L04　礦物的物理性質

這講在回答：拿到一顆手標本，不用儀器（或只用小刀、條痕板、磁鐵、稀鹽酸），可以看哪些性質來鑑定它？這些性質為什麼會這樣——它們和礦物內部的結構、成分有什麼關係？

考前 30 秒

1. 物理性質 = 內部結構 + 化學成分的巨觀表現。四大類：和光有關（顏色、光澤、條痕、螢光）、和結構有關（解理、裂理、斷口、硬度、韌性）、和質量有關（比重）、其他（磁性、放射性、壓電／熱電）。
2. 顏色四種成因：晶體場轉變、分子間電荷轉移、色心、雜質；自色來自本身成分（橄欖石 Fe²⁺），他色來自外來雜質（紅寶石、祖母綠都是 Cr³⁺，結構不同所以顏色不同）。
3. 顏色不可靠，條痕比較可靠（粉末顏色）：黃鐵礦、黃銅礦條痕綠黑；赤鐵礦條痕紅；金條痕金黃。硬度 > 6–7 的礦物畫不出條痕。
4. 解理沿鍵結弱、面間距大的面；六類：立方、八面體、菱形十二面體、菱面體、柱狀、底面。輝石 87°／93°、角閃石 124°／56°。
5. 摩氏硬度 1–10：滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、石英、黃玉、剛玉、金剛石；是相對順序，不等距。
6. 比重 G = W_a ／（W_a − W_w）；取決於原子種類和堆積方式。
7. 磁性：反磁性（大部分）、順磁性（有不成對電子）、鐵磁性（磁鐵礦，居禮點 580 °C）。

先認識的名詞

這一講的邏輯地圖

★ = 考試重點。

1. 晶形與晶癖

礦物的物理性質，是它內部組成的巨觀表現，具體來說就是晶體結構和化學成分。第一個看到的是外形。

晶形：晶體被平整的晶面包圍，呈現規則的立體幾何形狀，例如立方體、八面體、立方八面體、十二面體（方沸石在電子顯微鏡下是四角三八面體）。同一種晶形也會長歪（歪立方體、不對稱八面體），但面角不變（L03 面角守恆）。

晶面發展的好壞：

• 自形（euhedral）：晶面完整、銳利，容易辨認。課本的圖幾乎都是自形。
• 半自形（subhedral）：只有部分晶面。
• 他形（anhedral）：沒有晶面，因為生長時要和其他晶體競爭空間，沒有自由空間長出晶面。

顯晶質與隱晶質：顯晶質（肉眼或放大鏡看得到顆粒）可以描述單一晶體的形狀（粒狀、板狀、柱狀、針狀、片狀）或集合體的形狀（有規律：纖維狀、束狀、放射狀、晶簇；無規律：粒狀、柱狀、片狀集合體）；隱晶質只能描述集合體（有規律：鮞狀、腎狀、鐘乳和石筍、分泌體（杏仁體，由外往內成層沉澱）、結核體（由內往外沉澱）；無規律：土狀、塊狀、粉末狀）。

晶癖（habit）：晶體成長的習性，描述單一晶體或集合體的一般外形。投影片的例子：

2. 和光有關的性質

光和礦物的作用

可見光波長約 350–750 nm（投影片數字；常見寫法 400–700 nm），能量 E = hν = hc／λ，波長越長能量越小。光照到礦物上，有的反射、有的散射、有的折射進入礦物；進入的光一部分被吸收，剩下的穿透出來到達眼睛，我們看到的顏色就是沒被吸收、穿透出來的那些波長的組合。用光譜儀量出哪些波長被吸收，就是吸收光譜（例如綠柱石的吸收光譜中有致色元素、分子振動、晶格振動的吸收峰）。

顏色的四種成因 ★

① 晶體場轉變：第一列過渡元素（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu）有部分填滿的 3d 軌道。氣態離子的五個 3d 軌道能量相同；放進對稱的球形電子雲中，五個一起被抬高，仍然相同；但在礦物中，離子被陰離子組成的多面體包圍，電場不對稱，3d 軌道就分裂成不同能階。這個能量差剛好相當於可見光，所以會吸收特定波長，看到的是補色。

• 自色：顏色來自礦物本身的離子。橄欖石的橄欖綠來自本身的 Fe²⁺。
• 他色：礦物本身無色，因為夾雜少量雜質離子而有顏色。紅寶石是含 Cr³⁺ 的剛玉（Al₂O₃）；祖母綠是含 Cr³⁺ 的綠柱石（Be₃Al₂Si₆O₁₈）。

