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奇妙的矿物世界:萤光矿物

在自然界中孕育出许许多多各式各样、色彩缤纷的矿物,为我们所居住的大地彩绘得更加亮丽。在众多的矿物种类里,色彩多变的萤光矿物总是那么引人侧目与好奇。何谓萤光矿物?

在19世纪初期,史托克斯(George Stokes)便曾记载,当萤石(Fluorite)受到太阳光照射时,便会发出一种蓝色的光芒,他将此种会发光的现象称之为萤光(Fluorescence)。事实上,自然界中具有萤光特性的矿物并不局限于萤石一种。当我们用紫外线或X射线照射时,有些矿物也会散发出不同的色彩,而且射源能量不同,部分矿物所呈现的颜色也会改变。到底萤光是如何产生的?常见的萤光矿物又有哪些?这是本篇所要介绍的重点。

欲揭开萤光矿物的神秘面纱,首先必需由组成矿物的基本结构谈起。我们深知构成物质最基本的单元是原子,而原子是由原子核和环绕外围的电子所组成。通常电子所绕行的轨域可分为数层,每层都有固定的能阶,而且离原子核愈远,能阶愈高。

萤光矿物通常含有过渡性元素,其原子中的电子受到如紫外线等高能量照射时会吸收能量,并从低能阶轨域(基态)跃升到高能阶轨域(激发态)。由于处在激发态的电子极不稳定,因此,电子很快会移回到原有轨域,并释放出能量。因为从基态至激发态过程中部分能量转换为热能而消耗,所以电子从高能阶轨域折回低能阶轨域所释出的能量,其波长较原入射的紫外线为长。如果波长刚好落在可见光的范围内,那么,该矿物就会发出肉眼看得见的色光,是为萤光(图1);而具有这种特性的矿物,我们称之为萤光矿物。

一般的萤光矿物,在激发光源撤除后,发光会立即停止。但是有些矿物在激发光源撤除后,发光尚能维持一段时间,我们称它为磷光。有些矿物发出的磷光仅能维持数秒钟,有的则可持续一段很长的时间。常见的萤光矿物 世界各地所产重要的萤光矿物约有四、五十种之多,限于篇幅,无法一一介绍。本文仅将常见的几种,叙述如后,以供参考:

(1)方解石(Calcite)是最普通的一种萤光矿物。萤光的色彩涵盖彩虹中所有的颜色,其中以含锰元素所展现的红色或粉红色最为常见(图2)。美国德州Terlingua地区水银矿内所产的方解石,在紫外线短波段(100-3000A)下呈现蓝色或紫色的磷光;而在紫外线长波段(3000-4000A)下则显现出亮丽的粉红色萤光,最具特色。

(2)矽锌矿(Willemite)是一种重要的锌矿来源。在美国纽泽西州Franklin地区的锌矿矿区中,矽锌矿具有最明亮而耀眼的萤光,极富盛名。其萤光多呈绿或黄绿色(图2),少数标本呈现黄色。

(3)白钨矿(Scheelite)的萤光颜色会随钼含量多寡而改变。在紫外线短波段下,若质纯时,呈现之萤光为蓝白色;含少量钼元素时,变为白色;钼含量增多,则转为黄色。白钨矿是一种极富经济价值的“钨”的重要来源。因钨耐高温且不易熔化,所以广泛被应用在灯泡的钨丝方面,另外,在制造高速切割工具上,也是一项重要的成分。因白钨矿的外观多呈白、乳黄或灰色,在岩石中与其他矿物甚难分辨,因此,在第二次世界大战钨矿短缺之际,美国为寻找钨矿矿源,便利用紫外线在美西一带从事白钨矿的探勘工作。

(4)萤石可做为炼钢的助熔剂,系最为人知的一种萤光矿物。事实上,萤光一词乃源自萤石这种矿物。蓝色是最普遍的一种萤光色彩,尤其是在紫外线长波段照射下,蓝色萤光特别显眼。另外,有些标本也会呈现白色或乳黄色的萤光。

