女性梦寐以求的彩钻是怎样形成的？

在自然界，有一种矿物叫做“金刚石”。大部分的金刚石是黑色不透明，或者有很多裂纹包裹体，只有小部分金刚石透明若水，达到了作为宝石原料的要求，叫做宝石金刚石。经过琢磨加工的宝石金刚石，就是女性们梦寐以求的宝石之王——钻石。宝石金刚石之所以这样珍贵，是由于它不仅特别稀少，而且具备宝石所应有的一切条件。

金刚石的化学性质非常稳定，这是它作为宝石的一优越条件。金刚石的化学成分是碳，与石墨、煤的化学成分一样，但由于金刚石的结构与它们不同，非常稳定（如图1），使得性质有何大差异。在空气中，金刚石并不像煤那样容易燃烧，必须达到850~1000℃的高温才能燃烧，形成二氧化碳而毫无残渣。金刚石不仅在空气中稳定，强酸强碱也不能腐蚀它，甚至将金刚石放在酸碱溶液中煮沸，它也丝毫不变。因此，当采到的宝石金刚石表面附有杂质时，不用机械方法清除，以免损害宝石，这时可以用强酸或强碱长时间浸泡，溶去杂质，而金刚石毫不受损。

图1

金刚石是世界上最硬的物质。它可以刻划任何东西，包括坚硬的玉石。因此，宝石金刚石加工成的钻石坚固耐久，永远闪光发亮而不变，因为它的磨光表面不会被划伤或磨光。必须注意的是，金刚石虽然很硬，但却非常脆，容易被打碎，这一点是很多人所不了解的，因此在加工琢磨及佩戴钻石首饰时，都必须当心。

高的折射率是使金刚石成为极珍贵宝石的另一个原因。金刚石的折射率高达24左右，这几乎是世界上透明物质中折射率最高的。物质反光能力随折射率的增高而增大，因此，钻石的磨光表面能大量反射外界光线。按照现代科学设计的型式磨制出的钻石，能把表面上及射入内部的光全部反射出去，使整个钻石闪烁着耀眼的光芒。由于射到钻石上的光全部都被反射出来，钻石看起来像镀银似的（如图2），几乎看不出是透明的。

图2

金刚石的色散很大，即对于不同波长的色光，折射率的差别很大。一束白光射入琢磨好的钻石中时，因折射率不同，长波的红光和短波的蓝光会分开，经两次内部反射透出钻石时，红光和蓝光就离得很远。由于这种色散现象，使钻石呈现五颜六色的闪光，显得异常美观。

金刚石在生长过程中，因含有不同化学微量元素，导致晶体内部结构变形，从而使钻石呈现不同颜色（如图3）。比如，当氮原子取代钻石晶体中的某些碳原子时（每一百万个碳原子中，有一百个被取代），开始吸收蓝，紫色光线，因而使钻石呈现**；钻石在形成过程中，吸收微量硼元素，钻石便显天蓝色；在晶体形成过程中，晶格结构扭曲，而使钻石呈现红色；当晶体受到自然辐射，晶格结构发生改变，从而使钻石呈现绿色。这些有颜色的钻石又称为彩钻，因为颜色罕有，价值不菲。

图3

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作者： 北京80中 罗静卿 [责任编辑: 范作言]

根据固体物理的能带理论，晶体中存在两个基本能带：一是高能导带（Conduction Band），二是低能价带（Valence Band）。一般情况下高能导带是空的，没有电子；低能价带充满了电子。高能导带和低能价带之间的能量差被称为带宽。利用能带理论可正确解释和准确计算金属和半导体性质。

钻石晶体具有典型的高能导带和低能价带，图2—1所示的是钻石的能带图。钻石晶体的带宽大约是548eV。由于钻石晶体的带宽远大于400nm 紫光的31eV能量，钻石晶体不能对可见光产生吸收，因而是无色的。钻石晶体在紫外范围的截止波长为220nm。当紫外线辐射的波长短于220nm 时，钻石将产生吸收。Ⅰb型钻石的紫外截止波长与用能带理论计算获得的紫外截止波长完全一致。

