【水晶】关于水晶的扫盲贴

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《西游记》故事中“水晶宫”水晶的颜色为什么这么丰富多彩？水晶和玻璃怎么鉴别？实际上有水晶建筑吗？水晶又为什么差点成为潜艇克星？一起读扫盲贴，认识一下这个熟悉的陌生人。本文摘自《石头记》，经彭派新北京大学出版社许可发表。

在古人眼里，水晶是“千年的冰花”、“水的精灵”，是建造水下龙宫的材料，嘴里只装一片就能解渴，甚至有人相信通过它可以看到千里之外的世界。水晶是什么？真的和水有关吗？

受精和受精

《山海经》记载着“法庭山上有很多水屋”，南宋诗人杨婉丽有一首诗：“西湖夜胜夸冰，半年变成了陈秀晶。”这里的“秀玉”和“水晶”都是水晶的别名。屈原曾作诗赞美水晶说。“上了昆仑山，就吃玉英，和天空、大地一起生活，和太阳、月亮一起发光。”这里的玉英也是水晶的别名。当代诗人崔玉写诗赞美水晶制作的枕头。“千年积雪万年冰，手掌的初创力量是不可战胜的。在哪里可以知道南国？北方的寒气凝固在其中。”这首诗非常形象地描述了水晶的特殊魅力。好像千年的雪，万年的冰化的美玉，清澈的晶体，容纳了南方秀美宜人的风景和北方的清爽。构成了美丽晶体中的世界。(莎士比亚。哈姆雷特。)

关于修正的早期认识，中西方的观点基本一致。罗马人在阿尔卑斯山首次发现水晶，据说山高陡，四季积雪，水晶变成了冰。

石英和石英

我们现在知道，水晶与水没有太大关系，不一定是无色透明的。从其矿物成分来看，它是石英，即二氧化硅，化学式只有SiO2。这种矿物是地球上数量最多的矿物之一，按体积计算，石英矿物占总地壳的11.9%。我们踩在海边的沙滩上时，脚下细腻的沙粒大部分是硅胶。但是晶体完美的石英超越了凡俗，成为了最纯粹的宝石。水晶不仅深受古人的喜爱，还受到现代人的推崇。小块可以做成吊坠、耳钉，大块可以做成观相席，摆在家里，反映了文人墨客、智者、乐手、乐山的闲情逸致，可谓各有乐趣。今天，日本、瑞典、瑞士、乌拉圭等国家都以水晶为国石。

水晶家族不仅在地球上分布广泛，而且颜色多样多彩。除了纯净无瑕的透明水晶外，还有乳白色的“乳石英”、紫色的“紫水晶”、金黄色或柠檬色的“黄精”、淡粉色的“玫瑰水晶”、“红色”。

原冠水晶，清澈透明是最大的特点。当我们靠近时，会发现水晶的晶体有规则的六角柱状，有的一端尖，有的两端尖，还有多个长圆柱连接在一起，像盛开的花朵一样美丽。为什么会这样？

从矿物学的角度来看，不同的晶体有不同的形态，有的是针状，有的是片状，有的是粒状，还有的是柱子。这主要取决于晶体的内部结构。但是一般来说，我们很难观察到规律的单晶形态，因为晶体的生长受温度、压力、溶液浓度等物理化学条件及空间情况的影响。如果条件合适，水晶可以长得很大。(大卫亚设，Northern Exposure(美国电视剧)，Kinession记载的“最昂贵的浴缸”是一款完整的水晶产品，长约2米，重约2吨，直接从重达10吨的水晶上剪下，在伦敦著名的Harrose百货公司销售，标价为84.5万美元。我国新疆、内蒙古、江苏、海南等省都有水晶产量，其中以江苏东海县的水晶最为著名。东海县内已探明的天然水晶储量约为30万吨，多种多样，质地纯正，被称为“水晶之都”，1958年曾在这里发现过超过4吨的“水晶王”。目前东海县已成为世界著名的天然水晶原料集散地。

