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礦物科技:七彩寶石的祕密

商店櫥窗裡琳琅滿目的寶石總是吸引著人們的目光,特有的顏色與光澤更是它們珍貴的原因。每種礦物都有獨特的色彩,我們可以從顏色來窺探它們的身世,以及其神祕的內在世界。
 
 
 
歷史上有許多纏綿動人的傳說,如愛江山更愛美人的溫莎公爵以祖母綠寶石做為辛普森夫人的定情信物,鐵達尼號上蘿絲佩戴的湛藍寶石見證了勇氣和愛情的堅定,在在都讓寶石被賦予了諸多的浪漫與魔力。

到底這些結構與一般礦石類同,卻擁有撼動人心獨特色彩的七彩寶石,它們懾人的顏色來自何處?就讓我們一起窺探這七彩寶石的祕密吧!

色彩理論基礎

顏色是由不同波長的光綜合而成的結果,由於人類眼睛有3種感光細胞分別對於紅、綠、藍3種顏色的光最為敏感,因此感受到的顏色便可由這三原色疊加而成。

當光束中含有等量的紅、綠、藍三原色光時,就會看到白光。若三原色光中缺少了某一色光,顏色便會變化。例如缺少了藍光,剩餘的綠光與紅光加在一起便形成黃色光;若光線中僅有藍光與綠光,就會看到青色。

消失的光線

當白光照射進礦物晶體時,如果某個波段的光線被吸收了,當這道光反射或投射入眼中時便缺少了被吸收的那一部分,根據顏色疊加原理,不同顏色的光便因此產生。

在很多彩色礦物中,顏色的形成都是由「吸收現象」所造成的,如坊間常見的紅寶石、藍寶石。其實它們的本質都是剛玉—氧化鋁,為什麼顏色完全不同呢?關鍵就在於被吸收的光不同。而礦物晶體的光吸收現象中,有一個最重要的角色—電子。

藍寶石其實就是大自然中常見的礦物—氧化鋁,也就是剛玉。一般的剛玉是無色透明的堅硬礦物,但當剛玉中摻雜了很少量的鐵、鈦等雜質時,由於鐵離子有不穩定的外層電子,它們很容易轉移至鈦離子上。而鐵→鈦這樣的電子移動正好會消耗藍光以外的大部分可見光,以致經過這樣的吸收作用之後,只剩下藍色。

晶場效應

紅寶石與藍寶石的本質同是氧化鋁,為什麼它們有如此大的顏色差異呢?這是因為兩者含有不同類型的離子雜質。在大自然中,鉻與鋁是好朋友,經常同時出現,而地殼中鉻的含量卻比鋁少很多,因此在氧化鋁中,鉻通常只能擔任小配角,但它卻是比主角還搶眼的「最佳配角」。

鉻離子在紅寶石中的吸收現象,與藍寶石中鐵→鈦原子間電子移動的模式很不一樣,而是原子內的移動。鉻是過渡金屬,電子在過渡金屬內的活動比其他類型的元素還自由、有彈性,這是因為它們或多或少都有一些未成對電子填充在d層電子軌域上。

若把原子想像成太陽系,其中原子核(帶正電荷)是太陽,而電子就像行星一樣圍繞著原子核公轉。最靠近原子核的電子受到的吸引力最強,而位於最外層的電子不僅受到原子核的束縛力最小,甚至還會一不小心就受到原子外力量的影響而偏移。

當過渡金屬的周遭有其他陰離子環繞時,d軌域電子會因為受到周圍離子的吸引而使得d軌域的能階分裂,能階分裂的程度與過渡金屬和陰離子的距離有關,這樣的能階分裂現象稱為「晶場效應」。當電子在這個分裂的d軌域上轉移時,另一種類型的吸收現象便發生了。

當鉻離子取代氧化鋁結構中的鋁離子時,d軌域分裂後的高低能階差正好落在藍紫光與黃光這兩個波段的能量範圍,在光吸收作用之後,便呈現火焰般的鮮紅色澤。有趣的是,在綠柱石中當鉻離子取代鋁離子時,因為綠柱石的晶體結構與氧化鋁相當不同,在不同的晶場效應下,鉻在綠柱石中吸收的波段變成藍、紅光,因此最後變成了鮮艷的翠綠色,這就是俗稱的「祖母綠」。

美麗的錯誤

礦物是在大自然中生成的,需要經過很長的時間才能成長為夠大的晶體。然而在生長過程中難免會遇到一些狀況,使得晶體內部出現一些不完美的缺陷。有時候,大自然的缺陷反而是種美麗的錯誤,造就了寶石特別漂亮的顏色。

