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晶體顏色的變化

98/06/05 瀏覽次數 40862
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。
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