矿物和岩石如何反射彩虹、在黑暗中发光，以及以其他方式让你惊叹不已

矿物质是自然界的非生物构成要素。它们形成岩石，强化我们的骨骼和牙齿，甚至让我们的血液携带氧气。但即使矿物质没有聚集成雄伟的山脉或维持人体运转，它们仍然相当精巧。

已知的矿物有数千种（确切地说是 5,703 种），还有许多尚未发现。而且它们的颜色比你想象的还要多。加州理工学院研究矿物光谱的矿物学家乔治·罗斯曼说：“矿物中可以呈现出彩虹的所有颜色”，甚至更多。

除了我们在日光下看到的惊人景象外，许多矿物在紫外线下会发出隐藏的色彩。最酷的是，它们闪亮的色彩和超凡的荧光都是由于一些细微的调整和瑕疵造成的。

矿物到底是什么？

罗斯曼解释说，矿物质“被认为是自然产生的无机固体物质”。但他表示，即使是这个定义有时也会变得“模糊”。他问道：“如果一棵树腐烂后留下了一些结晶物质。那是矿物质还是生物材料？”

尽管如此，大多数矿物学家都认为，他们的研究对象是自然形成的固体化合物，具有单一的化学成分和晶体结构。岩石是由许多不同的矿物混合而成的，而宝石则是结构特别完美的矿物晶体。

尽管矿物是根据其理想的“纯”成分和形态进行分类的，但“我们必须认识到，大自然有 80 多种不同的元素可供使用，”罗斯曼说。“有各种各样的次要成分。自然界中很少能得到绝对纯净的化学成分。”矿物的形成是一种化学反应。矿物中最终形成的杂质和原子结构都来自其结晶的环境和情况。

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此外，矿物的分类不仅取决于其化学组成，还取决于其内部原子排列。“蓝晶石、红柱石和硅线石是我们在变质岩中发现的三种矿物，它们具有完全相同的化学式，但结构不同，”罗斯曼说。他还以地球上最常见的矿物之一橄榄石为例。他解释说，橄榄石位于地球地幔相对较浅的深度，“但随着压力越来越大，地球越深，橄榄石就变成了其他结构排列，并被赋予了其他名称。”

是什么原因造成矿物颜色多种多样？

材料吸收和反射不同波长的光的方式决定了其颜色。例如，树上的叶子是绿色的，因为叶绿素吸收红光和蓝光，将绿光和黄光反射回眼睛。

了解矿物的分类有助于我们理解它们为何会呈现出如此多不同的颜色。化学杂质和原子结构都会影响矿物的颜色，因为它们会改变矿物的光吸收光谱。

例如，红宝石通过用配方中的少量铬代替铝而呈现出鲜艳的红色。但如果你采用相同的配方，用钛或铁代替铬，就会得到蓝宝石，纽约美国自然历史博物馆的矿物学家兼馆长乔治哈洛说。这两种宝石都是透明矿物刚玉的杂质版本。

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罗斯曼解释说，由于分子结构的差异，使红宝石呈现红色的铬 (Cr 3+) 也会导致形成亮绿色的祖母绿。在红宝石中，铬原子的位置靠近氧原子。在祖母绿中，氧和铬之间的距离较远，从而改变了分子吸收光的方式。

为什么有些岩石会发光？

如果说颜色是矿物与光相互作用的方式，那么荧光就是这种相互作用的延伸。

光是一种能量形式。对于非荧光颜色，我们看到的是矿物选择性地将来自外部光源的光波长反射回我们的眼睛的结果。但对于荧光颜色，矿物从光源吸收能量，然后产生自己的新波长的光。

有些矿物质的荧光非常强烈，以至于在阳光充足的情况下你也能感受到这种效果。而有些矿物质则需要能量更高的紫外线来触发足够强的波长，以便人眼能够察觉。这就是为什么当你在黑光灯下看霓虹灯荧光笔或白衬衫时，它们似乎会发光。荧光笔和白色衣服通常都依赖于紫外线反应染料，以便在日光下看起来格外明亮，因此它们在阳光下会发出一点荧光。然而，在黑光灯的高能射线下，它们的荧光更加明显。

加州理工学院研究荧光和光谱的矿物学家 Glen Waychunas 表示，大约有 600 种矿物被证实能在黑暗中发光。他补充说，在某些地质地点，如新泽西州富兰克林，这种现象很常见，那里有著名的斯特林山矿。

就像颜色一样，矿物中的荧光通常是杂质（称为活化剂）的产物。这些元素与紫外线发生反应，产生荧光颜色，与其所在的矿物协同作用。有些矿物在使用相同的活化剂时可能会呈现不同的颜色，而有些则根本不发光。此外，有一种称为“猝灭剂”的杂质，即使所有其他条件都正确，它们也会阻止活化剂发挥作用。如果单一活化剂过多，它会“猝灭”自身，从而阻止荧光。这是不同原子之间复杂的相互作用。

结构对于理解荧光也很重要。矿物缺陷就像结构支架上的错别字或印刷错误，会在基质中留下一点额外的空间——为激发电子提供移动的间隙。然后，即使没有激活化合物存在，粒子也会吸收能量，并以彩色荧光波长的形式散发出来。

在哪里可以看到发光的彩虹色岩石？

今年夏天，利用温和的天气，探索一下你家周围的地质构造。你可能会看到一些荧光现象。为了获得最佳的发现几率，Waychunas 建议在晚上用紫外线手电筒寻找矿物。“去一个[旧]采石场或去一个只有岩石露头的地方，”他说。“人们会对他们可能发现的东西感到惊讶。”即使在荧光岩石不太常见的地区（这个网站可以告诉你你家附近有什么好东西），建筑工地的填充物或从其他地方运来的景观砾石也可以提供一个秘密的发光宝库。“这只是另一个有趣的自然视角，随处可见这种现象，”Waychunas 说。

如果您自己动手搜索，您可能会在当地的自然历史博物馆找到令人着迷的荧光实例。在纽约市，美国自然历史博物馆有一个全新的矿物和宝石展览，您可以亲眼看到上面图片中的所有矿物。