螢光礦物的發光原理簡介

紅寶石的紅色螢光
紅寶石的化學成分是Al₂O₃，其中少量的Al³⁺常會被Cr³⁺所取代（含量大約不到1%）。Cr³⁺是紅寶石發出紅色螢光的活化原子，如果Cr³⁺受到365nm波長的紫外線照射，電子能階就會被提升到較高的激發態能階（如下圖３）。隨後Cr³⁺原子會透過振動周圍原子將能量以熱的形式往外傳遞，使自己的能階降低，直到激發態的最低能階。

接下來Cr³⁺電子會從激發態的最低能階降至基態的能階，並以電磁波的形式將能量釋放出來。紅寶石以Cr³⁺原子為活化原子時所釋放的螢光，波長約為692.8nm和694.3nm，是非常典型的紅色光。所以當紅寶石含有微量Cr3+的時候，通常就會產生紅色的螢光（圖４）。

當紅寶石受到陽光照射時，紅寶石會反射陽光中的紅色光，呈現出紅寶石的紅色。加上陽光中同時也有紫外線，會讓紅寶石發出紅色的螢光。換句話說，在陽光下的紅寶石會閃耀雙重的紅色光芒，是真的「很紅」的寶石。

螢石的藍色螢光
螢石的化學成分CaF₂，螢石的藍色螢光主要是來自於稀土金屬Eu²⁺取代Ca²⁺後成為活化原子所造成（圖５）。

方解石的紅色螢光
方解石的化學成分是CaCO3，如果少量的Ca²⁺被Mn²⁺和Pb²⁺所取代，那方解石就容易在365nm波長的紫外線照射下發出紅色的螢光。其中Mn²⁺是活化原子，Pb²⁺則是共同活化原子（圖６）。

方解石和紅寶石發出螢光原理不同的地方是Mn²⁺沒有辦法直接吸收365nm波長的紫外線，但是Pb²⁺可以。當Pb²⁺吸收紫外線的能量之後，電子的能階提高後，會和Mn²⁺達成共振，提升Mn²⁺的電子能階。最後當Mn²⁺的電子能階回到基態時，就會放出紅色的螢光（圖７）。

矽鋅礦
矽鋅礦的化學成分是Zn₂SiO₄，當少量的Zn²⁺被Mn²⁺所取代（約1%），矽鋅礦會在254nm波長的紫外線照射發出明亮的綠色螢光，而常與矽鋅礦共生的方解石則會因為Mn²⁺的存在而出現橘紅色螢光（圖８）。

矽鋅礦中的Mn²⁺之所以會造成亮綠色螢光而不是像方解石一樣的（橘）紅色螢光，是因為Mn²⁺有一個非常高的激發態能階，一般來說紫外線的能量並不足以將Mn²⁺從基態提升到這個能階。但如果Mn²⁺的附近從在有Zn²⁺，這個能階的能量差就會被大幅度降低，使得可以跳升到這個激發態，並在Mn²⁺回到基態的過程中釋放出綠色的螢光。

螢光礦物資料庫：http://www.fluomin.org/uk/accueil.php

→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