钻石的晶体结构

钻石是一种由碳元素组成的矿物，几乎完全由单一碳原子组成，矿物名称为金刚石。钻石与常见的石墨的物质成分完全一致，均由纯碳元素构成，它们之间的区别在于不同的晶体结构。由于晶体结构的不同，钻石与石墨的物理性质有天壤之别。其中又以硬度的差别最大，钻石的硬度在所知的所有物质中最高，摩氏硬度为10，恰恰相反，石墨的硬度几乎最小，摩氏硬度甚至小于1；另外无色钻石是电的绝缘体，而石墨是电的良导体，常用于制作电极。

碳的原子序数为6，有2个电子层，其中内层的第一电子层由2个电子构成，外层由4个电子构成。根据原子物理学原理，原子的第一层可容纳2个电子，第二层可容纳8个电子。当原子的外电子层填满时，原子的化学性质呈惰性，例如惰性气体氖等；当原子的外电子层未填满时，原子的化学性质活泼。碳原子内层的第一电子层为稳定的电子层，外层的第二电子层由于没有填满8个电子，为不稳定电子层，因而碳原子化学性质活泼。碳原子外层的4个电子可以与其他原子外层的电子发生作用而产生价键结合，非常容易发生化学反应，例如与空气中的氧反应发生燃烧。另外，由于外层自由电子的存在，碳也是电的良好导体。

在钻石的结晶过程中，碳原子外层的4个自由电子与周围的碳原子的外层自由电子产生共价键结合，每一碳原子可与周围4个碳原子结合，形成立方晶体结构，如图1-2所示。当1个碳原子与周围的4个碳原子结合时，每一碳原子都与另外1个碳原子各贡献1个外层电子组成1个共价键。在钻石晶体中，每一个碳原子都有4个共价键和8个共价电子，从而使每一碳原子都形成一个稳定的原子结构。相邻的碳原子之间共享的共价键电子对产生极强的结合，使相邻的碳原子紧密地结合在一起。钻石晶体中碳原子之间的距离为154Å(1 Å=10-10m），碳原子之间由共价键结合形成紧密的立方结构，因此，钻石的晶体结构是所有已知晶体中最坚固的。最坚固的钻石晶体结构必然导致最高的硬度。

图1-2 钻石的晶体结构

钻石晶体中每一个碳原子与周围的4个碳原子结合，碳原子之间的距离为154Å，碳原子之间由共价键结合形成紧密的立方结构

石墨晶体结构与钻石的立方结构不同，每一碳原子与周围在同一晶体面上的3个碳原子结合。每一碳原子都剩余1个外层电子，使每一碳原子都没有达到稳定状态。在石墨晶体的层与层之间没有价键连接，为十分不稳定结构，所以其硬度极低；另外，碳原子晶体层之间的滑动摩擦系数很小，因此，石墨是一种非常好的润滑填充剂。

在钻石结晶过程中，晶体沿特定晶面生长。最常见的钻石晶形是八面体。钻石八面体的8个面都是面积相等的等边三角形。其他的晶形有菱形十二面体、立方体、三八面体和聚形等。图1-3所示为天然钻石的天然晶形和利用相似晶形、颜色的天然钻石晶体所加工出的彩色钻石。

图1-3 天然钻石的晶形和利用相似晶形、颜色的天然钻石晶体所加工出的彩色钻石（Robert Weldon/Courtesy of Aurora Gem Collection）

图1-3中后排左起第五颗**天然钻石晶体是晶形和晶面都非常好的典型八面体；后排左起第四颗**天然钻石晶体也是八面体，但晶面受到磨损变得圆滑而不平整，晶面交角也失去棱角变成不规则圆弧形；后排最右边两颗绿色天然钻石晶体都呈立方体；后排左起第三颗**天然钻石的晶形为典型经磨损的三八面体；后排最左边两颗天然钻石晶体都是不规则形状，由最左边的那颗形状不规则的天然钻石晶体可以切割出紫红或粉红紫红色的刻面彩色钻石，十分难得。形状不规则的天然钻石晶体都是由于外力的破坏，通常是在冲刷过程中钻石之间的摩擦和钻石与砂石之间的摩擦，以及开采过程中的撞击造成的。

