钻石结构及性质

1、Cha.2 钻石的结构及物理性质 目的及要求目的及要求： 掌握掌握 1.钻石的基本结构单元钻石的基本结构单元 2.与钻石相关的重要名词及术语与钻石相关的重要名词及术语 3.重要物理性质及意义重要物理性质及意义一、钻石的基本结构1碳原子结构碳原子结构 C 外层6个电子，C6 原子核外电子排列遵从系列规则： 层：K . L . M . N . O 等 亚层：s . p . d . f 等 相对应轨道：1、3、5、7 等轨道数， 每一轨道容纳自旋方向相反的两个电子。 电子排列基态： 1S2 2S2 2P2 第一激发态： 1S2 2S1 2P3 2C原子的晶体结构原子的晶体结构 为保证外层8个电子的稳

2、定结构，C原子具有4个共用电子对。C原子的规则排列形成下列三种结构：na. 石墨：六方晶系，由六方环构成的层状结构 层内C连结牢固 C-C ：0.142nm 层间C-C ：0.335nm 是层内的2.5倍 由微弱的Vander Walls 力结合 是作铅笔、润滑剂的重要原因b六方钻石六方钻石Lonsdaleite 六方晶系，钻石罕见的多形变体，与钻石相似的RI & S.G。 形成原因： 1.天然极高压条件，如陨石中 2.人工合成，美国GE公司n同质多象同质多象：相同的化学成分，不同的晶体 结构和物理性质的晶体。n c钻石的结构：钻石的结构：等轴晶系：等轴晶系： 每个C原子周围4个C原子

3、组成共价健，C原子间等间距排列C-C键长为0.154nm，原子间结合牢固。 基本单元结构基本单元结构： 立方面心格子，C原子占据立方体的角顶，面中心以及相间排列的小立方体中心。n（晶体的其它格子类型：底心、体心、面心、原始格子）钻石单位晶胞：立方面心格子钻石单位晶胞：立方面心格子 钻石重要性质如钻石重要性质如： 高导热性、高硬度、高相对密度、高导热性、高硬度、高相对密度、 高透明度、强的化学稳定性、高透明度、强的化学稳定性、 润湿性、导电性及优良的光学性润湿性、导电性及优良的光学性 质等均由其成分和结构决定。质等均由其成分和结构决定。二、钻石的形态二、钻石的形态：晶体晶体：内部原子具有规则排列

4、的固体，内部 的有序排列导致外部一定的几何形态。1单形单形：由同形等大的面围成的封闭图形 钻石常见单形有： 立方体、八面体、菱形十二面体 其他单形有： 四六面体，24 四角三八面体，24 三角三八面体，24 六八面体，48 罕见的单形：四面体，具研究意义 2聚形聚形：两个或两个以上多个单形按一定的对称规律聚合在一起的图形。钻石常见聚形有： 如 立方八面体， 立方菱形十二面体， 八面体菱形十二面体， 立方-八面体-菱形十二面体聚形等。 n钻石结晶习性钻石结晶习性：钻石经常产出的晶体 形态，常见为八面体，菱形十二面体 和立方体等。3双晶双晶：两个单体或多个单体按一定 的对称方式结合在一起，彼 此间

5、有结晶学关系（成核 时即形成双晶）。 常见的双晶有：接触双晶、穿插双晶n钻石常出现的双晶为接触双晶，又称：Macle三角薄片双晶三角薄片双晶典型的扁平状三角形外观，双晶结合面处环绕钻石有青鱼骨刺状的纹理，n结节结节：三角薄片双晶中，纹理方向发生变化处一即双晶结合面位置，对加工时抛磨方向的确定有重要影响。 4钻石的不规则形态钻石的不规则形态 常表现为： 形状不规则、晶体破裂、晶面不 平整、晶棱圆滑， 晶面发育蚀像等。 主要原因有：主要原因有：n 生长速度或生长空间受到限制n 原始晶体受到岩浆熔蚀或溶解n 构造应力或机械破碎作用 三、与钻石相关的重要名词三、与钻石相关的重要名词1纹理纹理：在钻石生