同樣是 Cr³⁺，為什麼一紅一綠？因為結構不同：剛玉是氧化物，氧以六方最密堆積排列，Cr³⁺ 填在層間；綠柱石是環狀矽酸鹽，Cr³⁺ 周圍的六個氧同時和 SiO₄、BeO₄ 四面體共用。鍵結方式不同 → 晶體場強弱不同（祖母綠中較弱）→ 3d 軌道分裂的能量差不同 → 吸收不同的波長。

② 分子間電荷轉移：價電子不再固定在一個離子上，而是在相鄰的離子間移動，例如 Fe²⁺(A) + Fe³⁺(B) ⇄ Fe³⁺(A) + Fe²⁺(B)。這是許多藍色礦物的成因：藍閃石、藍晶石、藍寶石（Fe²⁺–Ti⁴⁺ 也是這種）。

③ 色心：和晶格缺陷有關（取代性雜原子、間隙原子、空位）。缺陷可以抓住電子（負電荷）或電子空洞（相當正電荷），被抓住的電子或空洞會吸收光。

• 電子色心：紫色螢石。
• 洞色心：煙水晶。石英中 Al³⁺ 取代 Si⁴⁺，少的價數由 Na⁺ 或 H⁺ 補足；受放射線照射（常和鈾礦共存）時，Al³⁺ 旁邊的氧被打出一個電子，留下未成對電子的空洞。
• 藍色岩鹽也是長期受微量放射線照射產生的色心，不是雜質。

④ 雜質：無色或白色礦物混入極少量其他礦物就會變色：綠色石英（綠泥石）、黑色方解石（MnO、碳）、紅色長石、方解石、石英、碧玉（赤鐵礦）。

顏色怎麼用

• 金屬光澤的礦物通常顏色單一；非金屬光澤的礦物顏色多變，所以顏色常常不可靠。
• 例外：有些非金屬礦物顏色很特別、很固定：孔雀石（綠）、藍銅礦（藍）、薔薇輝石（玫瑰紅到粉紅）、綠松石（綠藍）。
• 顏色要看新鮮面；風化面、聚片雙晶的反光是假色。
• 命名法：標準單色（加淺、深、翠、墨修飾）、二名法（黃綠色 = 黃過渡到綠，主色在後）、類比法（黃銅色、淺黃銅色、鉛灰色、橘紅、檸檬黃、孔雀綠；金屬和金屬比、非金屬和非金屬比）。

光澤

旋轉礦物時，表面或解理面對光的反應（相當主觀）。分成金屬光澤和非金屬光澤兩大類，四個層級：金屬光澤（刺眼）> 半金屬光澤 > 金剛光澤（比金屬弱、比玻璃強）> 玻璃光澤（柔和）。

（硫磺在投影片中同時出現在油脂光澤，L07 寫松脂光澤；兩者本來就接近。）

條痕 ★

把礦物在條痕板（素燒瓷板）上畫，看粉末的顏色。條痕不受假色和反光影響，比顏色可靠，缺點是要破壞礦物；硬度大於 6 左右的礦物比條痕板硬，畫不出條痕。

• 大部分非金屬礦物顏色多變，但條痕是白色。
• 金屬礦物有特定的條痕：

金、黃鐵礦、黃銅礦都是黃色，怎麼分？條痕：金是金黃、另外兩個綠黑。硬度：黃鐵礦（6–6.5）比小刀硬、黃銅礦（3.5–4）比小刀軟、金（2.5–3）軟而有延展性。

螢光與磷光

兩者都是電子受光（通常是 UV）照射後躍上激發態，再退回基態時放出的光。螢光在照射停止後立刻結束；磷光在照射停止後仍然繼續發光。同一塊方解石在短波 UV 和長波 UV 下可能顏色不同。

3. 解理、斷口與硬度 ★

礦物對外力的反應取決於兩件事：鍵結和結構缺陷。

解理

解理是礦物沿著原子平面裂開的傾向。裂開的面是鍵結較弱的面，而鍵結弱通常伴隨面間距大（吸引力不夠把兩層拉近）。所以解理的方向和組數直接反映結構。

依好壞分：極完全（雲母，一撕就開）、完全（平整但還是有台階）、中等（平台很窄）、不完全（很少看到平台）。

先預測：輝石和角閃石都是兩組柱狀解理，夾角哪個比較接近 90°？為什麼？

輝石是單鏈矽酸鹽，鏈很窄，解理沿鏈和鏈之間的弱面，兩組幾乎垂直（87°／93°）；角閃石是雙鏈，比較寬，兩組解理交成 124°／56°。這是手標本和薄片下區分兩者最快的方法（L05 矽酸鹽結構、L06 顯微鏡下）。