因为彩色钻石价格昂贵，而且价格与切工和净度关系不大，切割彩色钻石时，首先要考虑的是获得最大重量。刻面彩色钻石的形状要与原天然晶体形状尽量相似以获得最大重量。市面上绝大多数的彩色钻石的形状都是不规则的花形切工，很少见到理想亮圆形切工的彩色钻石。1997年在日内瓦以805000美元拍卖成交的一颗175ct的紫红红色钻石的形状与原晶体形状相似，主要的加工是将原晶体的自然面抛光。

钻石晶体也可能呈双晶或是多晶。图1-4是一颗晶形十分完整的天然双晶钻石晶体，主要晶体呈典型的八面体，在顶部又生长出一个小八面体。这一双晶钻石晶体的颜色为灰色，是由在钻石晶体中含有许多微小的石墨晶体或未结晶的炭黑造成的。由于石墨或炭黑呈黑色，几乎完全吸收可见光，即使很低的含量也会使得钻石变为灰色，甚至是黑色。天然灰色和黑色钻石原石一般用于工业用途。这颗灰色天然双晶钻石晶体来自钻石次生矿，经冲刷和磨损，晶面和棱角都呈圆滑状。

图1-5是另外一种天然双晶钻石晶体，由两个立方体互相嵌入构成穿插双晶（Pene—tration twin）。这颗天然双晶钻石晶体的颜色为**，如果精心加工以增强饱和度，它可能成为一颗彩**钻石。这颗**天然双晶钻石晶体的晶面和棱角都为圆滑状，也来自钻石次生矿。

图1-4 由两个八面体构成的天然双晶钻石晶体

（刘严摄影/刘严收藏）

图1-5 由两个立方体构成的天然穿插双晶

（刘严摄影/刘严收藏）

很多人买钻石并没什么经验和与钻石相关的专业的知识，所以可能只能根据一些说明书或者是卖钻者得介绍去了解。现在市场上买的钻石有很多事合成的钻石。那合成钻石怎么辨别呢？

1内、外部显微特征

　　a合成钻石内常可见到细小的铁或铁镍合金触媒金属包裹体，在反光条件下观察可见这些包裹体呈金属光泽。

　　b合成钻石的晶面上常会显示不寻常的树枝状生长花纹，在{100}面上可见残留的四边形籽晶片。

　　C天然钻石一般呈八面体或立方体等单形或聚形，而合成钻石则发育由八面体、立方体、菱形十二面体和四角三八面体等单形组成的聚形。这样，在合成钻石中形成多种生长区，显微镜下可观察到相应的生长纹理及不同生长区的颜色差异。

合成钻石鉴别（一）

　　2荧光特征

　　合成钻石在长波紫外灯下常呈惰性，在短波紫外灯下不同生长区呈现差异性发光性。而天然钻石的荧光在长波下往往强于在短波下。

　　3吸收光谱

　　无色浅**天然钻石具有415nm特征吸收线，而合成钻石缺失415nm吸收线。另外，查塔姆合成无色钻石还具有特征的271m紫外吸收峰及2802cm一红外吸收峰

合成钻石鉴别（二）

　　4阴极发光

　　天然钻石通常显示相对均匀的蓝色灰蓝色。而合成钻石通常显示占绝对优势的黄黄绿色，与天然品形成鲜明的对比。另外，合成钻石的阴极发光还具有规则的几何图形(受生长区控制)。分布于晶体四个角顶的八面体生长区发黄绿色光，呈十字交叉状:位于晶体中心的立方体生长区发**光，呈正方形:位于八面体和立方体生长区之间菱形十二面体生长区发蓝色光，呈长方形二

钻石的矿物名称为金刚石，英文名称为Diamond，源自希腊语“adamant”，意思是“坚不可摧”。

钻石与红宝石、蓝宝石和祖母绿一起并称为四大珍贵宝石。目前钻石已成为结婚的信物，并被誉为四月的生辰石，象征坚韧、永恒和纯洁无瑕。

一、钻石的化学成分和分类

1化学成分

钻石是具有立方结构的碳。主要成分是C，其质量分数可达9995%，次要成分有N、B、H等。其他微量元素还有Si、Al、Ca、Mg、Mn、Ti、Cr等。

2分类

钻石的分类最早由Robertson、Fox和Martin等三人根据钻石在红外区吸收带和对紫外光透射的差异提出，他们认为Ⅰ型钻石能透过400～300nm的紫外光并在红外区显示与氮有关的吸收带，而Ⅱ型钻石可透过低至220nm的紫外光并在红外区无明显的吸收带。

