加载中…钻石的基本性质
(2018-02-14 16:54:18)
钻石(Diamond)一词出自希腊语“Adamas”，意思是坚硬、不可驯服。钻石号称‘‘宝石之王”，是世界上公认的最珍贵的宝石，也是最受人喜爱的宝石之一。钻石是四月的生辰石，也是结婚60周年的纪念石。
一、钻石的基本性质
(一)矿物名称
钻石的矿物名称是金刚石(Diamond)。在矿物学上属于金刚石族。
(二)化学成分和分类
1．化学成分
钻石主要成分是C，其质量分数可达99．95％，微量元素有N、B、H、Si、Ca、Mg、Mn、Ti、Cr、S、惰性气体及稀土稀有元素，达50多种。这些微量元素决定了钻石的类型、颜色及物理性质。
2．分类
钻石最常见的微量元素是N元素，N以类质同象形式替代C而进入晶格，N原子的含量和存在形式对钻石的性质有重要影响。同时也是钻石分类的依据。根据钻石内N原子在晶格中存在的不同形式及特征，可将钻石划分为如下类型。
Ia型 钻石内N呈有规律的聚合状态，以2个N(又称为IaA型)、3个N(又称为IaAB型)、 4～9个N甚至聚集成N的片状物存在(电子显微镜下可见)又称为IaB型，自然界中98％的钻石属于此类。
Ib 型钻石内氮以孤立的原子状态取代晶格中的碳原子。天然Ib型钻石极少，主要见于合成钻石中。在一定的温度、压力及长时间的作用下，氮原子相互聚集Ib型钻石可转换为Ia型。因此，天然钻石以Ia型为主。
Ⅱ型钻石不含氮原子或w(N)小于0．001％。
Ⅱa型钻石不含氮，内部几近纯净，具有极高的导热性。可因碳原子位错而造成缺陷而呈色，若不含空穴或晶格错位的na型钻石是无色的，如著名的库里南钻石和塞拉里昂之星钻石就是其中的典型代表。
Ⅱb型 钻石可含有少量的硼，硼以孤立的原子状态取代晶格中的碳原子。Ⅱb型钻石为半导体，是天然钻石中唯一能导电的。据此性质，可以区别天然蓝色钻石和辐照处理致色的蓝色钻石。大部分Ⅱb型钻石呈蓝色，少数为灰色，霍普钻石是最著名的Ⅱb型钻石。
(三）钻石的晶体结构和常见晶型
1.晶体结构
钻石是等轴晶系，具立方面心格子，C原子位于立方体角顶和面的中心以及其中4个相间排列的小立方体的中心。C原子配位数为4，具四面体状的sp3型共价键(C—C间距为0．154nm)。
钻石的同质多象变体是石墨，属六方晶系，其晶体结构与钻石不同，具典型的层状结构，每层碳原子呈六方环状排列，层内碳原子以共价键—金属键相结合；层与层
之间以分子键结合。由于钻石和石墨的结构不同，导致二者在晶体形态、物理化学性质等方面有很大的差异。
2.晶形
钻石常呈单晶，常见单形有八面体o，菱形十二面体d和立方体o，有时也呈聚形。有些黑色金刚石为多晶集合体。
(四)钻石的光学性质
1．颜色
根据颜色钻石可分成两大类：无色一浅黄(褐、灰)色系列和彩色系列。
无色一浅黄(褐、灰)色系列：包括近无色到浅黄、浅褐、浅灰色。
彩色系列：包括黄色、褐色、红色、粉红色、蓝色、绿色、紫罗兰色、黑色等。大多数彩色钻石颜色发暗，强一中等饱和度的颜色艳丽的彩钻极为罕见。彩钻一是由
于微量元素N、B和H原子进入钻石的晶体结构之中而产生的颜色；另一种原因是晶体塑性变形而产生位错、缺陷，对某些光能的吸收而使钻石呈现颜色，详见“第
一篇第四章宝石的颜色”。
(1)无色钻石
无色钻石可以用能带理论解释其呈色机理。在无任何杂质的纯碳钻石晶体中，每个C原子以共价键与另外4个C原子连接，带隙能E=5．4eV，而可见光能量E<3．5eV，不具有足够高的能量来激发价带中的电子，因而没有光波被吸收，钻石是无色透明的。
(2)黄色钻石
I型钻石多是无一浅黄一黄色系列，对于h型钻石可以用色心理论来解释其颜色成因；而Ib型钻石用能带理论可以做出更好的解释。
根据色心理论，h型钻石中不同聚合态形式的N可形成不同的结构缺陷，从而形成不同的色心，对可见光产生不同的吸收，钻石的颜色是由多个色心共同作用的结
果。如果h型钻石中N以原子对形式(又称为IaA型)取代相邻C原子的位置，引起晶格畸变形成N：心，造成了蓝区478nm、452nm、439nm的吸