当区域深处有洞时，如洞穴、岩石裂缝等，在含有饱和硅的地下水环境中，在有适当条件的情况下，如有2 ~ 3个气压的压力，水温在500 ~ 600之间，二氧化硅在溶液中自发生成结晶亚，过饱和溶液中的二氧化硅分子附着在结晶亚上。最终的决定成为一个长的六字柱型美丽的水晶，大量的单晶向着自由空间发展，形成集合体，这就是晶体集群结构。因为是在洞内形成的，所以这种结构是结晶的。1900年在南美洲的巴西发现的罕见水晶洞，水晶洞深度9.7米，宽1.9米，高0.9米，洞内水晶体总重量达35吨，其规模可以说是世界上最大的。在我国湖南省杨县上堡黄铁矿区也发现过长8米、宽1.7米、高1.6米的巨型水晶洞，规模大、形态漂亮非常罕见。今天，很多人都相信子夜洞有自我同一性、邑宅邪恶的意思，所以喜欢把大子夜洞一分为二，放在家里客厅或办公室里，成为现在流行的风水石。

色彩和能源

水晶的颜色为什么这么丰富多彩？很多学者提出了不同的观点。比如烟晶之类的水晶，在手表和里面钻着烟光，甚至暗棕色，就像被黑烟熏黑了一样，有些烟晶的颜色可以变黄，被称为“深情”，颜色暗的话被称为“墨晶”。有人主张，烟晶变黑是因为含有少量碳。《地质大辞典》中对烟艇的解释是“色素含量高”

类似于紫晶，长期以来人们认为紫晶的紫色是杂质元素铁或锰、钛等混入引起的“他色”，杂质含量的多少影响紫色的深浅，但是后来的研究发现，当紫晶被加热到450～500℃时，紫色会消退并变为黄色，所以也有人认为紫晶的颜色只是因为内部铁离子的电子层发生变化所引起的光学现象。同样的，有人对烟晶进行加热，当达到225℃时，烟晶开始慢慢褪色，随着温度不断升高，褪色速度也加快，直至变为无色。

这表明，水晶的颜色变化肯定和能量有着密切的关系。

我们知道，矿物晶体的结构是在空间范围内周期性的重复排列，但有时候，某种杂质的出现会在某一个或几个结点上将这种重复性排列的晶体结构破坏掉，比如，石英晶体中原本是二氧化硅，但有时候其中的硅Si4+会被铝Al3+所代替，此时，正电荷较少的阳离子进入晶格中代替了正电荷较多的阳离子，从而会导致局部电中性遭到破坏，在受到外界X射线、γ射线、中子轰击时，晶体损伤形成晶格缺陷，这些微观的缺陷就可以束缚电子或形成可见光的吸收中心，从而在晶体中引起颜色的变化。

1979年，一位学者采用钴-60对一种无色水晶进行辐射处理之后，竟然真的将其变成了烟晶，这是人类首次通过实验的方式证实了以前的猜想。这位学者所采用的钴-60是一种放射性金属元素钴的同位素，它可以通过β衰变释放出较强的能量和γ射线。实验中采用的无色水晶也是其中含有少量铝的石英晶体。

由此人们得知，烟晶之所以呈现出烟黄色或暗褐色，既与其内部结构有关，又与外界辐射有关。天然产出的烟晶应该是那些含有少量铝的无色水晶，在地下遭受了放射性辐射之后形成的。当然，作为摆放在家里的宝石工艺品，经过检验的烟晶即使残留有放射性，其能量也很小，是不足以危害到人体健康的。

水晶与玻璃

在《西游记》中，齐天大圣孙悟空多次勇闯龙宫。那龙宫是用奇珍异宝建造而成，装饰有各种玉石和珊瑚，其中最吸引人的还是晶莹剔透的水晶。它们将龙宫装扮得极其富丽堂皇，因此，龙宫又叫“水晶宫”。现实中是否真的有这样的水晶建筑呢？

我国南朝宋时期的历史学家范晔所著《后汉书》中记载“大秦国宫室皆以水精为柱”。虽然不能与龙王的水晶宫相媲美，但根据那高大的水晶柱我们仍然可以想象得出秦宫的奢华。在玻璃尚未普遍使用的时候，水晶是皇家贵族才能用得起的珍贵饰品。唐朝李白有首反映宫女哀怨的诗，题为《玉阶怨》，诗中写道：“玉阶生白露，夜久侵罗袜。却下水精帘，玲珑望秋月。”这其中的帘子即为水晶制成。

