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奇妙的礦物世界:螢光礦物

在自然界中孕育出許許多多各式各樣、色彩繽紛的礦物,為我們所居住的大地彩繪得更加亮麗。在眾多的礦物種類里,色彩多變的螢光礦物總是那麼引人側目與好奇。何謂螢光礦物?

在19世紀初期,史托克斯(George Stokes)便曾記載,當螢石(Fluorite)受到太陽光照射時,便會發出一種藍色的光芒,他將此種會發光的現象稱之為螢光(Fluorescence)。事實上,自然界中具有螢光特性的礦物並不局限於螢石一種。當我們用紫外線或X射線照射時,有些礦物也會散發出不同的色彩,而且射源能量不同,部分礦物所呈現的顏色也會改變。到底螢光是如何產生的?常見的螢光礦物又有哪些?這是本篇所要介紹的重點。

欲揭開螢光礦物的神秘面紗,首先必需由組成礦物的基本結構談起。我們深知構成物質最基本的單元是原子,而原子是由原子核和環繞外圍的電子所組成。通常電子所繞行的軌域可分為數層,每層都有固定的能階,而且離原子核愈遠,能階愈高。

螢光礦物通常含有過渡性元素,其原子中的電子受到如紫外線等高能量照射時會吸收能量,並從低能階軌域(基態)躍升到高能階軌域(激發態)。由於處在激發態的電子極不穩定,因此,電子很快會移回到原有軌域,並釋放出能量。因為從基態至激發態過程中部分能量轉換為熱能而消耗,所以電子從高能階軌域折回低能階軌域所釋出的能量,其波長較原入射的紫外線為長。如果波長剛好落在可見光的範圍內,那麼,該礦物就會發出肉眼看得見的色光,是為螢光(圖1);而具有這種特性的礦物,我們稱之為螢光礦物。

一般的螢光礦物,在激發光源撤除後,發光會立即停止。但是有些礦物在激發光源撤除後,發光尚能維持一段時間,我們稱它為磷光。有些礦物發出的磷光僅能維持數秒鐘,有的則可持續一段很長的時間。常見的螢光礦物 世界各地所產重要的螢光礦物約有四、五十種之多,限於篇幅,無法一一介紹。本文僅將常見的幾種,敘述如後,以供參考:

(1)方解石(Calcite)是最普通的一種螢光礦物。螢光的色彩涵蓋彩虹中所有的顏色,其中以含錳元素所展現的紅色或粉紅色最為常見(圖2)。美國德州Terlingua地區水銀礦內所產的方解石,在紫外線短波段(100-3000A)下呈現藍色或紫色的磷光;而在紫外線長波段(3000-4000A)下則顯現出亮麗的粉紅色螢光,最具特色。

(2)矽鋅礦(Willemite)是一種重要的鋅礦來源。在美國紐澤西州Franklin地區的鋅礦礦區中,矽鋅礦具有最明亮而耀眼的螢光,極富盛名。其螢光多呈綠或黃綠色(圖2),少數標本呈現黃色。

(3)白鎢礦(Scheelite)的螢光顏色會隨鉬含量多寡而改變。在紫外線短波段下,若質純時,呈現之螢光為藍白色;含少量鉬元素時,變為白色;鉬含量增多,則轉為黃色。白鎢礦是一種極富經濟價值的「鎢」的重要來源。因鎢耐高溫且不易熔化,所以廣泛被應用在燈泡的鎢絲方面,另外,在製造高速切割工具上,也是一項重要的成分。因白鎢礦的外觀多呈白、乳黃或灰色,在岩石中與其他礦物甚難分辨,因此,在第二次世界大戰鎢礦短缺之際,美國為尋找鎢礦礦源,便利用紫外線在美西一帶從事白鎢礦的探勘工作。

(4)螢石可做為煉鋼的助熔劑,系最為人知的一種螢光礦物。事實上,螢光一詞乃源自螢石這種礦物。藍色是最普遍的一種螢光色彩,尤其是在紫外線長波段照射下,藍色螢光特別顯眼。另外,有些標本也會呈現白色或乳黃色的螢光。