收；若N以3个原子围绕空穴组合在一起(又称为IaAB型)，形成N3心，造成了蓝紫区415nm以及423nm、435nm、465nm、475nm的
吸收。由于N3心、N2心吸收了可见光中的紫光和蓝光，从而使钻石呈现黄色。
根据能带理论，Ib型钻石中，N原子比C原子结构多一个电子，这个多余电子在带隙内形成一个杂质能级，它的存在使带隙能降低2．2eV。所以只要大于
2．2eV的任何光量子都能把多余电子激发到导带中，并由此引起紫光一蓝光范围内的光被吸收，其他光透过，钻石呈现黄色。合成钻石多属此类。
(3)蓝色钻石
Ⅱb型钻石含有硼，B原子比C原子少一个电子，因此当B替代C进入钻石晶格时，就形成一个空穴色心。每100万个C原子中有一个或几个B原子时，它能把从红外至500nm(绿光边缘)的光吸收，钻石可产生诱人的蓝色。
最新发现不含B、不导电的灰蓝色钻石，它们的晶体中含有H，因此普遍认为H的存在是导致灰色、灰蓝色钻石呈色的主要原因。
(4)粉色、褐色钻石
此类钻石的颜色与其形成环境及运移过程中发生的塑性变形(导致晶体结构缺陷)有关。在引起晶格缺陷的同时，还可改变钻石中N的聚集速率和形式，使钻石形成不同颜色，且钻石颜色的均匀程度也与塑性形变的均匀性有关。
(5)绿色钻石
绿色和蓝绿色钻石通常是由于长期天然辐射作用而形成的。当辐射线的能量高于晶体的阀值时，C原子被打入间隙位置，形成一系列空位—间隙原子对，使钻石的电子结构发生变化，从而产生一系列新的吸收，可使钻石呈绿色。若辐照时间足够长或辐照剂量足够大，
可 使钻石变成深绿色甚至黑色。辐射造成的晶格损伤有时还可形成蓝色钻石和黄褐色钻石。
(6)黑色钻石
黑色钻石的颜色可能因为其为多晶集合体、大量黑色内含物(石墨等)和裂隙造成的。
2．光泽，透明度
钻石具有特征的金刚光泽，金刚光泽是天然无色透明矿物中最强的光泽。值得注意的是观察钻石光泽时要选择强度适中的光源，钻石表面要尽可能平滑，当钻石表面有熔蚀及风化特征时，钻石光泽将受到影响而显得暗淡。
纯净的钻石应该是透明的，但由于矿物包体、裂隙的存在，钻石可呈现半透明，甚至不透明。
3.光性
钻石为均质体，偶见异常消光。
4．折射率及色散
钻石的折射率为2．417，是天然无色透明矿物中折射率
最大的矿物，所以抛光良好的钻石具有很强的光泽和亮度。
钻石的色散值为0．044，也是所有天然无色透明宝石中色散值最大的矿物。强的“火彩”为钻石增添了无穷的魅力，同时也是肉眼鉴定钻石的重要依据之一。
5．多色性
钻石属均质体矿物，无多色性。
6．发光性
钻石的紫外荧光无至强，可呈蓝色、黄色、橙黄色、粉色、黄绿色等，一般长波下的荧光强度强于短波下的荧光强度。有些可见磷光。
钻石的荧光主要与晶格中的杂质元素N有关。由于N的存在，在晶体的导带和满带之间还出现了局部能级。当晶体受到紫外线照射时，这些较高的能量使晶体结构中原子或离子的外层电子发生跃迁，满带上的电子以及局部能级上的电子，均可受到激发而跃迁到较高能级 的导带上，并在原先所在的能级上留下空位，然后较高能级上的电子可以回落到这些空位上，并释放出能量，使钻石发光，即产生荧光。根据N原子的聚合状态不同，所产生的荧光效应也有很大差别。
钻石荧光的颜色绝大部分(90％以上)为蓝白色，据研究主要与N；心(即三个N原子的原子团)有关；单个N原子置换了钻石中的C原子会产生橙黄色荧光。
蓝白色荧光一般情况下会提高钻石的色级，但荧光过强，会有一种雾蒙蒙的感觉，影响钻石的透明度，降低钻石的净度。
（日光和荧光下颜色对比）
另据报道，钻石荧光的颜色或强度不同，钻石的硬度也稍有差别。无荧光的钻石相对最硬，黄色荧光次之，发蓝白色荧光的钻石相对较软。
荧光只是一种发光现象，与放射性无关。荧光强的钻石在某些场合，可能会呈现出特殊的效果，使钻石更具独特魅力。
I型钻石以蓝色一浅蓝色荧光为主，Ⅱ型钻石以黄色、黄绿色荧光为主。
钻石在紫外线照射下并不是全部都有荧光，利用钻石是否有荧光以及荧光不同的颜色， 可以区分钻石不同的磨削性。可以确定，在同等强度紫外线照射下，不发荧光的钻石最硬，发淡蓝色荧光的钻石硬度相对较低，发黄色荧光的居中。钻石磨制工作中，往往利用这一特性。
