地質學家為什麼要舔石頭？
― 弄濕之後，石頭表面的「白霧」就會消失
在野外調查岩石的人，常常會把敲開的石頭舔一下，或是用水壺的水澆上去。這不是沒禮貌，而是有道理的。乾燥的石頭表面，有許多細小的凹凸，會把光反射成一層像「霧」一樣的白光。弄濕以後，這層霧會消失，礦物真正的顏色與顆粒形狀就會浮現出來。
在河邊，你發現了一顆帶有紅色、綠色條紋的漂亮石頭。它在水裡閃閃發光。
你把它放進口袋帶回家，第二天在桌上一看，卻變成一塊發白、黯淡、毫不起眼的石頭。
石頭的顏色並沒有真的消失。只要再泡一次水，花紋就會重新出現。地質學家舔石頭，就是為了當場重現這種「泡過水的狀態」。
弄濕後能看清楚，只有兩個原因
乾燥的石頭表面，佈滿細小的傷痕與粉末，顯得粗糙不平。每一個小面都會把光往不同方向反射一點點。這些光疊加在顏色上，就形成了白霧。水會填平這些凹凸，讓表面變得平滑。
光從水進入石頭時，比從空氣進入石頭時，在表面反射的比例更低。沒有被反射、進入石頭內部的光，會帶著礦物的顏色再反射出來。所以顏色看起來更濃、更清晰。
這兩點說的都是「光在石頭表面會反射多少」的問題。我們先從第一點看起。
乾燥的石頭，籠罩著一層白霧
剛敲開的石頭，或是長期風吹雨打的石頭表面，放大來看會佈滿細小的凹凸。還會沾著像粉末一樣的小碎屑。光打在這種表面時，一部分會被反射回來。因為每個小面的方向都不一樣,反射的光會往四面八方散開。
反射回來的光，沒有穿過礦物內部,所以沒有顏色。也就是說,無論從哪個角度看,石頭的顏色上都會疊著一層薄薄的白光。這就是「發白」的真正原因。原理和霧面玻璃看起來發白是一樣的。
請看圖1左側。乾燥的表面上,白色箭頭指向四面八方。而右側,水膜填平了凹凸,表面變得像鏡子一樣平整。反射光會集中在一個方向,只有從那個方向看才會看到「反光」。從其他角度看,就能看到沒有白霧的石頭本身。
泡水後，表面反射的光會變成八分之一
第二個原因,在於光在「不同物質的交界面」反射的原理。表示光在介質中前進難易度的數值叫做折射率。交界面兩側的折射率差異越大,光就越容易反射。
空氣的折射率是1.00，石頭中常見的礦物「石英」約是1.54。兩者差異大，所以打在交界面上的光，約有4.5%會被反射。但水的折射率是1.33，和石英的差異就小得多。水與石英的交界面上，被反射的只有約0.5%，大約是八分之一。
沒有被反射的光，會深入顆粒內部。被礦物吸收掉一部分顏色後，帶著剩下的顏色再反射出來。所以濕潤的石頭看起來顏色更濃、更暗、更鮮豔。顆粒之間的交界，也因為光更容易穿透而看得更清楚、更分明。
請用圖2的滑桿，改變覆蓋在石頭表面的液體的折射率。從空氣到水、再到油，越接近石英的折射率，反射的光就越少，白霧就越淡。
墓石或石材地板，表面會被磨得光滑。打磨和用水弄濕一樣，都是「消除凹凸」的工作。鑑定寶石時，有時會把石頭沉入折射率接近的液體中，觀察內部的傷痕與花紋。折射率一致時，交界面的反射幾乎消失，甚至連外形輪廓都看不出來。
在尋找化石的人之間，流傳著這樣的說法：骨骸化石因為有許多細小的孔洞，舔的時候舌頭會像被吸住一樣。不過有些礦物含有對人體有害的成分。遇到不熟悉的石頭，用水澆一澆來觀察會比較安全，不要直接舔。
總結
乾燥的石頭看起來發白暗沉，不是因為顏色消失了，而是因為表面凹凸反射的白光疊加在上面。弄濕以後，水會填平凹凸，而且在水與石頭的交界面上，光更不容易被反射。光會深入顆粒內部，帶著礦物的顏色再折返回來。地質學家的「舔一下」，就是當場最簡便的觀察工具。
石頭的顏色，不是乾了就消失，只是被白光遮住了。
水，扮演著驅散這層霧的透鏡角色。
河邊的石頭為什麼是圓的，可以參考「河裡的石頭，為什麼是圓的？」；白紙在昏暗房間裡為什麼依然看起來是白色，則請參考「白紙為什麼在昏暗的房間裡也看起來是白色？」。
- 在庭院或公園，找兩顆發白、黯淡的小石頭。一顆保持原樣，另一顆放進裝了水的杯子裡。
- 把兩顆放在一起比較看看。水裡的石頭顏色應該更濃，顆粒與花紋也更清楚。
- 把石頭從水裡拿出來，放一段時間，觀察它變乾的過程。可以發現，從邊緣細小的地方開始，發白的感覺會慢慢回來。
如果還有興趣,可以滴一滴沙拉油在石頭上比較看看。油的折射率比水更接近石英,有時顏色會顯得更清晰。
想了解更多 ― 術語、公式、與教科書的連結從國中理化到大學專業科目，會明確標示是哪個程度的內容
- 國中國中理化學到的範圍
- 高中高中「物理」「地球科學」學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄層級的內容
- 大學高中不會學到、屬於大學專業科目（光學、岩石學）的內容
- 研究中連大學也還不當作「定論」教授、研究者目前仍在調查中的內容
國中術語：這個現象是有名字的
- 漫反射：光在凹凸不平的表面，往各種方向反射的現象。這就是乾燥石頭白霧的真正原因。
- 折射率：表示光在物質中前進速度減慢多少的數值。真空是1，水是1.33，石英約是1.54。
