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1、第三章 钻石的结构及物理化学、光学性质,structure and physical, chemical, optical properties,一、钻石的晶体结构特征,三、钻石的分类,四、钻石的光学性质,二、钻石的物理性质,钻石(Diamond)在矿物学上称为金刚石，是在已知宝石矿物中唯一由单一碳元素组成的晶体。生活中所说的钻石是以天然矿物金刚石为原料加工而成的首饰或者装饰品。,一、钻石的晶体结构特征,Crystal Structure,金刚石是以天然产出的以碳原子组成的具有立方面心晶体结构的一种矿物。,钻石、金刚石,钻石的晶体结构特征,Crystal Structure,金刚石和石墨的化学
2、成分都是碳(C)，称“同素异形体”。碳原子以不同的方式键合。,石墨内部的碳原子呈层状排列，一个碳原子周围只有3个碳原子与其相连，碳与碳组成了六边形的环状，无限多的六边形组成了一层。层与层之间联系力非常弱，而层内三个碳原子联系很牢，因此受力后层间就很容易滑动。,钻石,石墨,（上图为钻石和石墨结构对比）,钻石的晶体结构特征,Crystal Structure,金刚石内部的碳原子呈“骨架”状三维空间排列，一个碳原子周围有4个碳原子相连，因此在三维空间形成了一个骨架状，这种结构在各个方向联系力均匀，联结力很强，因此使金刚石具有高硬度的特性。,钻石的晶体形态特征,晶体形态可分为两种类型：单形和聚形，单形
3、为由同种晶面组成的晶体形态；聚形是由两种以上的晶面组成的晶体形态，聚形是由单型聚合而成。,聚形,单形,钻石的晶体形态特征,钻石常见有七种单形：八面体、菱形十二面体、立方体、三角三八面体、三角四六面体和四角三八面体。,钻石的晶体形态特征,钻石的双晶,双晶是两个以上同种晶体按一定的对称规律形成的规则连生。钻石常出现接触双晶类型，接触双晶是指双晶个体以平面相接触而连生在一起。,钻石的晶体形态特征,钻石的双晶,（由两个八面体构成的天然双晶钻石晶体）,（由两个立方体构成的天然穿插双晶）,钻石的平行连生，金刚石晶体沿同一方向聚集在一起，但不是以双晶结合方式连生，内部构造是连贯的；,钻石的平行连生和多重生长
4、,多重生长是指一个晶体是由两个或者更多晶体以互不相同的角度相互穿插而不是平行的生长到一起所产生的晶形，因此内部构造是不一致的，它也不属于双晶；,平行-交叉连生晶：由平行连生及交叉连生的聚合金刚石连生体组成。,钻石的平行连生和多重生长,二、钻石的物理性质,硬度 金刚石的摩氏硬度为10，是最硬的物质。 这种10级硬度是相对的。实际上它是硬度为9的刚玉的绝对硬度的150倍，比硬度为7的水晶大1000倍。,Physical properties,钻石的物理性质,Physical properties,各向异性 晶体不同方向硬度有一定差异(111)(110) (100) (用立方模型表示)。这给钻石的加
5、工带来了方便。金刚石的高硬度保证了钻石的耐久，永不磨损。,钻石的物理性质,密度 金刚石的密度3.54g/cm3。若含杂质或裂隙，可能稍低约3.2。它的密度比一般的砂子(石英、长石，2.6-2.7)大，早先人们在淘金时，有时会淘出金刚石。在砂矿中采金刚石就用淘洗法。,Physical properties,鉴定：在重液（二碘甲烷，3.32）中钻石下沉速度慢于常见仿制品：钛酸锶 5.13，GGG 7.05，YAG 4.58，CZ 5.6-6.0，铅玻璃3.75。,解理 当金刚石晶体受到强大外力撞击时可能会沿一定的结晶方向裂开成一平面，这种性质就称为解理。,Cleavage,金刚石具有中等解理。这是
6、钻石的唯一缺点。所以说钻石“不怕磨，但怕打(击)”，加工师可借此将钻石劈开。钻石具有八面体中等解理，解理发生在那些结合力较弱的面网之间，如面网间距较大者。,钻石的八面体解理（晶面上布满三角凹坑）,解理和生产纹,Cleavage,断口 受外力作用，在任意方向破裂并呈各种凹凸不平的 断面（如贝壳状、锯齿状），则称为断口，断口能在所有 晶质或非晶质宝石中出现。钻石的断口为阶梯状。,Fracture,钻石的崩断口呈阶梯形状,冒仿品的崩断口呈阶弯弧或贝壳型切口,韧性 韧性与硬度有关的性质，但不能混淆。韧性取决于宝石中原子的键合能力和宝石的晶体结构，是指矿物抵抗分裂的能力与脆性相反，韧性越好，则发生脆性断
7、裂的可能性越小。韧性：钻石韧性较差，遇磕碰容易被损坏。,钻石的主要性质,纯洁的钻石应该是透明无色的(习惯称白色)。因经常含有杂质或结构缺陷，钻石可呈现各种颜色，如白、黄、橙、棕、绿、蓝、红、紫、烟灰和黑色及乳白色。,颜色, 普通系列(开普系列)：主要为a型钻石。颜色白-黄-棕，含氮愈高，颜色愈黄。,颜色, 彩色系列：如蓝色主要分布在b型，因含B而呈色。我国辽宁及澳大利亚都有产出，大多为a型，可能是含少量锰（Mn）的原因。,颜 色, 使人不喜欢的颜色：如乳白色、灰色、烟色、黑色，是因为钻石内含有微小气泡、石墨包体等杂质造成的。,颜色,彩钻因美观罕见，其价值比白色钻高得多。如澳大利亚AK岩管产出的
