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2016-05-01從晶體物理看礦物「寶石」
557 期
Author 作者
余樹楨／1976年畢業於美國賓州州立大學地質科學系；1980年起任教成大地球科學系；2007年退休。目前為該系兼任教授。
寶石是人類文明進步的產物，有些寶石鑲在皇冠上、權杖上，是權力的象徵；但有些寶石卻引發兩國征戰；有些寶石代表堅貞的愛情；有些寶石則成為科學研究的對象。有趣的是除了珊瑚、珍珠以及琥珀等少數寶石，絕大部分寶石都是天然的礦物。
天然礦物多達3000多種，只有少數可以成為寶石。是什麼物理特性、光學特性、或結晶特性使這些少數礦物成為人們喜愛、人人追逐的寶石？
硬度與韌度
一般要求礦物的相對硬度（摩氏硬度）要在7或7以上，才適合當寶石。為什麼是而不是6或8？那是因為地球大氣除了空氣、水汽，還有許多微塵，其中二氧化矽微塵就是礦物石英的主要成分。人們佩戴的寶石經年累月要接受硬度7或接近7的微塵碰撞摩擦，要保持寶石的璀璨亮麗、表面不受磨損，勢必要有7或7以上硬度的礦物不可。
早期手錶都是玻璃質的錶面，玻璃硬度只有5，所以手錶戴久以後，錶面容易磨損而成為毛玻璃，看不清楚指針的位置或數字。不過自從藍寶石錶面問市以來，由於藍寶石的摩氏硬度高達9，不易磨損、歷久彌新，迅速成為手錶界的新寵。
真鑽硬度高，刻面與刻面間的稜線十分尖銳；相對地瑞士鑽就很軟，硬度只有6，因此刻面間的稜線就顯得圓鈍些（圖一），以10倍放大鏡即可明顯比較出來，這是利用硬度差異的特性來分辨真鑽與仿冒品。
圖一：（a）真鑽硬度高，刻面間的稜線十分尖銳；（b）硬度只有6的瑞士鑽以及硬度5的一般玻璃仿冒品，其小刻面間較為圓鈍。
硬度是礦物抵抗外力磨刮的能力；韌度則是礦物抵抗外力撞擊而破裂的能力。韌度高的寶石偶而不小心掉到地上，它並不容易破裂。談到韌度，就得介紹國人特別喜愛的寶石──玉，中國人在8千年前就懂得切割琢磨玉石。今天我們已經知道閃玉是科學實驗證實為韌度最佳的材料，閃玉的硬度其實不高只有6.5左右，之所以具有最高韌度，從礦物科學可以了解主要是緣自閃玉塊材是由許多小單晶鑲嵌而成，微小單晶之間結晶方位各異（圖二），形成互鎖（interlocking）效應，以致需極大外力始能擊破整塊玉料（圖三）。玉鐲、玉墜、玉佩乃至各類玉雕等就是基於閃玉韌度高、不易破碎的特性而成為數千年來國人的最愛，先民們的智慧令人敬佩。
圖二：閃玉內部各個微小單晶，以不同的方位鑲嵌而成，產生互鎖功能增加韌度。單晶內的紅短線表示閃玉的兩個解理方向，撞擊力（藍色箭頭）碰撞玉塊上方， 最易裂開的是紅點線所示的解理方向，由於相鄰單晶的解理方位差異阻擋裂紋延伸，玉塊得以保持不破。
圖三：臺灣玉原石，原產地花蓮，長約20公分。密度辨贗品
密度是寶石最基本的物理性質之一，就是單位體積的質量。寶石中的翡翠是輝玉的一種，臺灣玉或是新疆和闐玉則屬於閃玉；兩者經常呈現翠綠色彩而不易以肉眼分辨，此時密度就成為區分兩者的重要指標；輝玉比重約在3.5~3.6之間，而閃玉比重略小約在2.9~3.1之間。密度量測通常不會傷及玉質，是一種方便而可靠的鑑定玉質寶石的方法。
此外一個實際案例是業者使用噴砂技術將塑膠材質雕塑成紫色佛像，號稱紫水晶佛雕，由於霧面的效果，外形的確十分酷似紫水晶雕件，但是只要懂得密度的特性即可馬上辨識；因為水晶的比重為2.65，只要用手稍微掂一掂，就能不用儀器識破贋品。
光和寶石–折光率
光是一種電磁波，本身具有電場。礦物晶體是無數原子規則排列組合而成，原子含有帶電粒子如質子、電子，所以晶體也是一個電場。……【更多內容請閱讀科學月刊第557期】