- 造岩礦物：組成岩石的礦物。以花崗岩來說，就是石英、長石、黑雲母等。
國中高中用公式確認：石英表面反射的光，乾燥時與濕潤時差幾倍？
我們來計算光垂直打在交界面時，反射的比例。
| 用符號表示 | R ＝ ( (n₂ − n₁) ÷ (n₂ ＋ n₁) )² |
| 用文字表示 | 反射比例 ＝（折射率差 ÷ 折射率和）的平方 |
| 公式從何而來 | 把光當作電磁波處理，由交界面兩側電場與磁場連續的條件推導出的「菲涅耳公式」，這是垂直入射的情況。 |
符號說明：R 是反射率（反射光的比例，無單位），n₁ 是光入射一側（空氣或水）的折射率，n₂ 是石英的折射率。
| 空氣的折射率 | 1.00 |
| 水的折射率 | 1.33 |
| 石英的折射率（大約） | 1.54 |
| 乾燥石頭：折射率差 | 1.54 − 1.00 ＝ 0.54 |
| 乾燥石頭：折射率和 | 1.54 ＋ 1.00 ＝ 2.54 |
| 差 ÷ 和 | 0.54 ÷ 2.54 ≒ 0.213 |
| 平方得反射率 | 0.213 × 0.213 ≒ 0.045 |
| 濕潤石頭：折射率差 | 1.54 − 1.33 ＝ 0.21 |
| 濕潤石頭：折射率和 | 1.54 ＋ 1.33 ＝ 2.87 |
| 差 ÷ 和 | 0.21 ÷ 2.87 ≒ 0.073 |
| 平方得反射率 | 0.073 × 0.073 ≒ 0.0053 |
| 乾燥石頭是濕潤石頭的幾倍 | 0.045 ÷ 0.0053 ≒ 8.5 |
乾燥的石英表面會反射約4.5%的光，濕潤的表面則約0.5%。單一面上的差異不大，但乾燥的石頭上有無數的傷痕與粉末小面，各自反射這4.5%,加總起來就形成白霧。弄濕以後,這些小面會合併成一片平整的水面,而且與石頭交界面的反射量會降到約八分之一。
高中高中＋反射與折射的關聯
高中高中物理會學到,光在交界面彎折方向是由折射定律（司乃耳定律）決定的。決定彎折程度的折射率比值,同時也決定了「反射多少」。如果兩側折射率沒有差異,光就不會彎折,也不會反射,會直接穿過去。
高中＋水本身的表面（空氣與水的交界面），也會反射約2%的光。不過濕潤的石頭因為水面平整，這道反射只會往一個方向。只要避開那個方向觀看，就能看到沒有白霧的石頭本身。戴上偏光太陽眼鏡，也能消除不少水面的反光。
大學顆粒聚集造成光「迷路」的多重散射
像砂或岩石這種顆粒聚集而成的物質中,光會在顆粒的交界面反覆反射前進。這叫做多重散射。如果顆粒間的空隙是空氣,每個交界面的反射都很強,光很快就被彈回外面,看起來發白。如果空隙被水填滿,交界面的反射會減弱,光就能深入內部。這樣一來,被礦物吸收的機會增加,整體看起來就會更暗、更鮮豔。這個說明,在萊克納與多夫1988年的論文「為什麼有些東西濕了會變暗」中,得到了定量的證明。折射率與反射的關係,可以用依偏振方向分開表示的菲涅耳公式來說明。
📖 公式的推導與更深入的內容：菲涅耳公式（日文維基百科） ／ Lekner & Dorf (1988) Why some things are darker when wet
研究中目前還不清楚的事
- 濕潤程度與外觀的關係 稍微潮濕的土壤或砂子,含水量多少會讓它變得多暗,會因顆粒大小與形狀而有很大差異,目前還沒有一套統一的公式。
- 從人造衛星觀測土壤濕度 從地面亮度推測土壤水分的方法仍在研究中,但如何區分土壤種類與植物的影響,仍是一大難題。
- 火星岩石的顏色 探測車會刮除或用刷子清理岩石表面,觀察內部的顏色。如何修正乾燥砂塵造成的影響,目前仍在持續改進中。
也就是說,這篇文章的內容,也是「目前已知範圍內的說明」。表面反射的光的比例,是由確定的公式決定的,但顆粒聚集整體的外觀,仍是持續研究中的課題。
與教科書的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化一年級「光的反射・折射」「火成岩的構造」 | 漫反射造成的白霧、花崗岩的顆粒 |
| 高中 | 物理「光的折射」、地球科學「岩石與礦物」 | 折射率差異與反射的關係 |
| 高中＋ | 物理（進階）「偏振」 | 水面反光與偏光太陽眼鏡 |
| 大學 | 光學（菲涅耳公式）、岩石學 | 多重散射與濕潤物質的暗化 |
| 研究中 | 遙測、行星地質學 | 土壤水分推估、火星岩石觀測 |
| ― | 與生活的連結 | 河邊的石頭、墓石的打磨、雨天看起來更深的道路 |
- Lekner, J. & Dorf, M. C. (1988) Why some things are darker when wet. Applied Optics 27, 1278.
- 菲涅耳公式 - 日文維基百科
- 折射率 - 日文維基百科
- Hecht, E.『Optics』（光的反射與折射、菲涅耳公式）
※本文為一般大眾科普解說。文中數值為幫助理解原理的概略估算值。折射率會因礦物種類與光的顏色而略有不同。在野外調查石頭時，請注意入山許可與腳下的安全。