1959年美国的Kaiser和Bond发现Ⅰ型和Ⅱ型钻石的差异与杂质氮有关，后来人们又发现在含氮的钻石中氮的最常见的存在形式不只一种，氮以单个氮原子分散在钻石中，称为C心、以原子对集合体出现，称为A心、3个氮形成的原子团称为N3中心，而多于4个原子的原子团则称为B集合体(B心)，也可为一些较大的有几个原子厚的扁平层偏片晶氮存在，称为D心。钻石的分类是按照是否含氮和硼及氮的聚型类型划分如下(表14-1-1)。

表14-1-1 钻石的分类

天然钻石中Ⅰa型钻石约占98%以上，Ⅱa型占1%左右，Ⅰb型和Ⅱb型很少，人工合成钻石中以Ⅰb型为主，少量为Ⅰb和Ⅰa型混合型。

二、钻石的结构与形态

1晶体结构

钻石属等轴晶系， ；a0=035595nm；Z=8，具立方面心格子，C原子位于立方体角顶和面的中心，将立方体平分为8个小立方体，在其中4个相间排列的小立方体的中心还存在C原子，呈四次配位。每个C原子以SP3外层电子构型与相邻的4个C原子形成共价键(如图14-1-1)。C—C间距为01542nm，C-C-C键角109°28′16″。

图14-1-1 钻石的晶体结构

2形态

钻石属六八面体晶类，Oh-m3m(3L44L36L29PC)，常见单形：八面体o{111}，菱形十二面体d{110}、立方体a{100}及其聚形(图14-1-2a和图14-1-2b)。

图14-1-2a 钻石的常见晶形

钻石晶体通常呈歪晶，由于溶蚀作用使晶面棱弯曲，晶面常发育阶梯状生长纹、生长锥或蚀象，且不同单形晶面上的蚀象不同，八面体晶面上可见倒三角形凹坑，立方体晶面上可见四边形凹坑，十二面体晶面上可见线理和显微圆盘状花纹。

钻石的双晶依(111)最普遍，可成接触双晶、星状穿插双晶或轮式双晶。其中三角薄片(macle)接触双晶具有典型的扁平三角形外观，在双晶两个平面结合处环绕钻石有明显的青鱼骨刺纹，在钻石贸易中称为结节。

三、钻石的光学性质

1颜色

钻石的颜色分两个系列：即无色—浅**系列和彩色系列。无色—浅**系列钻石的颜色为：无色至浅黄、浅褐；彩色系列钻石的颜色一般为深黄、褐、灰及浅至深的蓝、绿、橙黄、粉红、红、紫红色，偶见黑色。

图14-1-2b 钻石晶体不同聚形示意图

大多数彩钻颜色发暗，强至中等饱和度、颜色艳丽的彩钻极为罕见。彩钻是由于少量杂质 N、B和H原子进入钻石的晶体结构之中，形成各种色心而产生的颜色。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。

(1)黄至棕**钻石的颜色是由于N原子代替C原子而产生的。理想的钻石晶体是禁带很宽的半导体，宽的禁带避免了可见光范围内的一切可能吸收，因此理想的钻石是无色的。当N原子代替部分C原子时，由于氮外层有5个电子，代替碳原子后多余一个电子，这电子在禁带中形成一个新的能级，相当于减少了禁带宽度，从而使得晶体能吸收可见光范围内的光能而呈现颜色。N原子代替C原子有不同的形式，一种情况是孤立的N原子代替C原子，它对能量高于22eV(波长小于560nm)的入射光有明显的吸收，使钻石呈现一系列**、褐色、棕色，其颜色很鲜艳浓郁，Ⅰb型钻石的颜色往往由该种色心引起；另一种情况是金刚石内N原子可移动聚合在一起形成多个N原子集合体，这种集合体对400～425nm光有明显的吸收作用，同时对4772nm有弱吸收，由于人们对4772nm吸收反应灵敏，4772nm蓝光被吸收后，钻石呈现**。