图2-1 钻石的能带图

钻石具有两个能带，低能价带和高能传导带，两个能带之间的带宽为548eV

图2-2 含氮钻石的能带图

氮原子为钻石晶体多贡献一个电子，在钻石中形成一个氮献子能级，在热的作用下氮原子的献子能级扩展一个能带

氮原子在钻石晶体中替代碳原子时，由于比碳原子多一个电子，相当于氮原子为钻石晶体贡献了一个电子。氮原子在钻石晶体的能带中产生了一个附加的氮献子能级，其带宽为40eV。由于热的作用，这一氮献子能级实际是一个较宽的能带，如图2—2所示。在常温下，由氮献子所形成的带宽大于22eV，能够吸收波长短于564nm的可见光。由氮原子在钻石晶体中产生的可见光光谱吸收如图2—3中曲线（N）所示。由于含氮的钻石可以吸收短于564nm的可见光，所以呈现**。离散氮原子在钻石晶体中产生一个截止波长为564nm的短波吸收带，对短波可见光的吸收较强，相应产生的**饱和度也较高。如第一章所述，含有离散氮原子的钻石属于Ⅰb型钻石，在相同氮含量下要比la型的**饱和度高很多。图2—4为著者所收藏的一颗Ⅰb型人工合成**钻石，其颜色是由离散氮原子对短波可见光吸收造成的。

图2-3 氮原子和硼原子在钻石晶体中产生的可见光吸收光谱

N—原氮子在可见光380～564nm 之间产生一个很宽的吸收带，波长短于564nm的可见光被部分吸收氮原子在钻石晶体中产生一个很宽的吸收带，使得Ⅰb型钻石的**饱和度较高B —钻石晶体中的硼原子为受子，与低能价带之间的带宽仅为04eV，对光的吸收由红外扩展到可见光，吸收率随波长变短而减少

当氮原子在钻石晶体中达到约1‰时，氮献子能级的能带宽度变得很宽，对可见光的长波也产生吸收，使钻石的颜色呈偏橄榄色的**。在颜色空间中低亮度的**色调的颜色为橄榄色，对于离散氮含量很高的钻石，同样随亮度的降低颜色偏向橄榄色。在图2—4所示的钻石台面颜色分布中，低亮度区域明显呈橄榄色。

硼原子在钻石晶体中替代碳原子时，由于硼原子比碳原子少一个电子，相当于硼原子从钻石晶体接受了一个电子，即硼原子在钻石晶体中相当于一个受子，所以硼原子在钻石晶体的能带中产生了一个相应的硼受子能级。这一硼受子能级与钻石价带之间的带宽为04eV。由于热的作用，这一硼受子能级也是一个能带，如图2—5所示。含硼钻石能吸能量小于硼受子能带与价带之间能量差的近红外和长波可见光，所以呈现蓝色。硼原子在钻石晶体中产生的可见光谱吸收如图2—3中曲线（B）所示。

由于硼受子能级与钻石价带之间的带宽很小，在常温下，热激发就可以将钻石价带的电子激发到硼受子能级。激发到硼受子能级的电子可以在电场的作用下移动，因而含硼蓝色钻石可以导电，是半导体。温度越高，热激发到硼受子能级的电子越多，含硼蓝色钻石的电导率越高。

图2-4 Ⅰb型人工合成**钻石

（刘严摄影/刘严收藏）

图2-5 含硼钻石的能带图

硼受子能级与钻石价带之间的带宽为04eV，对光的吸收由红外扩展到可见光，使钻石呈蓝色

极少数钻石的晶体同时含有氮和硼，其能带的性质取决于两种元素的相对含量。如果氮含量远远大于硼，钻石属于Ⅰb型，呈现**；如果硼含量远远大于氮，钻石属于Ⅱb型，呈现蓝色，是半导体；当氮与硼的含量大致相同时，钻石具有Ⅰb型和Ⅱb混合型钻石的性质，属于Ⅰb+Ⅱb型，呈现绿色色调。天然钻石中因同时含有氮和硼元素而呈绿色的钻石至今没有文献记载。在合成蓝色钻石过程中，加入硼时往往不可避免地搀入空气中的氮，使钻石呈现偏绿的蓝色，甚至为蓝绿色、绿色和黄绿色。

除无色透明外，钻石也可有许多种颜色，品质达到首饰级的有色钻石被称为彩色钻石，彩色钻石的颜色有：**、绿色、蓝色、褐色、粉红色、橙色、红色、黑色、紫色等，彩色钻石数量稀少，因此价值也很高，特别是那些色调鲜艳，饱和度较高的彩色钻石，更是价值连城。历史上最负盛名的“希望”、“德累斯顿”等名钻都是罕见的色调鲜艳、高饱和度的钻石。

钻石的呈色机理是一个相当复杂的问题。多年来一直是许多研究结构关注的焦点。在理想的状态下，钻石由于是完整的等轴晶系晶体，在可见光范围内没有选择性吸收，因此表现为无色。然而天然生成的无色纯净的钻石是极为稀少的，极大部分钻石因为在其漫长的生长过程中，受到外界生长环境的影响，而使它的晶格受到损伤，致使出现深浅不一的颜色。