在礦物中,當離子被不同價數的他種離子取代時,陰陽離子間的電性平衡就會受到破壞。這時,礦物通常會強迫增加或減少結構內的電子,以便回到電中性的狀態,紫水晶便是這樣的例子。水晶的成分是二氧化矽,也是大自然中含量最豐富的礦物。當二氧化矽在自然環境中緩慢結晶時,會形成無色透明的六角柱狀結晶。但如果生長過程中不小心夾雜三價鐵離子(Fe3+),水晶就會從無色透明變成美麗的淡紫色。

淡紫色的形成是因為帶有四價正電的矽被帶著三價正電的鐵離子取代,使得電價出現失衡。這時帶有二價負電的氧離子會犧牲自己,釋放一個電子,以達到電性中和。當氧離子失去一個電子時,會留下一個電子空洞,稱為「電洞」。剩餘的另一個電子會受到電洞影響,變成較不穩定的電子,若接收到適當的能量,就會被激發到較高的能階上。由於吸收現象是由電洞造成的,因此稱它是「色心」。

受到鐵離子介入所形成的電洞,會吸收波長較長的可見光,只剩下波長較短的紫色光未被吸收。如果電洞是因鋁離子(Al3+)的取代所造成的,電子的躍遷就會變成吸收大部分的可見光,使得水晶的顏色變成黑色,這就是常見的煙水晶。若電洞的數量較少,光的吸收量也會變少,這時整體顏色看起來就接近棕色,因此稱作「茶晶」。

傳說中的夜明珠

你是否曾聽說過有些礦石會在夜晚自然散發出亮光,就像傳說中的夜明珠?事實上,有些礦物確實具有自然發光的特性,這與前面所描述的吸收現象其實有緊密的關係。

當電子從低能階跳躍至較高能階時,會吸收特定能量的光而形成顏色。有時候,這些受到激發的電子有機會返回原先的低能階位置。一旦這樣的狀況發生了,電子會把先前吸收的能量釋放出來。這些能量有時會以熱能的形式消耗掉,也有時會以光的方式釋出,就是「螢光效應」。

當電子受到激發時,它在激發態停留的時間通常很短,可能僅停留幾微秒(0.000001秒)就會掉回低能態,同時釋放出螢光,因此我們看不出光的吸收與螢光反應的時間差,LED燈便是這種例子。但若電子是被激發到某個半穩定的位置上,可能會停留長至數分鐘,甚至數小時才回到低能態,這樣的現象稱為「磷光」。手表或時鐘在白天吸收了日光,直到夜晚仍可以釋出磷光的現象就是這樣的機制,傳說中的夜明珠也是如此。

值得一提的是,並不是所有的吸收現象都會帶來螢光表現,這取決於受到激發的電子是否有機會返回原先的基態。也因此,在數以百千計的礦物中,具螢光性質的只有數十種,其中矽鋅礦就是很典型的螢光礦物。當礦內的錳離子吸收了紫外光的能量後,便會發射出強烈的綠色螢光。

「螢石」是最早被發現具有螢光的礦物,其名稱就是據此而來。螢石的螢光現象主要來自與螢石共生的稀土元素。稀土元素是鼎鼎有名的發光元素,有著「工業之母」的稱號,在許多科技產品中,如LED、彩色螢幕、雷射、觸媒轉換器等之中,都可發現它們的蹤跡。應用之所以如此廣泛,得歸功於它們獨特的電子組態。

在稀土元素中,有些電子會被擠進一個封閉的電子軌域內,也就是f軌域。這軌域能量較低,位於原子的較內層,外層有較高能量的d軌域保護著。當f軌域的電子吸收能量後,會躍遷至外層的d軌域,但無法跑遠,最終還是回到f軌域上,並把先前吸收的能量以螢光的形式釋放出來。

這樣的電子躍遷模式,可以說是發生在茶壺內的風暴。因為能量的吸收與釋放過程十分穩定,較不受外在環境的影響,所以會放出固定波長的螢光,這就是稀土元素受到高科技產品重視的最主要原因。

美麗天然的礦石是大自然賜予我們的禮物,而光彩奪目的顏色更是它們珍貴且吸引人的特點。從寶石多采多姿的色彩變化中,我們看到的不僅是它們深具魅力的外表,更多的是美麗背後代表的意義。即使是不完美的雜質介入,甚至是結構缺陷的存在,都可能是導致礦物美麗外表的關鍵因素。下回當你見到七彩寶石時,不妨停下腳步給它一個會心的微笑,因為你已經知道它的祕密了。
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