(2)蓝色钻石：从晶体完美程度来讲，蓝色钻石是最好的，也是极罕见的。它不含N却含有微量B(wB＜1%)，属Ⅱb型钻石。正是这些B使钻石呈现美丽的蓝色。少数含H杂质的钻石也呈蓝色。

(3)粉红色钻石和褐色钻石：这两种彩钻都是由于钻石在高温和各向异性压力的作用下发生晶格变形而产生的颜色，相比之下粉红色钻石罕见得多，因而极其昂贵。这种晶体缺陷在极端情况下可形成紫红色钻石。

(4)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阈值时，碳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，使钻石着色。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。

2光泽

钻石具有特征的金刚光泽，金刚光泽是自然界透明矿物最强的光泽。但钻石的光泽有时会因表面不平而显得暗淡。

3透明度

钻石的透明度为透明-不透明。纯净的钻石应该是无色透明的，但由于地质条件的复杂性，常有杂质元素进入钻石的晶格或以包裹体的形式存在于钻石中，使钻石的透明度受到一定的影响。

4光性

钻石属等轴晶系，为均质体，在正交偏光下全消光，但有些钻石由于内部应变或内部含有包裹体，偶见异常消光。

5折射率

钻石为单折射宝石，在钠光(5893nm)中折射率为2417，超过了常规折射仪的测试范围，是透明矿物中折射率最大的。

6色散

钻石的色散强，色散值为0044，比天然无色透明宝石的色散都高，所以我们在切割标准的钻石表面能看到漂亮的“火彩”。

7发光性

(1)紫外荧光：钻石在紫外灯下的荧光可有不同的反应，有些钻石发光很强，有些则不发光。钻石在长短波紫外光下可呈现从无至强的蓝色、**、橙**、粉色等荧光，通常长波较短波的荧光强。

(2)X射线荧光：钻石在X射线下一般呈现蓝白色的荧光，且稳定性好，在钻石开采中可根据钻石X射线下的荧光特性，将其他砾石分选出去。

(3)阴极发光：阴极发光可揭示钻石的内部生长结构，钻石在阴极发光仪的电子束照射下，绝大多数钻石会发出阴极荧光，主要呈现蓝色、橙红色和黄绿色，天然钻石和合成钻石的生长条件不同，表现出的生长结构也不同，目前阴极发光技术已成为鉴别钻石是天然的还是合成的主要手段之一。

8吸收光谱

无色—浅**的钻石，在紫色区4155nm处有一吸收谱带；其他颜色的钻石的吸收线位于453nm，466nm和478nm处；褐—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。辐照改色的**钻石可能在498nm，504nm和592nm处有吸收带。

四、钻石的力学性质

1解理

钻石有四组八面体{111}方向的中等解理，{110}、{221}的不完全解理。图14-1-3为钻石{111}方向解理示意图。

图14-1-3 钻石{111}方向解理示意图

2硬度

钻石的摩氏硬度为10，是自然界最硬的矿物，钻石的硬度具有各向异性的特征，不同方向硬度不同，其八面体晶面的硬度大于立方体晶面的硬度，因此在钻石加工中可用钻石研磨钻石。

钻石具有很强的抗磨性能，摩擦系数小，其抗磨能力是刚玉的90倍。这种特性使钻石能高度抛光，并使每个小面边棱锐利、挺直。但值得注意的是，钻石虽硬，但常显脆性，在外力冲击作用下很容易破碎。

3密度

钻石的密度为352(±001)g/cm3，因钻石成分单一，并且纯度较高，所以钻石的密度相对很稳定。

五、钻石的内含物

钻石的内含物主要有浅色至深色矿物包体、云状物、点状包体、羽状纹和生长纹。矿物包裹体主要是钻石、橄榄石、辉石、石榴子石、锆石、刚玉、黑色石墨、暗色的赤铁矿、钛铁矿、铬铁矿、硫化物等。云状物由云雾状白色或灰色包体组成，羽状体则包括开放式裂隙和隐蔽式裂隙两种裂隙类型。此外，钻石中还可见生长纹和解理等特征。