8、一颗3.5ct的粉钻，价值350万美圆，比白钻贵数十倍。,钻石在高能量射线(如紫外光)照射下可以产生不同的色光，如型常呈蓝浅蓝的占65%，另有黄、橙、白、绿，也有不发光的；型70%发黄绿色光。如果照射停止发光也立即消失，称为荧光。,发 光 性,照射停止后，钻石还能继续发光一段时间，称为磷光。自古人们传说有“夜明珠”的宝物，其中可能就有发磷光的钻石(白天受阳光的紫外光照射，夜晚继续发光)。,发 光 性,发光性,钻石的颜色成因,钻石晶格完整时，在可见光范围内没有选择性的吸收，称无色，但还有褐色，彩色等钻石，引起它们的颜色的原因有：,2、天然辐照损伤致色：自然界中，天然的a粒子的辐射作用使部分钻石晶
9、体表层呈绿色，其颜色厚度约几十微米，经抛磨后，表层薄层即消失。因此，抛光成品的钻石中，自然辐照致色非常罕见，绝大部分绿色或兰色钻石为人工辐照致色。,1、晶格杂质元素致色作用：钻石中的元素主要有N、B、H。,钻石的颜色成因,3、塑性变形的致色作用：褐色、粉红色和紫红色钻石与塑性变形有关，在高温高压的上地幔环境中或在钻石被岩浆捕获向上运移过程中，要发生不同程度的塑性变形，产生晶格滑移或位错，形成点缺陷或结构缺陷，产生不同的颜色，因塑性变形的不均匀性常使钻石的颜色不均匀。,钻石的颜色成因,4、包裹体致色：因含有大量包裹体而使钻石呈现颜色，当钻石中含有无数的暗色不透明矿物包裹体时，呈黑色；另一种是后期
10、次生包裹体，存在于钻石的裂缝中，当钻石裂缝发育，并充填有这些颜色的包裹体时，使钻石呈褐红色或橙红色，这种钻钻石亦称“氧化”钻石。,根据钻石中是否含有N、B元素以及含量把钻石分为型和型。 N和B常以类质同象的形式替代C进入钻石晶格中。N含量可达0.20%。 型 (含N) a型：N在晶格中以N2 、N3 、Nn的形式存在。多数天然无色黄色系列的钻石属于此种类型。,三、钻石的分类,aA，氮以2原子集合体即A集合体存在， 在aB型钻石中，氮以环绕一个空穴的4氮原子集合体即B集合体存在；许多钻石中同时含A集合体和B集合体，这类钻石被定义为aA/B,钻石的分类,(氮原子对),(N3中心),b 型：N在晶格
11、中以孤N的形式存在。合成钻石及少量天然钻石属于此类型。 氮原子的含量越高，黄色越深，甚至可能产生与开普系列钻石浅黄色不同的强金黄色。Ib型自然界很少 0.1%以下，以合成为主无N3中心无415nm吸收。,钻石的分类,钻石的分类,型（基本不含N） a型：不含B，自然界少见，导热性很好。 自然界中很少见，常呈不规则晶形，无明显晶面，几乎纯净，含可忽略不计的杂质。,a型钻石“库利南”(非洲之星),钻石的分类,b型：含少量B，为半导体，天然蓝色钻石多为此类型。 硼以孤立原子的形式随机取代钻石晶体结构中的碳原子， b型显示不寻常的电性。,b型钻石hope,四、钻石的光学性质,基本概念,折射 光的折射：光
12、从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。,钻石的光学性质,基本概念,折射率 光从真空射入介质发生折射时，入射角i与折射角r的正弦之比n叫做介质的“绝对折射率”，简称“折射率”。它表示光在介质中传播时，介质对光的一种特征。,双折射 光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射现象。它们为振动方向互相垂直的线偏振光。,光的反射 光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象。,临界角与全反射 光线从光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角；当入射角为某一数值时，折射角等于90，此入射角称临界角。光由光密（即光在其中传播速度较小的）媒质射到光疏（
13、即光在其中传播速度较大的）媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象称为全反射。,钻石的光学性质,基本概念,色散 复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。进入钻石内的光线，根据不同瓣面角度作内部反射，光线的分配反射产生彩虹七色，称为钻石的色散。,切割标准钻石的光学特征,为了最大限度地体现钻石的美，按理想的比例并精确加工十分重要。钻石的各个部分都要求有一定的比例，这样从不同方向射入钻石的光线才能最大限度地反射出来。,切割标准钻石的光学特征,因为钻石的折射率比水晶大，从上面示意图我们可以看到，一束光线射入钻石后，在亭部刻面产生全反射，又从台面反射出来了，反射的光线越多，钻石就越明亮。而一束光线射入水晶后，在亭部刻面光线漏掉了，反射出来的光线就少，所以水晶远没有钻石明亮。,切割标准钻石的光学特征,思 考 题,1、钻石和石墨在结构和物理性质上有什么不同。,2、钻石有哪些单形和聚形,并分析钻石晶体的对称性,3、简述钻石的分类。,4、结合钻石的物理性质,叙述如何收藏 和保存钻石首饰。,