晶體顏色的變化
98/06/05
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余樹楨｜
成功大學地球科學系教授
在《心經》中，有一句名言：「色不異空，空不異色；色既是空，空既是色。」有些世俗的解釋把它解說成「色欲是空的，不要沈迷。」其實，佛學對色與空的觀念，遠遠超越狹窄的色欲範圍。
「色」泛指日月星辰、山河大地，乃至於礦石晶體等無生命的世界，以及各種動物、植物等有生命的世界。因此，「色」代表的是人可以看得見的「物質」世界。相對地，「空」並非「無」。反而，「空」可以簡單地用物理的「能」來代表。雖然，我們都知道有電能、熱能、機械能、化學能等各種能的存在，但人卻看不見能。只因為人類看不見能，便把它說成空。因此，這裡的「空」並不是真的空無一物。「色既是空，空既是色」，也就可以解釋成「物質就是能量，能量就是物質。」這不也正是物理學中的 E = mC2 嗎？
今天的主題要借用「色就是空」來說明礦物晶體的各種顏色，其實，顏色也正是導源於能量的變化而呈現出來的現象。
紅寶石的紅色
礦物晶體的顏色可以分成自色（idiochromatic color）與他色（allochromatic color）兩類。比如說藍礬 （chalcanthite） 是含水硫酸銅結晶，化學式是 CuSO4．5H2O，它的藍色源自本身銅離子的顏色。又如橄欖石（olivine）的橄欖綠色，其實是來自它的化學組成中二價鐵離子的顏色。像這類礦物結晶的顏色導因於本身離子的顏色，我們把它稱作自色晶體。
至於他色，指的是礦物自身原本是無色的，只因為夾雜少許外來的雜質離子，而使礦物呈現各種顏色。紅寶石（ruby）正是典型的他色晶體。要了解紅寶石的紅色成因，得先介紹剛玉（corundum）。剛玉是氧化鋁的結晶，成分是 Al2O3，其中鋁原子或氧原子都不具有未填滿的 d 軌域電子，因此純氧化鋁是無色的礦物晶體。但是，如果剛玉含有少量鉻離子，原本無色的氧化鋁便成為紅色的剛玉，這種紅色的剛玉就是我們所稱的紅寶石。
紅寶石中的鉻離子是以取代鋁離子的形式出現，鉻取代鋁的晶格位置又為何會產生紅色的效應呢？原來鉻是過渡元素，具有未填滿的 d 電子軌域，在太陽光的照射下，低能階的 d 軌域電子便有機會從可見光中吸收適當的能量，躍升到高能階的位置，而吸收部分特定波長的可見光。可以穿透含鉻剛玉的主要光線是紅光及少許的藍光。
因為人的眼睛對紅光的靈敏度高於藍光，因此含鉻剛玉在沒有色盲的人看起來是紅色的，紅寶石的紅色其實含有藍光的成分。在寶石市場上，緬甸出產的鴿血色含鉻剛玉被認為是最優質的紅寶石。
祖母綠的綠色
祖母綠（emerald）一般也稱為綠寶石，在綠色系列寶石中，它的價位首屈一指。特別是南美洲哥倫比亞出產的祖母綠，更是享譽全球，早在西班牙統治的全盛時代，便源源不絕地輸往歐洲。即使在今天，寶石市場上的人造祖母綠，也都號稱是由哥倫比亞祖母綠原石合成而來的。
祖母綠的來源礦物是綠柱石（beryl），化學組成是 Be3Al2Si6O18（3BeO．Al2O3．6SiO2），它比剛玉多了氧化鈹及氧化矽。從組成元素鈹（Be）、鋁（Al）、矽（Si）及氧（O）來看，由於沒有呈現色彩的過渡元素，因此純的綠柱石原本應該是無色的。那麼為何 beryl 又譯成「綠」柱石呢？這是因為自然界的 beryl 多少會夾雜一些金屬雜質，形成 beryl 淡淡的綠色，因而譯為綠柱石。沒有外來雜質的純綠柱石的確是無色的，礦物書稱它是透綠柱石（goshenite）。
祖母綠的綠色十分高雅，廣受人們喜愛。它的綠色是綠柱石結構中的鋁離子被鉻離子取代所造成的。從含鉻綠柱石（就是祖母綠）的鉻離子吸收光譜來看，穿透祖母綠的可見光主要是藍綠光，以及少許紅色螢光。一般人對綠光的靈敏度又高於紅光，因此紅光隱藏在綠光中也造成祖母綠呈現的是高雅的綠色。
這時候，讀者心中一定會浮出一個問題。奇怪！剛剛說鉻取代剛玉中的鋁，形成紅色紅寶石；現在又說鉻取代綠柱石中的鋁，形成綠色的祖母綠。有沒有搞錯啊？答案是一點也沒錯。這就是本文主題「色就是空」的所在。
