［摘要］從寶石(礦物)的化學(xué)組成都具有陰、陽(yáng)離子的異價(jià)類質(zhì)同象，引起晶格缺陷，產(chǎn)生施主—受主能級(jí)，縮短了禁帶寬度，在外場(chǎng)作用下電子從陷井中向受主能級(jí)或價(jià)帶躍遷釋放光量子而發(fā)光的模型，最后介紹了礦物發(fā)光的應(yīng)用。
［關(guān)鍵詞］激活劑；施主能級(jí)；受主能級(jí)；磷光體；陷井；光量子；躍遷
自然界中在外場(chǎng)作用下能發(fā)光的礦物為數(shù)甚多，但在寶石中卻很少。礦物的發(fā)光性是礦物物理學(xué)研究的內(nèi)容之一，也是礦物學(xué)對(duì)某些礦物鑒定、鑒別的一種手段。從20世紀(jì)60年代開始礦物的熱發(fā)光性能受到地質(zhì)界人士的日益重視，試圖解決礦物、巖石的地質(zhì)年齡、巖相古地理、沉積環(huán)境、地層對(duì)比選礦找礦等。筆者僅就寶石礦物發(fā)光性機(jī)理及對(duì)寶石礦物的鑒定、鑒別和應(yīng)用進(jìn)行初步討論。
在外場(chǎng)作用下發(fā)光的寶石礦物
礦物發(fā)光的概念
礦物在加熱、加壓、溶解以及各種光輻射(包括紫外線燈發(fā)出的紫外線、陰極射線和其他短波射線等)能產(chǎn)生可見光的現(xiàn)象稱之為礦物的發(fā)光。發(fā)光可分為磷光和熒光，在外場(chǎng)持繼作用下發(fā)光的稱為熒光，去掉外場(chǎng)作用后仍在發(fā)光的稱為磷光。
發(fā)光寶石礦物及其成分特征
為了說(shuō)明寶石礦物的發(fā)光機(jī)理和應(yīng)用，現(xiàn)以下述礦物的成分特征和發(fā)光特點(diǎn)分述如下：綜合所述，所有具有熒光的寶石礦物都含有不等量的陰、陽(yáng)離子類質(zhì)同象組分，這些類質(zhì)同象組分與主要陰陽(yáng)離子的電價(jià)不同，這就必然產(chǎn)生晶格中的電價(jià)不平衡，或者產(chǎn)生各類空穴或電子心，導(dǎo)致形或施主(Donor)受主(host)能級(jí)，這些能級(jí)的形成導(dǎo)致寶石礦物的發(fā)光。
寶石礦物發(fā)光機(jī)理和模型
礦物的發(fā)光性日益受到各界科技人員的重視，但是對(duì)礦物(寶石)發(fā)光機(jī)理的研究還不夠深入，所構(gòu)制的物理模型還不能完全適合天然礦物的復(fù)雜性。一些學(xué)者所建立的發(fā)光模型也不盡相同，然而較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)是在發(fā)光體中賦存有激活劑原子(異價(jià)類質(zhì)同象)和由此產(chǎn)生的晶體缺陷而導(dǎo)致礦物發(fā)光，是大多數(shù)學(xué)者所公認(rèn)的。
(=)晶體缺陷的存在是礦物發(fā)光的理論基礎(chǔ)，縱觀這些發(fā)光的礦物(寶石)都具有陰、陽(yáng)離子不等價(jià)的類質(zhì)同象現(xiàn)象。晶格中這些異價(jià)類質(zhì)同象稱為發(fā)光體的激活劑，按照基質(zhì)，激活劑次序標(biāo)記磷光體(也即發(fā)光體)，例如磷光體閃鋅礦標(biāo)記為zns、cu，zns為基質(zhì)，cu為激活劑。磷光體除了必須含有激活劑之外，還有的含有助溶劑或稱共同激活劑，共同激活劑對(duì)于發(fā)光本身無(wú)作用，它有助于激活劑和基質(zhì)的聯(lián)系，即有助于激活劑進(jìn)入晶格。
(!)能帶理論與礦物發(fā)光模型：能帶理論為礦物發(fā)光動(dòng)力學(xué)理論奠定了基礎(chǔ)。能帶理論認(rèn)為寶石礦物基質(zhì)中的陽(yáng)離子所形成的能量帶在導(dǎo)帶內(nèi)；陰離子所形成的能量帶位于低能量的價(jià)帶，在導(dǎo)帶與價(jià)帶之間是沒有能級(jí)存在的，導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的萬(wàn)方數(shù)據(jù)表! 一些寶石礦物的成分特征及發(fā)光模型在DE 紫外光下，淺褐色和粉紅色黃玉是橙—黃色；藍(lán)色和無(wú)色黃玉有時(shí)可呈弱的綠黃色。在短波紫外光下，呈明顯的淺綠色熒光
