螢光礦物的發光原理簡介

礦物的螢光並不是「反射」出來的電磁波，而是礦物在吸收我們肉眼看不見的紫外線能量之後，再由礦物「發射」出來的電磁波。這種發光的原理，可以概略地以組成物質的電子軌域和原子間振動的能階來解釋。

組成物質的原子，是以質子和中子所組成的原子核為中心，周圍環繞著電子。電子環繞原子核的軌域有許多不同的型態，電子以不同軌域繞行原子核時所具有不同的能量，而且特定軌域只能夠容納特定數量的電子（圖１）。一般情況下，組成原子的所有電子會從能量最低的軌域開始排列。位在能量最高軌域的電子，容易因會吸收外來的能量，而躍遷到更高能量的軌域。但此時的電子並不穩定，電子傾向躍遷回原來的軌域，並將能量以電磁波的形式釋放出來（圖２）。

由於電子位在每個不同電子軌域時所具有的能量不同（也不連續），因此我們將這些不同軌域之間的能量差距稱為能階。電子「只能」吸收足以讓它躍遷到其他能階所需要的能量，如果能量太多或太少，都不會電子所吸收。由於電磁波的波長和能量之間，可以透過蒲朗克定律來換算。所以原子會吸收特定波長的能量並造成電子躍遷，而電子躍遷回原本的軌域時，也會發射出同樣波長的電磁波。

如果是許多原子所構成的分子，或是許多分子進一步構成物質的晶體結構時，原子和原子之間就像是以彈簧相連的球體（圖３），因為原子外層電子彼此的相互作用，使得原子和原子之間的彈簧持續收縮伸張，帶動原子的振動，我們將此時的狀態稱為基態。當電子吸收能量，改變自己所在的軌域之後，原子和原子之間的振動就會發生改變，我們將此時的狀態稱為激發態。因此，組成物質的原子振動頻率，也會和原子軌域一樣存在不同的能階（圖４），也就是說分子中原子的振動有許多能量不同的激發態。通常原子的振動會以熱的形式往外傳遞，使得原子的振動再恢復到基態的能階。

會發出螢光的物質，通常具備一些特殊的原子，我們稱為活化原子（activator）。這些原子的特徵是會吸收紫外線（波長較可見光短且能量較強的電磁波）的能量，這些能量會被用在提高活化原子的電子所在能階，並改變活化原子與周圍其他原子間的振動能階，達到能量較高的激發態（圖５）。當原子間的振動將部分能量以熱的形式傳遞出去之後，活化原子的振動漸漸由能階較高的激發態下降到能階較低的激發態。

活化原子最大的特徵就是，它能量最低的激發態能階（Ｓ₁）與基態（Ｓ₀）能階之間的能量差距很大。當活化原子的能階要從激發態的最低能階回到基態時，能量會以電磁波的形式向外傳遞（圖６Ａ），如果電磁波的波長是在可見光的範圍，我們就會看見螢光。

原子間振動的能階躍遷，大多發生在非常短暫的時間中（約10^-7~10^-9秒）。但在少部分的狀況下，原子間振動的能階躍遷會導致原子間轉動的能階變化（圖６Ｂ右側），這種能階變化需要比較長的時間（約10^-3~10²秒)。也就是說，當我們將紫外線的照射關閉之後，還會持續看見發光的現象一陣子，這就是所謂的磷光。

一般來說螢光礦物的發光原理就是這樣，但是部分螢光礦物還是有一些特殊的情況。以下我就介紹一些常見的螢光礦物，以及他們會發出螢光的原理。
→1.前言
→2.甚麼是螢光礦物？
→3.顏色、光線與電磁波
→4.螢光礦物的發光原理
→5.常見的螢光礦物
→6.妨礙螢光生成的「有害」元素
→7.準備紫外線燈具和螢光礦物