美國紐澤西州Franklin地區較知名的螢光礦物包括磷灰石(Apatite)、霰石(Aragonite)、斧石(Axinite)、方解石、剛玉(Corundum)、透輝石(Diopside)、螢石、水鋅礦(Hydrozincite)、閃鋅礦(Sphalerite)、矽鋅礦、矽灰石(Wollastonite)等二十餘種,不但種類多,而且許多礦物具有鮮艷亮麗的螢光色彩,繽紛的螢光世界,著實令人嚮往。 您想目睹螢光礦物如何變臉嗎?變臉之後是呈紅色?黃色?還是綠色?本館地球環境廳地下樓「大地的結晶——礦物展示」中的「螢光」單元,陳列了6件內含方解石、矽鋅礦、水砷鋅礦(Adamite)等具螢光特性的標本,值得您一探究竟。

圖解:

1.白鉛礦 Cerussite(黃色螢光)+重晶石 Baryte– Mibladen, Morocco

2.方柱石 Scapolite(黃色螢光)- Greenvile, Ontario, Canada

3.鋅黃長石 Hardystonit(藍色螢光),方解石(紅色螢光),矽鋅礦 Willemite(綠色螢光)- Franklin, New Jersey,USA

4.白雲石Dolomite–Langban,Filipstad,Sweden

5.水砷鋅礦 Adamite– Ojuela Mine, Mapimi, Mexico

6.白鎢礦 Scheelite(藍色螢光)-產地不詳

7.瑪瑙晶洞 Dugway Geodes(綠色螢光)- Utah, USA

8.透閃石 Tremolite– Balmat, New York, USA

9. Esperit(黃色螢光),矽鋅礦 Willemite(綠色螢光)- Franklin, New Jersey, USA

10.白雲石 Dolomite– Langban, Filipstad, Sweden

11.螢石,方解石– Urberg, St. Blasien,黑森林

12.方解石– Capnic, Romania

13.流紋岩 Rhyolite–產地不詳

14.白雲石 Dolomite– Langban/Jakobsberg, Filipstad, Sweden

15.矽鋅礦 Willemite(綠色螢光),方解石(紅色螢光),鋅鐵尖晶石 Franklinite,薔薇輝石 Rhodonite– Franklin, New Jersey, USA

16.鋰霞石 Eucryptite– Bikita, Zimbabwe

17.方解石– Schwabische Alb

18. Septarian結核,方解石 Calcite(淺藍色螢光)- Zion National Park, Utah, USA

19.螢石– Upper Weirdale, Durham Co., England

20.方解石(紅色螢光)+綠色螢光礦物– Jakobsberg, Nordmark, Filipstad, Sweden

21.方解石,白雲石– Iglesiente, Sardinia

22.鐘乳石 Dripstones– Lykia, Turkey

23.白鎢礦 Scheelite

24.文石 Aragonite– Agrigenti, Sicily

25.藍錐礦 Benitoite– San Benito, California, USA

26.水晶 Quartz aus Schneekopfkugel– Thuringer Wald

27.白雲石 Dolomite,鐵礦石 Iron Ore– Langban, Filipstad, Sweden

28.未知礦物(黃色螢光)

29.人造剛玉 Synthetic Corundum

30. Powellite– India

31. Hyalite(Glasopal)- Hungary

32. Vlasovit(黃色螢光)in Eudyalit– Kipawa, Villedieu, Quebec, Canda

33. Doppelspat– Creel, Mexico

34.錳方解 Mangano Calcite– Langban, Filipstad, Sweden

35. Clinohydrit,Hardystonit,矽鋅礦 Willemite,方解石– Franklin, New Jersey, USA

36.方解石– Urberg, St. Blasien,黑森林

37.磷灰石 Apatite,透輝石 Diopside– USA

38.白雲石 Dolomite– Langban, Filipstad, Sweden

39.螢石– Upper Weirdale, Durham Co., England

40.錳方解 Mangano Calcite– Peru

41. Galmei auf Zinkblende in Ganggestein–「Gnade Gottes」, Schulenberg, Harz

42.藍色螢光礦物/黃色螢光礦物– Langban, Filipstad, Sweden

43. Glasopal–產地不詳

44.石膏 Gypsum– Klein-Steinbke, Konigslutter, Elm

45.白雲石?Dolomitgangart– Langban, Filipstad, Sweden

46.玉髓 Chalcedon–產地不詳

47.聖誕方解石,矽鋅礦 Willemit(綠色螢光),方解石 Calcite(橙-紅色螢光)- Franklin, New Jersey, USA

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