裂理和斷口

• 裂理（parting）：沿結構中因雜質、包裹體、固溶體離溶等造成的弱面裂開。看起來像解理，但不連續、不平整，也不是晶體固有的性質，不嚴格遵守晶體對稱。例：輝石、剛玉。
• 斷口（fracture）：結構中沒有特定的弱面，破裂沒有固定方向。四種：貝殼狀（黑曜岩、石英）、纖維狀／針狀（針鈉鈣石）、鋸齒狀（自然銅、金）、不規則。

硬度

摩氏硬度用十種礦物排順序：1 滑石、2 石膏、3 方解石、4 螢石、5 磷灰石、6 正長石、7 石英、8 黃玉、9 剛玉、10 金剛石。它是相對的（誰刮得動誰），不是等距的；絕對硬度從 9 到 10 跳了好幾倍。

【例題 ★ 完整解】一顆無色、玻璃光澤的礦物，小刀刮得動、銅幣刮不動，滴稀鹽酸冒泡，有三組不互相垂直的解理。是什麼？

解：小刀（~5.1）刮得動 → H < 5；銅幣（~3.2）刮不動 → H ≥ 3；所以 H ≈ 3–5。滴酸冒泡 → 碳酸鹽。三組不垂直的解理 → 菱面體解理。答案是方解石（H 3）。如果冷鹽酸反應很弱、要磨粉才冒泡，則是白雲石（H 3.5–4）。

【換你算】一顆黃色金屬光澤的礦物，條痕綠黑，小刀刮不動，常呈立方體。是什麼？（答案：黃鐵礦。若小刀刮得動、條痕也綠黑，則是黃銅礦。）

韌性

礦物抵抗破裂、變形的性質，和內部鍵結有關：脆性（敲就碎，大部分離子鍵礦物）、延展性（可以打成薄片，金、銀、銅）、可切性（小刀可切成薄片）、塑性（彎了不會回復）、撓曲性（可彎曲但不回彈，如綠泥石、滑石）、彈性（彎了會彈回，雲母）。

4. 比重

密度 ρ = 質量／體積；比重 = 和同體積水的比值（沒有單位）。結晶物質的比重取決於兩件事：

1. 原子種類：結構一樣、陽離子不同時，陽離子原子量越大比重越大。例如同結構的碳酸鹽：霰石（Ca）< 菱鍶礦（Sr）< 碳鋇礦（Ba）< 白鉛礦（Pb）。同樣的，角閃石中 Mg（24.3）換成 Fe（55.8）比重就變大。
2. 原子的堆疊方式：同樣成分，堆得越緊密比重越大（例如霰石 2.9 > 方解石 2.71；藍晶石 3.6 > 紅柱石 3.15）。

Jolly 天平量比重：先量在空氣中的重量 W_a，再量浸在水中的重量 W_w。水中變輕的量 W_a − W_w 就是排開的水重（阿基米德原理），也就是「同體積的水重」，所以

$G = \frac{W_a}{W_a - W_w}$

【例題 ★ 完整解】一顆礦物在空氣中重 15.0 g，浸在水中重 12.0 g，比重多少？可能是什麼？

解：G = 15.0 ／（15.0 − 12.0）= 15.0 ／ 3.0 = 5.0。比重 5 左右的常見礦物有黃鐵礦（5.02）、磁鐵礦（5.18）、赤鐵礦（5.26）。再用顏色、條痕、磁性區分。

【換你算】空氣中 10.0 g、水中 6.3 g → G = ？（答案：10.0 ／ 3.7 ≈ 2.70，可能是方解石或石英。）

5. 磁性、放射性與電性

放射性：含 U、Th 的礦物會衰變，放出 α、β、γ 粒子和中子，用蓋格計數器偵測。（鋯石含微量 U、Th，所以會有輻射變晶；北投石含鐳。）

電性：

• 壓電性：對特定礦物施加有方向的壓力，兩端會產生等量的正負電荷。例：電氣石、石英（石英錶就是利用它）。
• 熱電性：受熱時產生電荷。例：電氣石。

容易混淆

章末綜合題

1. 用「物理性質是內部結構的表現」這句話，分別解釋解理、硬度、比重、顏色。
2. 紅寶石、藍寶石都是剛玉。紅寶石的紅色來自什麼成因？藍寶石的藍色（Fe²⁺–Ti⁴⁺）屬於哪一種成因？
3. 一顆黑色礦物，條痕黑、會被磁鐵吸、比重約 5.2、八面體晶形。是什麼？如果條痕是紅色呢？
4. 為什麼霰石的比重比方解石大？為什麼碳鋇礦比霰石大？
5. 手上有小刀、玻璃、條痕板、磁鐵、稀鹽酸，設計一個流程區分石英、方解石、螢石、磁鐵礦、黃鐵礦。