距離稱為帶隙寬度(也稱禁帶)。寶石礦物均為透明礦物，屬絕緣體，帶隙寬度在%4*以上。如果這些礦物不含任何異價(jià)類質(zhì)同象物質(zhì)，這些礦物均是透明而不發(fā)光的，但是如果這些礦物含有異價(jià)類質(zhì)同象(也可稱為激活劑)后，破壞了基質(zhì)晶格的均一性產(chǎn)生晶體缺陷，晶體中出現(xiàn)電子心———空穴心，這些心對(duì)基質(zhì)晶格能級(jí)的影響便在導(dǎo)帶下面形成一新的能階稱為施主能級(jí)；在價(jià)帶頂部形成受主能級(jí)。
電子受激發(fā)吸收能量(也可稱光量子)可以使電子由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷；反之電子由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷會(huì)釋放光量子(放出能量)而發(fā)光。由于寶石礦物均為絕緣體，帶隙寬度在%4*以上，電子無(wú)法從導(dǎo)帶向價(jià)帶躍遷而放出光量子(發(fā)光)，如在導(dǎo)帶下部能形成一個(gè)低于導(dǎo)帶能級(jí)，這個(gè)能級(jí)能捕獲來(lái)自導(dǎo)帶的電子(也可稱這個(gè)能級(jí)為施主能級(jí)或陷井)，這時(shí)在外場(chǎng)作用下陷井中的電子可以向低能級(jí)受主能級(jí)或價(jià)帶躍遷放出光量子而發(fā)光。這就是能帶理論為基礎(chǔ)的發(fā)光模型。
下面再以鉆石為例說(shuō)明其發(fā)光原理，鉆石學(xué)名是金剛石，其主要成分是單質(zhì)!"#，為本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電，但是天然產(chǎn)出的金剛石均含有少量的$%#和-.%#等異價(jià)類質(zhì)同象，$(-.形成了施主—受主雜質(zhì)產(chǎn)生施主—受主能級(jí)由$%#的含量不同以及在晶第%期楊吉：礦物及寶石的發(fā)光機(jī)理和應(yīng)用"7
體結(jié)構(gòu)中的占位不同所產(chǎn)生的施主—受主能級(jí)間的躍遷矩也不同，因而在紫外線燈作用下，有的發(fā)藍(lán)色、有的發(fā)黃色等熒光。
圖! 在禁帶中具有施主—受主級(jí)參加的躍遷略圖
場(chǎng)致發(fā)光的應(yīng)用
礦物(寶石)的場(chǎng)致發(fā)光目前涉及面甚廣，所使用的外場(chǎng)有加熱、加壓、溶解、紫外光、陰極射線和其他短波幅射等等。文中僅就寶石礦物的發(fā)光應(yīng)用方面做一簡(jiǎn)單介紹。
(1)對(duì)于具有固定發(fā)光特征的寶石做為鑒別特征，常用這一特征進(jìn)行鑒定區(qū)分寶石。
(2)對(duì)于相同種類不同成因的寶石礦物，在陰極射線轟擊下會(huì)發(fā)出不同顏色或不同強(qiáng)度的熒光，以區(qū)分不同成因的寶石，還可區(qū)分真假寶石。
(3)鑒別同種寶石的不同類型：如鉆石為1型鉆石在紫外線燈照射下發(fā)藍(lán)色—淺藍(lán)色為主的熒光，而2型鉆石發(fā)黃色—黃綠色熒光。
(4)利用寶石的熒光特點(diǎn)區(qū)分同種寶石的物理性質(zhì)，如鉆石在同等強(qiáng)度的紫外線燈照射下不發(fā)熒光的鉆石最硬；發(fā)黃色熒光居中；發(fā)淡藍(lán)色熒光的鉆石最不硬。
(5)在其他領(lǐng)域中利用礦物、巖石的熱發(fā)光性確定地質(zhì)年齡。
(6)利用巖石、礦物的熱發(fā)光性對(duì)沉積環(huán)境和巖相古地理及地層進(jìn)行對(duì)比。