钻石在X射线的作用下大多数都能发荧光，而且荧光颜色一致，通常都是蓝白色，极少数无荧光。据此特征，常用X射线进行选矿工作，既敏感又精确。
钻石在阴极射线下发蓝色、绿色或黄色的荧光。
7．吸收光谱
钻石可见415nm、453nm、478nm、594nm吸收线。无色一浅黄色的钻石，在紫区415nm处有一吸收谱带；褐一绿色钻石，在绿区504nm处有一条吸收窄带，有的钻石可能同时具有415nm和504nm处的两条吸收带。
（钻石吸收光谱）
(五)钻石的力学性质
1．解理
钻石具有平行<1111>方向的四组完全解理，所以抛光钻石在腰部“V”字形缺(破)口，该性质是鉴别钻石与其仿制品的重要特征之一。加工时劈开钻石正是利用这一特性。
2．硬度
钻石是自然界最硬的矿物，它的摩氏硬度为10。实际上在摩氏硬度表中，9级与10级的级差是最大的，10级的钻石硬度是9级刚玉硬度的150倍，是7级石英硬度的1000倍。
钻石的硬度具有各向异性的特征，不同方向硬度不同：八面体方向>菱形十二面体方向>立方体方向的硬度。此外，无色透明钻石硬度比彩色钻石硬度略高。
切磨钻石时是利用钻石较硬的方向去磨另一颗钻石较软的方向，只有用钻石才能磨动钻石。
虽然钻石是世界上最硬的物质，但其解理发育、性脆，所以在成品钻石的鉴定中，禁止进行硬度测试，以免造成不可挽回的损失。
3．密度
钻石的密度为3．52(±0．01)g／cm’，由于钻石成分单一，并且很纯，所以钻石的密度很稳定，变化不大，只有部分含杂质和包体较多的钻石，其密度才有微小的变化。钻石的这一特征在鉴定工作中也是非常重要的。
(六)内外部显微特征
钻石内主要矿物除金刚石本身以外，还有石墨、石榴石、单斜辉石、斜方辉石、硫化物、橄榄石、蓝晶石、
刚玉、红柱石、柯石英、自然铁、镁方解石、铁方镁石、碳硅石、云母、长石、角闪石、钛铁矿、铬透辉石、绿泥石、锆石、透辉石等。另外
在显微观察中常可看到钻石的生长纹、解理(羽状纹)、色带等特征(详见钻石内外部特征)。
（钻石中包裹的镁铝榴石晶体）
(七)热学性质
1．导热性
钻石的热导率为870～2010wRm?k)，导热性能超过金属，是导热性最高的物质。其中IIa型钻石的导热性最好。这一性质在微电子领域具有广阔的应用前景。
2．热膨胀性
钻石的热膨胀系数极低，温度的突然变化对钻石影响不大。但是钻石中若含有热膨胀性大于钻石的其他矿物包体或存在裂隙时不宜加热，否则会使钻石产生破裂。KM钻石的处理就是利用了这一特性。
3．可燃性
可燃性是指物质在空气中能够燃烧的性质。钻石在绝氧条件下加热到1800℃以上时，将缓慢转变为石墨。在氧气中加热到650℃将开始缓慢燃烧并转变为二氧
化碳气体。钻石的激光切割和打孔净度处理技术就是利用了钻石的低热膨胀性和可燃性。但对钻石首饰进行维修时，应避免灼伤钻石。
(八)电学性质
钻石中的C原子彼此以共价键结合，在结构中没有自由电子存在，因此大多数钻石是良好的绝缘体。钻石越纯净，其绝缘性越好，IIa型钻石的绝缘性最好。
IIb型钻石含有微量元素B，B的存在产生了自由电子，使这一类型的钻石可以导电，是优质的高温半导体材料。钻石半导体的电阻值随温度变化特别灵敏，甚至
连很微小的变化(±0．0024℃)都能在瞬间被记录下来，这一特点为把钻石应用于真空仪器进行精密测温的仪器，开辟了广阔的前景。合成钻石中如果含有大
量的金属包体也可以导电。
(九)亲油斥水性
钻石对油脂有明显亲和力，这个性质在选矿中被用于回收钻石，在涂满油脂的传送带上将钻石从矿石中分选出来。
（在油脂带上分选钻石）
钻石的斥水性是指钻石不能被湿润，水在钻石表面呈水珠状形不成水膜。该性质可用来鉴别钻石与其仿制品，但使用该方法前应仔细清洗宝石。
(十)化学稳定性
钻石的化学性质非常稳定，在酸和碱中均不溶解，王水对它也不起作用，所以经常用硫酸来清洗钻石。但热的氧化剂却可以腐蚀钻石，在其表面形成蚀象。
文章由玉轩吟|中国玉石门户网提供
一、钻石的基本性质
(6)黑色钻石
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