科普｜宝石光学效应中的“两束光”——荧光与磷光

有人说：“石头是上帝随手捏的，矿物晶体是上帝用尺子丈量着精心设计出来的。”作为矿物中极少数的宝石，更是难得的精品，历经亿万年水与火的“洗礼”，宝石以其最美丽的姿态展现在人类面前。宝石之美，不仅在于材质之美、颜色之美、工艺之美，具有特殊光学效果的宝石，更是美中之美。

总的说来，宝石中的光学效应主要包括火彩效应、变彩效应、猫眼效应、星光效应、荧光效应和磷光效应等，今天小南主要来和大家聊一聊最后两种——荧光效应与磷光效应。

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荧光：被激发的冷光

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用过验钞机的人应该记得这样的现象：当你把人民币放在验钞机的紫外线下进行照射时，真钞上就会显示出平时用肉眼看不到的亮光，这是利用了荧光物质在紫外线的照射下能够发光的原理制成的。

荧光，最初就是在萤石身上发现的。1824年，德国矿物学家莫斯就已经注意到，有些萤石在紫外线照射下所呈现出的颜色完全不同于它在日光下的颜色。

1852年，英国数学家和物理学家斯托克斯，发现了荧光的存在。后来的地质学家陆续发现了一些具有荧光特点的矿物，如金刚石在紫外线或X射线照射下发天蓝色或紫色荧光，硅锌矿在紫外光下发鲜绿色荧光，硅钙铀矿在紫外光照射下能发出很弱的黄绿色荧光。

现在，我们已经搞清楚了矿物中荧光产生的原理，当高能量短波长光线射入到萤石中时，它的电子吸收能量后，会从基态跃迁至高能级，但是，处在高能级的电子极不稳定，会从高能级跃迁至低能级，从而释放出能量发出荧光，这种现象被称为荧光效应。萤石之所以能发出荧光，是由于它含有其他一些罕见的金属元素，如稀土元素钇和铈，它们可以替代萤石中的一小部分钙离子，由于这些微量元素并未完全融入其所在的晶体结构中，它们的电子结构处于不稳定状态，更容易被激发，从而发出紫色或红色的荧光。

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磷光：夜明珠的真相

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传说在古代，随国的君侯某日出游途中遇到一条大蛇，那条蛇身受重伤，在路边苦苦挣扎。随侯不忍，急忙令人给蛇敷药包扎，然后将其放生。数日之后，这条大蛇身体痊愈，便来到随侯住处，言其为龙王之子，特献上夜明珠一颗以报答随候的搭救之恩。

东晋史学家干宝在其所著的小说集《搜神记》中这样描述随侯所得的夜明珠：“径盈寸，纯白而夜光，可以烛室”。李斯在《上始皇书》中曾写有“陛下有随和之宝，垂明月之珠”，这说明，随侯的夜明珠之后连同和氏璧都被秦始皇获得，但是它们最后却不知所终了，有人说可能藏在秦始皇的墓葬中，地方志《三秦记》一书中记载：“始皇冢中，以夜光珠为日月，殿悬日月珠，昼夜光明。”这里所谓的“日月珠”或许就是“随候珠”。

可是，随候珠是何物呢？后世的历史学家只能根据史料进行推测，有人认为是珍珠，有人说琉璃，还有人说是金刚石。目前大家普遍接受的说法则是萤石。不仅仅因为湖北随州北部确有萤石矿，更重要的是，萤石的确是可以发光的矿物。矿物的发光性有两种情况：其一，矿物因受外界能量激发而发光。但当外界激发能量停止后，矿物即停止发光，这种光为荧光；其二，如果外界激发能量停止后，矿物发光还能持续一段时间，这种光被称为磷光。

有些萤石中含有硫化砷，在白天阳光照射或经过加热之后，可以产生磷光效应。它们到了晚上会慢慢释放出能量，产生微弱的光芒，并能可以持续数小时之久。照此推断，古人所说的夜明珠，可能就是这种具有磷光效应的萤石。

在古印度，有人发现在一个小山岗上，总是有很多眼镜蛇，为了查明眼镜蛇聚集在这里的原因，人们昼夜观察，后来发现，在漆黑的夜晚，这里的岩石会发出微微的亮光，许多具有趋光性的昆虫聚集于此，得知这里小飞虫众多，青蛙也赶来觅食，于是喜欢吃青蛙的眼镜蛇也不断前来饱餐一顿。其实，这里会发光的岩石就是萤石。

宝石的各种光学效应，都是由于其内部结构造成的光的反射、折射、散射、干涉、衍射等现象，在宝石颜色、光泽、透明度及外形的衬托之下，将光学物理现象展现得如梦似幻。

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