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PAGE PAGE 1 第一章 钻石的物理化学性质 钻石概述 钻石是指宝石级的金刚石，金刚石是钻石的矿物名称，它是由碳 (carbon)元素组成。钻石的英文名称为Diamond，从16世纪开始使用至今，来自希腊语中 “Adamas”，意思是 “坚硬无比”或 “难于征服 ”。 钻石具备了作为宝石的三个的基本条件，即美观(beauty)、耐久(durability)和稀少(rarity)。这表现在：钻石不但具有很强的金刚光泽(adamantine luster)，而且有很高的折射率(refractive index)和很强的色散(dispersion)， 经琢磨后光彩夺目、晶莹闪亮，享有“宝石之王”的美誉。钻石是自然界矿物中最硬的物质， 素有“ 硬度之王” 的美称， 其摩氏硬度(Moh’s hardness) 为10 ， 而其绝对硬度是刚玉(corundum)的140倍、石英(quartz)的1100倍。目前全球共只有23个钻石生产国，年产量介于104-110百 万克拉之间，而宝石级钻石仅占钻石总产量的 20%左右；每天全球产出的D色级、无瑕疵、重1-2克拉之间的钻石不超过3颗，每年全球产出的成色为D级、重量大于0.5克拉的钻石不足5000颗。 在习俗中，钻石被定为四月生辰石，象征坚贞、纯洁和永恒；并作为结婚的信物，结婚 60周年的纪念石，被誉为“爱情之石”。 纯净的钻石是由规律重复排列的碳原子 (atom)组成，它的晶体结构具立方面心晶胞 (face-centred cubic lattices)，每个碳原子都与周围的四个碳原子相连接，并且每两个相邻碳原子间的距离均相等(为0.154nm)，形成四面体配位 (coordination)，整个结构可看为以角顶相连接的四面体的组合 (图1-1)，碳原子形成四个共价键(covalent bond)，键角为109 2816。这种规则而紧密的晶体结构使钻石具有高硬度、高熔点、高导热性、极低的导电性和极好的化学性质稳定性。 图1－1 金刚石的晶体结构基本单元－面心立方体 此外，还存在六方晶格(hexagonal lattice)的金刚石，它系陨石(meteorite)撞击地表时所形成的，称为III型钻石或朗斯代尔矿 (lonsdaleite)。后来用爆炸冲击法也可合成，对石墨 (graphite)单晶沿C轴方向加温加压，也可合成六方结构的金刚石；在天然金刚石中只有在俄罗斯乌拉尔 (Ural)发现具有这种结构的金刚石，不能作宝石用途。 同样由碳元素组成的石墨 (graphite)，它的晶体结构具有典型的层状 (layer)结构，每一层中的碳原子排列成六方环状(图1-2)，上层面网的碳原子对着下层面网六方环的中心，面网内每个碳原子为相邻 的三个碳原子所围绕，其间距为0.142nm；但面网之间的距离为0.340nm，比层内碳原子之间的距离大得多，即层间的价键较弱。石墨是一种多键型的晶体，与金刚石只具单一的共价键不同，它在层内主要为共价键 (covalent bond) ，也有部分的金属键 (metallic bond) ，而层与层之间为分子键 (molecular bond)。金属键的存在使石墨具有金属光泽 (metallic luster)、良好的导电性和导热性等性质。而层间的分子键使石墨层间极易滑动，有滑腻感，硬度低等特性。所以，石墨的这种晶体结构，决定了它在物理性质上表现出明显的方向性，且与金刚石的性质截然不同。石墨和钻石有同样的化学成分，但具有不同的晶体结构和物理性质，这种现象称为同质多象(polymorph)。 （a） （b） 图1－2 钻石（a）和石墨（b）晶体结构的比较 钻石特性 化学组成 主要由碳(C)元素组成。钻石常含有各种杂质 (impurity)和包裹体(inclusion)，其中氮(nitrogen)和硼(boron)是最重要的杂质元素，它们的含量和存在形式，会直接影响钻石的光学、电性和热学等物理性 质。 所以，目前氮和硼成为钻石分类的基本依据。 钻石分类 早在本世纪三十年代， Robertson、Fox和Martin等人根据红外区(infrared)吸收带(absorption band) 的差异和紫外光(ultraviolet ray)透射(transmission)的差异，提出钻石的光学性质分类；后来人们发现钻石I型(type I) 与II型(type II) 的差异是与所含的氮(N)有关，首先根据氮的含量分为I型和II型。I型钻石又 按氮的存在形式分为 Ia型和I 型；II型钻石根据是否含硼(B)分为IIa型和II 型。另外，由于氮的分布不 b b 均匀可形成混合型钻石。 I型钻石 这类钻石能透过400-300nm的紫外光并在红外区显示