洞，留下一個未配對電子可吸收可見光而成為激態的狀態。
不同於鐵雜質的是，這時的電子軌域中剩下的一個未配對電子，可以吸收大部分的可見光波段，因此這種水晶看起來是黑的，而稱為煙水晶。如果色調較淺時，看起來比較接近棕色，市面上稱為茶晶。
黃水晶
水晶成為黃色，主要也是三價鐵雜質造成的。不過和紫水晶不同的是，黃水晶（citrine）的色澤和電洞無關，而是鐵雜質的顏色。學化學時，我們知道二價鐵離子呈現綠色，而三價鐵離子呈現黃色，黃水晶的黃色就是三價鐵離子的顏色。如果把紫水晶以人工方法加熱，改變鐵離子的電洞成色結構，紫水晶就轉變成黃水晶。天然黃水晶常常和紫水晶產在同一個地區，一般認為這些黃水晶其實是紫水晶受到地熱或附近火成岩體，乃至於岩漿的熱力作用而形成的。
紫水晶之所以被人工加熱成為黃水晶，除了天然黃水晶並不多見，價格較高之外，另一個重要原因是這種黃水晶常被用來冒充黃玉（topaz）。黃玉也稱黃精，化學組成是 Al2SiO4(OH,F)2，是一種呈現優雅酒黃色的高檔寶石，售價遠遠超越黃水晶。分辨黃玉和黃水晶並不難，主要在於黃玉具有較大的密度 3.4 ~ 3.6 g/cm3，以及較高的折射率 1.618 ~ 1.627。
玫瑰水晶
玫瑰水晶（rose quartz）也稱為薔薇水晶、芙蓉晶或粉晶，玫瑰色或粉紅色水晶的成色機制，比較不像紫水晶、墨水晶那樣已被科學家研究清楚。目前知道是由一種含 Fe－Ti 元素的奈米級纖維狀礦物質雜質所引起的，這類雜質礦物實在太過微小，目前尚未能確切鑑定出它的種屬名稱。
水晶可以說是完美無瑕的石英晶體，人人喜愛。有人問水晶的價格為何遠遠不及鑽石？當然物以稀為貴是亙古不變的決定因素。水晶的產量的確十分豐富，巴西的水晶是以噸計價的，臺灣的水晶市場也多以公斤做為計價單位，不像鑽石用克拉來計算。
一件有趣的事情是，人們擔心人造鑽石的大量出現會影響天然鑽石的未來市場價格。但是天然水晶市場，卻完全不受人工水晶的影響。目前人造水晶廣泛應用於工業界：時鐘、手表等計時器使用石英振盪器，通訊器材中的頻率控制器也是用人造水晶，乃至於電腦、電動玩具都須使用人工石英晶體。其實人工培育水晶的物理、化學條件容易掌控，就晶體的純淨度、瑕疵度而言，人造水晶比絕大部分的天然水晶好很多。只是目前人工培育的水晶僅滿足了廣大的工業應用需求，尚未進入寶石市場。