美国纽泽西州Franklin地区较知名的萤光矿物包括磷灰石(Apatite)、霰石(Aragonite)、斧石(Axinite)、方解石、刚玉(Corundum)、透辉石(Diopside)、萤石、水锌矿(Hydrozincite)、闪锌矿(Sphalerite)、矽锌矿、矽灰石(Wollastonite)等二十余种,不但种类多,而且许多矿物具有鲜艳亮丽的萤光色彩,缤纷的萤光世界,着实令人向往。 您想目睹萤光矿物如何变脸吗?变脸之后是呈红色?黄色?还是绿色?本馆地球环境厅地下楼“大地的结晶——矿物展示”中的“萤光”单元,陈列了6件内含方解石、矽锌矿、水砷锌矿(Adamite)等具萤光特性的标本,值得您一探究竟。

图解:

1.白铅矿 Cerussite(黄色萤光)+重晶石 Baryte– Mibladen, Morocco

2.方柱石 Scapolite(黄色萤光)- Greenvile, Ontario, Canada

3.锌黄长石 Hardystonit(蓝色萤光),方解石(红色萤光),硅锌矿 Willemite(绿色萤光)- Franklin, New Jersey,USA

4.白云石Dolomite–Langban,Filipstad,Sweden

5.水砷锌矿 Adamite– Ojuela Mine, Mapimi, Mexico

6.白钨矿 Scheelite(蓝色萤光)-产地不详

7.玛瑙晶洞 Dugway Geodes(绿色萤光)- Utah, USA

8.透闪石 Tremolite– Balmat, New York, USA

9. Esperit(黄色萤光),硅锌矿 Willemite(绿色萤光)- Franklin, New Jersey, USA

10.白云石 Dolomite– Langban, Filipstad, Sweden

11.萤石,方解石– Urberg, St. Blasien,黑森林

12.方解石– Capnic, Romania

13.流纹岩 Rhyolite–产地不详

14.白云石 Dolomite– Langban/Jakobsberg, Filipstad, Sweden

15.硅锌矿 Willemite(绿色萤光),方解石(红色萤光),锌铁尖晶石 Franklinite,蔷薇辉石 Rhodonite– Franklin, New Jersey, USA

16.锂霞石 Eucryptite– Bikita, Zimbabwe

17.方解石– Schwabische Alb

18. Septarian结核,方解石 Calcite(浅蓝色萤光)- Zion National Park, Utah, USA

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

20.方解石(红色萤光)+绿色萤光矿物– Jakobsberg, Nordmark, Filipstad, Sweden

21.方解石,白云石– Iglesiente, Sardinia

22.钟乳石 Dripstones– Lykia, Turkey

23.白钨矿 Scheelite

24.文石 Aragonite– Agrigenti, Sicily

25.蓝锥矿 Benitoite– San Benito, California, USA

26.水晶 Quartz aus Schneekopfkugel– Thuringer Wald

27.白云石 Dolomite,铁矿石 Iron Ore– Langban, Filipstad, Sweden

28.未知矿物(黄色萤光)

29.人造刚玉 Synthetic Corundum

30. Powellite– India

31. Hyalite(Glasopal)- Hungary

32. Vlasovit(黄色萤光)in Eudyalit– Kipawa, Villedieu, Quebec, Canda

33. Doppelspat– Creel, Mexico

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

35. Clinohydrit,Hardystonit,硅锌矿 Willemite,方解石– Franklin, New Jersey, USA

36.方解石– Urberg, St. Blasien,黑森林

37.磷灰石 Apatite,透辉石 Diopside– USA

38.白云石 Dolomite– Langban, Filipstad, Sweden

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

40.锰方解 Mangano Calcite– Peru

41. Galmei auf Zinkblende in Ganggestein–“Gnade Gottes”, Schulenberg, Harz

42.蓝色萤光矿物/黄色萤光矿物– Langban, Filipstad, Sweden

43. Glasopal–产地不详

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

45.白云石?Dolomitgangart– Langban, Filipstad, Sweden

46.玉髓 Chalcedon–产地不详

47.圣诞方解石,硅锌矿 Willemit(绿色萤光),方解石 Calcite(橙-红色萤光)- Franklin, New Jersey, USA

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