六、钻石的电学性质和热学性质

1电学性质

Ⅰ型和Ⅱa型钻石是绝缘体，室温下电阻率为1014～1015Ω·cm。通常情况下，Ⅱb型钻石因含硼而电阻率降低，为25～108Ω·cm，为P型半导体，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(00024℃±)都能在瞬间被记录下来，这一特点被广泛应用于真空仪器和精密测温的仪器中。

2热学性质

(1)导热性：钻石具有很高的导热率，且导热率与含氮量有关。若300°K下其导热率为铜的3倍，则其含氮量＜300×10-6。Ⅰa型钻石的含氮量多高于此值，故不宜作散热元件。Ⅰb和Ⅱ型钻石含氮量低，均具有很高的导热率，适于作散热元件。其中Ⅱa型钻石的导热率最好，约比铜高6倍，在190℃则升至30倍左右。

根据钻石的高导热率，宝石鉴定中可用钻石笔(热导仪)鉴定钻石和其仿制品；若简单地对着样品哈气，如果是钻石，则表面上的那层雾气比仿制品要消失得快，这是因为钻石传热快，钻石提供的热量让水膜迅速蒸发的缘故。

(2)热膨胀性：钻石的热膨胀性非常低，温度的突然变化对钻石的影响很小，但若钻石中有裂隙或含有热膨胀性大于钻石的包裹体时，温度的突变可能使钻石发生破裂。

(3)可燃性：高温下钻石可燃，燃点在空气中为850～1000℃，钻石在氧中加热到650℃时，即缓慢燃烧而变为气体二氧化碳。燃点和钻石与空气的接触面及增温率有关，一般小颗粒钻石比大颗粒钻石易燃。激光打孔就是利用该原理在很小区域内提供集中的热量，使空气中的氧将钻石中的暗色物质烧掉。在绝氧并加压的真空条件下，钻石加热到1800℃，可转变成石墨。

3其他性质

(1)表面性质：钻石表面具有亲油性和疏水性。由于钻石由非极性的碳原子组成，对水的H+和(OH)-不产生吸附作用，即水对钻石不产生极化作用，故钻石具有疏水性。

(2)化学稳定性：钻石对任何酸都是稳定的，甚至在高温下，酸对钻石也不显示任何作用，但在含氧盐类和金属熔体中，钻石很容易受侵蚀。

看外观。

钻石常见的结晶外型有六面体、八面体和菱型十二面体三种。

六面体结晶上常见正方形的蚀坑，这是因为六面体是由六个正方形的面所组成的，所以每一个面上都有可能出现正方形的蚀坑，另外六面体结晶有两个方向的生长纹理。

八面体结晶钻石原石则是由八个三角形晶面所组成，常见三角形的蚀坑。平形于八面体上三角形的三个边偶而可见六边形的蚀坑，形成原因可能是因为两种聚形造成的。八面体的三角形的面上常有三个方向的生长纹理。

三角薄片双晶是八面体的一种变形，因为它是双晶所以在侧边可以看到三个凹角，凹角之间可见青鱼骨头的生长纹理。

1、硬度

摩氏硬度10，新摩氏硬度15，显微硬度10000kg/mm2，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。金刚石硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。

2、颜色

金刚石有各种颜色，从无色到黑色都有，以无色的为特佳。它们可以是透明的，也可以是半透明或不透明。许多金刚石带些**，这主要是由于金刚石中含有杂质。

金刚石的折射率非常高，色散性能也很强，这就是金刚石为什么会反射出五彩缤纷闪光的原因。金刚石在X射线照射下会发出蓝绿色荧光。

3、亮度

金刚石因为具有极高的反射率，其反射临界角较小，全反射的范围宽，光容易发生全反射，反射光量大，从而产生很高的亮度。

4、结构

金刚石结构分为；等轴晶系四面六面体立方体与六方晶系钻石。

在钻石晶体中，碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。

每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。

5、稳定性

金刚石化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，高温下不与浓HF、HCl、HNO3作用，只在Na2CO3、NaNO3、KNO3的熔融体中，或与K2Cr2O7和H2SO4的混合物一起煮沸时，表面会稍有氧化；在O、CO、CO2、H、Cl、H2O、CH4的高温气体中腐蚀。