6、长过程中形成的、表面 或内部所见到的与结构有关的一 条或多条线。 意意 义：义： a. 鉴定钻石原石； b. 帮助加工定向，劈开时沿着纹理方向， 锯开或抛磨时垂直纹理方向； c. 影响钻石的净度级别。 2三角凹痕及三角座三角凹痕及三角座 三角凹痕：天然钻石的八面体面上因三角凹痕：天然钻石的八面体面上因 溶蚀而形成的三角形凹坑；溶蚀而形成的三角形凹坑； 常为等边三角形，其角顶常为等边三角形，其角顶 指向边棱方向。指向边棱方向。 三角座：八面体面上出现的凸起的三三角座：八面体面上出现的凸起的三 角形，方向与主晶面三角形角形，方向与主晶面三角形 一致，主要由生长所致。一致，主要由生长所致。 3带壳钻

7、石：带壳钻石： 钻石具有粗糙的糖状表面，常呈黄、绿、钻石具有粗糙的糖状表面，常呈黄、绿、灰、黑等颜色，该壳由含有大量微小包裹体的灰、黑等颜色，该壳由含有大量微小包裹体的钻石所构成，厚薄不同，其内通常高品质钻石。钻石所构成，厚薄不同，其内通常高品质钻石。用强光或开窗观察评价。用强光或开窗观察评价。 4烟幕钻石：烟幕钻石：钻石表面具有微薄的半透明、光泽较弱的表皮。钻石表面具有微薄的半透明、光泽较弱的表皮。成因：由搬运磨蚀所致或形成于金伯利岩喷成因：由搬运磨蚀所致或形成于金伯利岩喷 发时期（岩浆熔蚀）。发时期（岩浆熔蚀）。 5氧化钻石氧化钻石 钻石发育大量的微裂隙，其内含有铁质氧钻石发育大量的微裂隙

8、，其内含有铁质氧化物，常表现为橙黄色或橙红色。化物，常表现为橙黄色或橙红色。6劣等钻石：仅用于磨料级的低品质钻石劣等钻石：仅用于磨料级的低品质钻石黑钻石：多孔的、杂孔排列的黑色细小钻石黑钻石：多孔的、杂孔排列的黑色细小钻石 集合体，硬度大，巴西产。集合体，硬度大，巴西产。 磁性钻石：含磁铁矿的黑钻石，具磁性。磁性钻石：含磁铁矿的黑钻石，具磁性。 工业级钻石又分许多类型：工业级钻石又分许多类型： 拉丝模、刀具、硬度计、磨料等拉丝模、刀具、硬度计、磨料等。四、钻石的基本物理性质四、钻石的基本物理性质1解理解理：外力作用下，晶体沿结晶薄 弱的方向裂开成平整、光滑 平面的性质。（不同的宝石 解理的组数

9、及完善程度不等） 钻石钻石：八面体解理，4组，完全 原因原因：晶体中不同的面网的密度不 同，某些面跨接的键比其 它面少，晶体该方向较脆 弱，易产生解理。 2导电性：导电性：天然b型 蓝色钻石具导电性， 其它均为绝缘体。原因：原因： b型钻石含B原子，外层为3个价电子，与碳原子结合时产生一个空穴，B含量增加时，空穴增多，碳原子在室温下可电离，电子可充填空穴，产生导电性产生导电性； 同时电子在不同能级间运动可吸收部分可 见光，由此产生蓝色产生蓝色。应用：应用：区分天然蓝色钻石与辐照处理蓝色 钻石，后者不具导电性。 3硬硬 度度 原因原因：结构中无自由电子，无未结合 的键（即使是表面也极少）， C-

10、 C原子间间距短,共价键力 强，由此形成高硬度特征。 硬度测定方法有三种： 刻划硬度 磨损硬度 压痕硬度 宝石学中表示硬度常用刻划硬度宝石学中表示硬度常用刻划硬度 摩氏硬度计及意义摩氏硬度计及意义 用10种普通的高纯度矿物材料，多为容易获得的常见材料，序号大的矿物可刻划序号小的。相对顺序为： 1、滑石 6、正长石 2、石膏 7、石英 3、方解石 8、黄玉 4、萤石 9、刚玉 5、磷灰石 10、金刚石n 摩氏硬度计局限性：摩氏硬度计局限性： a. 硬度具有方向：差异硬度差异硬度 即晶体的不同结晶学方向上硬度有差异 b. 仅代表一种相对顺序，非线性尺度 如用硬度仪测量的刻划硬度钻石为刚玉 的140