同樣是鉻離子的吸收效應，為什麼在剛玉與綠柱石中會出現如此明顯的差異？這得從晶體結構的不同來說明。原來剛玉中的 Al-O 鍵比綠柱石中 Al-O 鍵的鍵距略短，也就是鍵能略微大了一些。雖然，鍵距的差異不算很大，卻造成十分明顯的鍵能差異，使得兩者的吸收光譜不同。舉例來說，如果鍵能差異是 1.77 eV，等於是呈現出 700 nm 的紅光；但是當鍵能的差異是 3.1 eV 時，呈現的卻是 400 nm 的紫光。
一般來說，d 軌域的能階差大約在 2 ~ 3 eV 左右。因此，紅寶石以放射紅光為主，祖母綠則以放射綠光為主。所以說，顏色其實是電子躍遷時所產生吸收能階的差異，因而形成的一個物理現象而已。
祖母綠的照妖鏡
英國契爾西理工學院（Chelsea College of Science and Technology）的兩位教授（B.W. Anderson 及 C.J. Payne）設計了一種過濾鏡片（color filter），又稱作契爾西濾鏡（Chelsea filter）。它是一種只容許 690 nm 的紅光及 570 nm 的黃綠光通過，而會吸收其他所有可見光的過濾鏡片。
當白光照射祖母綠真品時，會放出綠光及紅光。但是，通過契爾西濾鏡的吸收作用後，只有紅光可以通過，而大部分的綠光會被吸收。因此，在契爾西濾鏡下，祖母綠呈現紅色。然而一般的祖母綠仿冒品在白光照射下，只發射綠光，而沒有紅光，因此在契爾西濾鏡下沒有紅色反應。
在西元 1934 年，當它首次被推出以後，廣受人們歡迎。因為祖母綠在陽光下是綠色的寶石，可是在契爾西濾鏡下卻呈現紅色。相對於當時的一般祖母綠仿冒品，在契爾西濾鏡下毫無紅光反應，因此契爾西濾鏡一時成為祖母綠真品與仿冒品的鑑別利器，也被稱作祖母綠濾鏡（emerald filter）。
當然，由於仿冒技術日新月異，今天也出現不少仿冒祖母綠的綠色寶石，一樣會發出紅色螢光，因此這個照妖鏡已經不像上一世紀那樣地風靡有效。不過，契爾西濾鏡仍然可以應用在翡翠的染色鑑定上。原來翡翠的翠綠色是可以用有機染料浸染而成的，巧的是這些有機染料也會發出紅色螢光，因此在契爾西濾鏡下，翡翠如果出現紅色斑點，便表示它是經過人工染色的產品。
變石的紅綠變化
金綠寶石（chrysoberyl）是鈹、鋁氧化物的結晶，化學成分是 BeAl2O4（BeO．Al2O3），比剛玉多了氧化鈹，比起綠柱石，則少了氧化矽。金綠寶石比較特殊的地方，是當它含有鉻雜質時，會出現變色（Alexandrite effect）的光學效應。
這種含鉻的金綠寶石又稱為亞歷山大石（alexandrite）。據說在西元 1833 年，當這種變色寶石首度在蘇俄烏拉山發現時，正好是俄國沙皇亞歷山大二世（Czar Alexander II）的生日，因而把它命名為亞歷山大石。在臺灣，比較常把它翻譯成「變石」，意思是指它的變色特性。
亞歷山大石的變色特性，是在陽光下呈現綠色，在鎢絲燈或油燈下，卻呈現紅色。也就是說，在白天，亞歷山大石是一顆綠色寶石，到了晚上，它卻變成一顆紅色寶石。在 19 世紀尚未有日光燈以前，這是個很奇特的變色現象，也是變石變色的由來。
當然，今天在吸收光譜分析下，了解到鉻離子在剛玉結構中，紅光發射比較強勢。同時，在綠柱石結構中，綠光較強勢。巧合是鉻離子在金綠寶石中一樣取代鋁離子，卻同時發出紅光與綠光，而且兩者勢均力敵，強度不相上下。也就是說，它的吸收光譜介於紅寶石與祖母綠之間。
它造成的光學效果，就是在白天的陽光照射下，由於太陽光譜以綠光黃光附近波長的強度最大，變石因而呈現綠色。相對地，在夜晚的白熾燈照射下，因為鎢絲的溫度大約只有攝氏 3,000 度，比不上太陽表面的接近攝氏 6,000 度。也就是說，鎢絲燈的光譜集中在波長較長的紅光附近，綠光波段則十分微弱，因此變石在這時會呈現紅色。其實，這種所謂的變色效應，是光源不同所造成的顏色變化。物質本來就沒有特定的顏色，而是隨著周圍環境的變化，使人感受不同的顏色。的確，色就是空。
人類看到的多采多姿的世界，不外乎是光源、物體與人類視覺系統綜合作用的結果。
想像多年以後的一個暑假，你滿懷興奮的心情搭乘學校的太空船，飛往天狼星的Ｘ行星，參加雙方姊妹校的交誼研習營。你帶著一顆優質的緬甸紅寶石，準備當作與Ｘ行星姊妹校同學的交換禮物。然而，當你打開禮盒時，大吃一驚地發現帶來的紅寶石居然變成藍寶石。其實，這時你不必覺得太奇怪，因為Ｘ行星上的陽光是來自表面溫度高達攝氏 10,000 度的天狼星，它的光譜幾乎被藍光獨占。當然，來自地球同學們原有的紅潤臉頰也不知何時消失不見了。
