［摘要］從寶石(礦物)的化學(xué)組成都具有陰、陽離子的異價類質(zhì)同象，引起晶格缺陷，產(chǎn)生施主—受主能級，縮短了禁帶寬度，在外場作用下電子從陷井中向受主能級或價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；受主能級；磷光體；陷井；光量子；躍遷
自然界中在外場作用下能發(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、地層對比選礦找礦等。筆者僅就寶石礦物發(fā)光性機理及對寶石礦物的鑒定、鑒別和應(yīng)用進行初步討論。
在外場作用下發(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，在外場持繼作用下發(fā)光的稱為熒光，去掉外場作用后仍在發(fā)光的稱為磷光。
發(fā)光寶石礦物及其成分特征
為了說明寶石礦物的發(fā)光機理和應(yīng)用，現(xiàn)以下述礦物的成分特征和發(fā)光特點分述如下：綜合所述，所有具有熒光的寶石礦物都含有不等量的陰、陽離子類質(zhì)同象組分，這些類質(zhì)同象組分與主要陰陽離子的電價不同，這就必然產(chǎn)生晶格中的電價不平衡，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，這些能級的形成導(dǎo)致寶石礦物的發(fā)光。
寶石礦物發(fā)光機理和模型
礦物的發(fā)光性日益受到各界科技人員的重視，但是對礦物(寶石)發(fā)光機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)識是在發(fā)光體中賦存有激活劑原子(異價類質(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、陽離子不等價的類質(zhì)同象現(xiàn)象。晶格中這些異價類質(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，共同激活劑對于發(fā)光本身無作用，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帶，在導(dǎo)帶與價帶之間是沒有能級存在的，導(dǎo)帶與價帶之間的萬方數(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)色和無色黃玉有時可呈弱的綠黃色。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，這些心對基質(zhì)晶格能級的影響便在導(dǎo)帶下面形成一新的能階稱為施主能級；在價帶頂部形成受主能級。
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向高能級躍遷；反之電子由高能級向低能級躍遷會釋放光量子(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，電子無法從導(dǎo)帶向價帶躍遷而放出光量子(發(fā)光)，如在導(dǎo)帶下部能形成一個低于導(dǎo)帶能級，這個能級能捕獲來自導(dǎo)帶的電子(也可稱這個能級為施主能級或陷井)，這時在外場作用下陷井中的電子可以向低能級受主能級或價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$%#和-.%#等異價類質(zhì)同象，$(-.形成了施主—受主雜質(zhì)產(chǎn)生施主—受主能級由$%#的含量不同以及在晶第%期楊吉：礦物及寶石的發(fā)光機理和應(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—受主級參加的躍遷略圖
場致發(fā)光的應(yīng)用
礦物(寶石)的場致發(fā)光目前涉及面甚廣，所使用的外場有加熱、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)用方面做一簡單介紹。
(1)對于具有固定發(fā)光特征的寶石做為鑒別特征，常用這一特征進行鑒定區(qū)分寶石。
(2)對于相同種類不同成因的寶石礦物，在陰極射線轟擊下會發(fā)出不同顏色或不同強度的熒光，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區(qū)分同種寶石的物理性質(zhì)，如鉆石在同等強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)光性對沉積環(huán)境和巖相古地理及地層進行對比。