一则关于水晶的扫盲贴

【编者按】

从《西游记》故事里的“水晶宫”，到项下腕间对应着色彩招财、招桃花的水晶饰品，有着梦幻色彩的水晶，却是宝石中相对亲民的品种。水晶的颜色为何如此丰富多彩？水晶与玻璃如何鉴别？现实中是否真的有水晶建筑？水晶又为什么险些成了潜艇克星？来一起读个扫盲贴，了解下这熟悉的陌生人。本文摘自《石头记》，由澎湃新闻经北京大学出版社授权发布。

在古人眼里，水晶是“千年之冰所化”“水之精灵”，是建造水底龙宫的材质，只要嘴里含上一块就能够止渴，甚至还有人相信透过它可以看到千里之外的世界。水晶是什么？真的和水有关么？

水晶与水精

《山海经》中记载：“堂庭之山多水玉。”南宋诗人杨万里有诗曰：“西湖野僧夸藏冰，半年化作真水精”。此处的“水玉”和“水精”都是水晶之别称。屈原曾赋诗赞美水晶曰：“登昆仑兮食玉英，与天地兮同寿，与日月兮同光。”这里的玉英也是水晶的别称。唐代诗人崔珏写诗赞誉一块水晶做成的枕头：“千年积雪万年冰，掌上初擎力不胜。南国旧知何处得？北方寒气此中凝。”诗中极其形象地描绘出水晶的特殊魅力，它仿佛是千年积雪、万年寒冰变成的美玉，澄澈的晶体似乎容纳了南方秀美怡人的风景和北方沁人心脾的凉爽，构成了一幅绝美的晶中世界。

对于水晶的早期认识，中西方的观点基本一致。据说，罗马人最早在阿尔卑斯山上发现了水晶，由于山高陡峻而且四季积雪，他们也认为水晶是冰变成的。

我们现在知道，水晶跟水没多大关系，也不一定就是无色透明的，从其矿物成分上来看，它只不过是石英，即二氧化硅，化学式为SiO2，这种矿物是地球上数量最多的矿物之一，按照体积来计算，石英矿物占到了整个地壳的11.9%。当我们踩在海边的沙滩上，脚下细腻的沙粒大部分都是二氧化硅。但是结晶完美的石英超凡脱俗，成了一种最纯净的宝石。水晶不仅深受古人喜爱，也得到现代人的追捧。小块儿的可以做成吊坠、耳钉，块儿头较大的则可以制成观赏石，摆放于家中，正映衬了文人墨客智者乐水仁者乐山的闲情逸致，可谓各得其乐。如今，日本、瑞典、瑞士和乌拉圭等国家都把水晶作为国石。

水晶家族不仅在地球上分布范围很广，而且颜色多变，异彩纷呈，除了纯净无暇的透明水晶之外，还有乳白色的“乳石英”、紫色的“紫晶”、金黄色或柠檬色的“黄晶”、淡粉色的“蔷薇水晶”、红色的“红水晶”，绿色的“绿水晶”，还有的内部包裹着柱状或针状物的，名为“发晶”，倘若含有不同杂质，以隐晶质的形式在岩石的裂隙或空洞中分层沉淀，会形成具有同心环状或多色条状结构的石英集合体——玛瑙。

远观水晶，清澈透亮是它最大的特点，当我们走近它的时候，就会发现，水晶的晶体具有规则的六棱柱形状，有些柱体为一头尖，有些是两头都尖，还有多条长柱体连结在一块，像怒放的花朵，十分美丽。这是为什么呢？

从矿物学角度来说，不同的晶体都有不同的形态，有的是针状，有的是板状，有的是粒状，还有的是柱状，这主要取决于晶体的内部结构。但是通常情况下，我们难以观察到它规则的单晶形态，这是由于晶体的生长还受到外界环境的影响，比如温度、压力、溶液浓度等物理化学条件及空间情况，如果条件恰当，水晶可以长得很大。吉尼斯纪录中所记载的“最昂贵的浴缸”，是一块完整的水晶制品，长约2米，重约2吨，它是从一块重达10吨的水晶中直接切割出来的，在伦敦著名的哈罗兹百货公司销售，标价为84.5万美元。我国新疆、内蒙古、江苏、海南等省区均有水晶产出，其中以江苏东海县的水晶最为著名。东海县内已经探明的天然水晶储量约为30万吨，种类繁多，质地纯正，堪称“水晶之都”，1958年曾在这里发现过一块重达4吨多的“水晶王”。目前，东海县已经成为闻名世界的天然水晶原料集散地。

当地下深处存在空洞时，如岩洞、岩石裂缝等，在含有饱和二氧化硅的地下水环境中，如果具备合适的条件，比如有两三个大气压的压力，水温在500～600℃之间，二氧化硅便会从溶液中自发生成晶芽，过饱和溶液中的二氧化硅分子便会粘附在晶芽上，以洞壁或裂隙壁作为共同基底，经过数万年甚至上千万年的时间，最终结晶成为长长的六方柱状的美丽水晶，大量的单晶体朝着自由空间中发育形成集合体，就是晶簇构造，因为形成于孔洞内，这样的构造就是晶洞。1900年，人们曾经在南美洲的巴西发现了一个规模罕见的水晶洞，晶洞深9.7米、宽1.9米、高0.9米，洞中的水晶总重量达35吨，其规模之大堪称世界之最。我国湖南省耒阳县上堡硫铁矿区也曾经发现过一个巨大的水晶洞，该洞长8米，宽1.7米，高1.6米，规模之大、形态之美十分罕见。现如今，很多人相信紫晶洞具有紫气东来、镇宅辟邪的寓意，所以喜欢将大块紫晶洞一剖为二，摆放在家中客厅里或办公室内，成为当前流行的一种风水石。

水晶的颜色为何如此丰富多彩？很多学者提出过不同的观点。比如烟晶，这种水晶由表及里透着一种烟黄色甚至是暗褐色，仿佛被黑烟熏过一般，某些烟晶的颜色可能会发黄，被称作“茶晶”，若颜色暗黑，则被称为“墨晶”。有种说法认为，烟晶发黑是由于其中含有少量的碳元素所致，《地质大辞典》中对烟晶的解释为：“色素是含碳所致，黑的深浅决定于碳的多少，全黑者称墨晶。”但凡提到墨字，我们自然而然地会想到碳，但随着研究的不断深入，有人对此提出了质疑。

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。

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。