11、0倍。硬度的重要性硬度的重要性： a高H，宝石具有良好的耐久性； b高H，光泽强，切工好，棱角锋锐， 光学性质表现完善； c. 作为工业磨料，广泛使用； d. 鉴定的辅助手段。 4韧性和脆性韧性和脆性 韧性：物体抵抗分裂的能力。 脆性：物体受力破碎的程度。 钻石比玉石（硬玉,软玉）韧性差，脆性大。 不要与硬度混淆不要与硬度混淆。 5相对密度相对密度 定义 S.G： 3.52 原因：尽管C原子质量轻，但原子间 间距短，键力强，结构致密。 意义：选矿过程中重力分选； 鉴定仿制品：如YAG：4.5-4.6， CZ：5.6-6.0，GGG：7.0-7.1。 6热学性质热学性质 特点：低的热膨胀性及高的

12、导热性低的热膨胀性及高的导热性。a. 低热膨胀性低热膨胀性无裂、无包裹体的钻石，真空加热1000以上再冷却 ，仍然完好。有氧条件下 ，600时即燃烧为二氧化碳。 b高导热性高导热性 测定：测定：使一定厚度的材料温度升高一度 所需的能量W/m 。 钻石在常见非金属宝石中最高，刚玉次之 原因：原因：C原子轻，共价键力强，原子振 动频率高，等轴有序结构，各方 向均匀快速散热。 应用：应用：鉴定钻石哈气实验、热导仪； 工业应用散热片、测温热感应器。：7润湿性：钻石的亲油疏水性。润湿性：钻石的亲油疏水性。 原因原因：晶体表面未占用的键可与气体分子结合（仅少数未占用），极性低的表面吸油比吸水容易，水不能呈

13、薄膜状态附在钻石表面，水的表面张力使其呈滴状。（钻石非极性表面，水极性分子，油非极性分子） 应用应用：钻石回收油脂摇床 钻石鉴定钻石笔：油性笔、水性笔 8、化学稳定性、化学稳定性 抗强酸、碱性能好抗强酸、碱性能好五、钻石的光学性质五、钻石的光学性质 1、折射定律与折射率、折射定律与折射率a 基本概念基本概念：入射线、法线、折射线、 入射角、折射角、光疏介质、光密 介质、斯涅尔折射定律 b折射率本质折射率本质：对于给定的两种介质， 入射角正弦与折射角正弦之比为一常数。 c. 光线运行规律光线运行规律： 光疏介质进入光密介质，折射角小于入射角， 光密介质进入光疏介质，折射角大于入射角。 d钻石钻石

14、RI：2.42 国际规定，用标准黄光源（钠光灯）国际规定，用标准黄光源（钠光灯）平平均波长均波长589.3nm测定，不同的宝石具有不同测定，不同的宝石具有不同 的折射率的折射率鉴定宝石的重要参数。鉴定宝石的重要参数。 常见仿制品的折射率：常见仿制品的折射率：合成金红石：合成金红石：2.6-2.7 GGG：1.97 钛酸锶钛酸锶: 2.41 CZ： 2.09-2.18 锆石：锆石： 1.92-1.98 YAG：1.83 2单折射与双折射单折射与双折射单折射单折射：光线在均质体宝石中传播,基本不改变 入射光波的振动方向和振动特点，只 有一个RI，即RI不因光波在晶体中振 动方向不同而改变。双折射双

15、折射：光线进入非均质宝石中分解成传播速 度不同、折射率不等、振动方向互相 垂直的两条偏振光的现象。 钻石及大部分仿钻是单折射钻石及大部分仿钻是单折射,均质体。均质体。 锆石、合成金红石、碳化硅等为双折射宝锆石、合成金红石、碳化硅等为双折射宝石，双折射率大，易见刻面棱双影线，亦称石，双折射率大，易见刻面棱双影线，亦称“双轨双轨”效应。效应。 异常消光或异常双折射：异常消光或异常双折射： 正交偏光镜下，转动宝石，均质体宝石 出现明暗区变化或不均匀消光影的现象。 钻石具异常双折射，其原因有： 不均匀的应力作用； 不同类型的钻石的混合； 包裹体的影响。 3色色 散散 a. 定义定义: 白光通过透明物质