外表看起来，水晶和玻璃相似，但实际上二者差别很大。水晶是矿物晶体，内部质点排列有序，而玻璃是非晶体，内部质点排列无序。水晶的热导性能很强，它能把热量很快传到别的地方，倘若把水晶握在手心里，手上的热很快就传到水晶的各处，我们会感到很凉，换成玻璃则会相对较温暖。生活中我们经常会遇到这样的事情，将滚烫的开水倒进冷玻璃杯中，杯子很容易炸裂，原因就在于玻璃导热慢，内外温度不均匀，导致热胀冷缩也不均匀，从而炸裂，而水晶做成的杯子却不会出现这样的情况。

日本奈良的中宫寺，曾经发生过一件离奇的事情。这座寺庙中供奉着一尊高6米的观音菩萨像，雕像是由一整棵桧木雕刻而成。1987年的一天，当一群虔诚的佛教徒正在菩萨像前烧香磕头时，突然有人发现，菩萨像的双眼竟然流出了泪水。经科学家实地考察后发现，原来制作这座雕像的木头吸水能力很强，湿气凝聚却无法排出，而雕像的眼睛并非木头，而是天然水晶，水晶导热快，表面清凉，水汽碰到水晶易液化成水，一旦眼眶内储水过多便会自动流出。

鉴别水晶和玻璃的简单方法是：透过它们来观察对面的事物，比如头发丝，如果能看到头发丝呈现出双影，这就是水晶，否则就是玻璃，因为水晶对光线具有明显的双折射性。随着现代化学工业的发展，人们制造出了性能特殊的水晶玻璃，这是一种只含有二氧化硅单一成分的特种玻璃，耐高温、耐腐蚀，可作为国防工业、冶金、化工和建筑等行业的重要原材料。

险些成了潜艇克星

水晶因其特殊的美学价值常成为名贵的工艺品雕刻材料，但这只是水晶家族中的一个应用领域，水晶的工业价值远不止如此。

在工业上，由于水晶硬度较大，莫氏硬度为7，仅次于金刚石（莫氏硬度为10）、刚玉（莫氏硬度为9）和黄玉（莫氏硬度为8），抗风化能力强，研磨之后的石英粉可以做成金属抛光剂，常应用于研磨机、喷砂机中。

1880年，法国化学家皮埃尔•居里和雅克•居里兄弟俩发现了水晶的一个奇怪现象，当这种晶体某一方向上受到压应力或者张应力的作用时，会导致垂直于应力的两边表面上产生正负相反的电荷，如果机械压力一压一张交替作用，就可以产生交变电场，这就是著名的“压电效应”。

可是这种物理性质有什么用途呢？可别小看了它，在战争中水晶的压电效应发挥过重要的作用。第一次世界大战期间，属于同盟国的德国使用了水下利器——潜艇，给协约国造成了重大打击。如何准确发现并定位神出鬼没的德国潜艇，成为一大难题。物理学家根据声波可以在水中传播很远、衰减很小的特点，发明了一种回声探测器，而回声探测器中最重要的部分是换能器，它能够将声能与其他形式的能，如机械能、电能相互转化，这必须要求具有很高的敏感度，材料的选取至关重要。法国著名物理学家保罗•朗之万想到了居里兄弟发现的压电效应，于是就找来一块石英晶体做成换能器，经过试验，成功地搜寻到了海底潜艇的回波。这项伟大的发明让协约国欣喜若狂，为了制造回声探测器，就连英国地质博物馆的水晶展品都被搜罗一空，甚至水晶眼镜商人也奉献出了他们的存货。不过，稍微让人觉得有点遗憾的是，这项发明有点太晚了，还没有来得及在战争中大显身手，德国就已战败，第一次世界大战就结束了。尽管如此，水晶压电效应的发现和回声探测器的发明对后来声呐技术的发展起到了重要推动作用。

如今，水晶被广泛用于制造高精度的压电石英元件，比如谐振器、滤波器等，它们都是现代国防、电子工业中的重要部件；有些水晶可以用来制造石英折射计、光谱仪等高级光学仪器。

《石头记》，马志飞著，北京大学出版社2016年10月。