16、的倾斜平面时，白光通过透明物质的倾斜平面时， 分解成其组成波长的现象分解成其组成波长的现象色散。色散。 由此形成的光谱色由此形成的光谱色火彩。火彩。 出现光谱色界限是连续渐变的，出现光谱色界限是连续渐变的， 红光的折射率小于紫光的折射率。红光的折射率小于紫光的折射率。 测定：用太阳光谱中测定：用太阳光谱中B、G线的波长分线的波长分 别测出材料的别测出材料的RI的差值表示。的差值表示。 B：686.7nm红光红光 G:430.8 nm 紫光紫光 b. 钻石：钻石：0.044 天然无色宝石中最高天然无色宝石中最高 仿钻：钛酸锶仿钻：钛酸锶：0.19 CZ：0.065 合成金红石：合成金红石：0.2

17、8 GGG：0.045 锆石：锆石：0.039 YAG：0.028 色散与火彩的形成色散与火彩的形成 4、反射定律与反射率、反射定律与反射率A反射和反射定律反射和反射定律 B反射率：特定的入射角范围内，反射光线反射率：特定的入射角范围内，反射光线 的强度与入射光线的强度之比。的强度与入射光线的强度之比。 反射率反射率=反射光的强度反射光的强度 /入射光的强度入射光的强度Fresnel 计算公式：计算公式： 反射率反射率=（n-N）/（n+N） n：宝石宝石RI， N：介质介质RI 空气空气N=1， n=2.417时，钻石反射率为时，钻石反射率为17% n=1.54时，水晶反射率为时，水晶反射率

18、为4.5%C.影响反射光量或反射率的因素影响反射光量或反射率的因素：a 物质的结构及RIb物质的透明度c 物质的厚度d物质表面状态及抛光质量e 入射光的性质 f 入射的角度 5、全内反射与临界角、全内反射与临界角 定义：光线从光密介质定义：光线从光密介质光疏介质，折射线偏光疏介质，折射线偏 离法线，折射角离法线，折射角入射角，当光入射角入射角，当光入射角 逐渐增大至折射角为逐渐增大至折射角为90时，此时的入时，此时的入 射角称为临界角，所有大于临界角的光射角称为临界角，所有大于临界角的光 线入射时折射光线消失，而沿原介质反线入射时折射光线消失，而沿原介质反 射回来，并遵循反射定律。射回来，并遵

19、循反射定律。 介质的介质的RI与临界角成反比与临界角成反比 YAG： 1.83 33.5 Diamond：2.42 24.5应用：设计理想切磨角度，增强宝石的亮度；应用：设计理想切磨角度，增强宝石的亮度； 依全内反射原理设计折射仪鉴定宝石。依全内反射原理设计折射仪鉴定宝石。6、其他相关的光学名词、其他相关的光学名词A光泽：光泽：一种表面光学现象，取决于宝石的 折射率的大小及抛光程度的优劣。常见光泽类型：常见光泽类型：金刚光泽钻石所表现出的特征光泽；亚金刚光泽仅次于钻石的光泽， 如锆石、榍石；玻璃光泽大多数透明宝石表现的光泽类型， 仍有强、中等、弱之分，为经验 性鉴定提供证据。其它类型：油脂、蜡

20、状、土状、珍珠光泽等。 B亮度：亮度：白光从正面射入宝石后又被反射回观察者眼中的光量，是全内发射与表面反射光的综合，以全内反射光线为主，取决于宝石的折射率、切磨比例及抛光质量三个要素。C火彩：火彩：白光分解成其光谱色的现象，从切磨比例标准的钻石冠部所见到的光谱色-火彩。 全内反射的光部分产生火彩，部分为亮度，台面以产生亮度为主，周围小刻面以产生火彩为主，二者最佳比例才能导致亮度与火彩的最佳匹配效果，同时最大不可能。 D闪烁：闪烁：是通过宝石、光源或观察者眼 睛三者的运动而观察到的宝 石刻面闪光现象，是宝石小 刻面的切磨角度与入射光角 度综合所致。 要求：a. 小而亮的光源，光源聚光灯、烛光； b. 宝石、光源或眼睛三者之相对运动。 钻钻 石石 的的 闪闪 烁烁 7、宝石的发光性、宝石的发光性A定义定义：物质内部原子受激发而发出可 见光的现象。发光类型：发光类型： a电磁辐射光致发光，包括： 可见光、紫外光、X射线、阴极 射线等激发源； b摩擦发光； c 电发光； d热发光； e. 生物发光等。注意电磁波谱范围内与宝石学应用有关的波段注意电磁波谱范围内与宝石学应用有关的波段 B荧光和磷光荧光和磷光荧光荧光：物质受高能射线照射时（如