宝石的热学、电学性质

一、热电效应

物理学中的热电效应，是指受热物体中的电子随着温度梯度由高温区向低温区移动时，产生电流或电荷堆积的一种现象。温度梯度的变化可使某些宝石晶体产生热电效应。如电气石晶体具有明显的热电效应，在受热或冷却时，沿电气石晶体两端产生数量相等、符号相反的电荷，同时具有静电吸尘现象。这可能是由于受到差异温度作用时，晶体产生膨胀或收缩、晶格中被热激发出电荷发生运移所致，如电气石。

二、静电效应

静电并不是静止不动的电，而是在空间缓慢移动的电荷，或说是一种相对稳定状态的电荷。其磁场效应比起电场的作用可以忽略不计。由于这种电荷和电场的存在而产生的一切现象称为静电现象。一般照明用电是由电磁感应原理产生的，而静电大部分是因接触、摩擦、分离而起电的。某些有机化合物，如琥珀、塑料等，当受到皮毛的反复摩擦时，各自产生数量相同、极性相反的电荷，可吸附起较轻的小纸片、羽毛和塑料薄膜等。

三、压电效应

当某些宝石材料受到外界压力时，两面会产生电荷，电荷量与压力成正比，这种现象称为压电效应。宝石材料在机械力作用下产生变形，会引起表面带电的现象，而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压电效应。反之，在某些材料上施加电场，材料会产生机械变形，而且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应。如果施加的是交变电场，材料将随着交变电场的频率作伸缩振动。施加的电场强度越强，振动的幅度越大。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。压电效应多属一种机械能与电能之间的能量转换现象。

净度较高的石英单晶受到压力作用时会产生电荷；相反，当受到电压作用时，又会产生频率很高的振动。压力不同，产生电荷的多少也不一样；反之，电压不同，振动频率也不同。天然单晶水晶和合成单晶水晶均具良好的压电性能，因而被广泛应用于无线电和遥控谐振器上。

四、导热性

物体能传导热量的性质叫导热性。这是因大量分子、原子、离子或自由电子相互撞击，使热量由温度较高一端传递到温度较低一端的缘故。往往导电性强的物质导热性也强，不导热的物体称为热绝缘体。

不同宝石传导热的性能差异甚大，所以导热性可作为宝石的鉴定特征之一。导热性能以热导率（λ）表示，单位为W/（m·K）。热导率须在特定实验环境用特定仪器测定。宝石学一般以相对热导率表示宝石的相对导热性能。相对热导率的确定常以银或尖晶石的热导率为基数。钻石的热导率比其他宝石高出数十倍至数千倍，如表1-6-1所示，以尖晶石的热导率为1时，钻石的相对热导率是569～1708，金的相对热导率是31，银的相对热导率是44，而刚玉的相对热导率是296，其他多数非金属宝石的相对热导率多小于1。因此，使用热导仪能迅速鉴别钻石。

表1-6-1 常见宝石和某些材料的相对热导率（以尖晶石热导率为基数1）

五、导电性

矿物对电流的传导能力称为导电性。矿物的导电性能很早便受到研究和重视。不同种类的宝石矿物，其导电性能不同。与金属矿物相比，许多非金属矿物的导电性微弱。宝石矿物中的赤铁矿、针铁矿和合成金红石是较好的导电体。钻石是电的不良导体，但Ⅱb型浅蓝色钻石晶格中，微量的硼原子取代碳原子，使局部电位失衡，便产生了自由电子，从而造成该型钻石具有微弱的导电性能，属半导体。但受辐射作用而改色的淡蓝色钻石，其不良的导电性能并未改变，所以可用导电性能的差别来鉴别天然蓝色钻石和辐射致色的蓝色钻石。

矿物物理学家对矿物的热学、电学性质早有深入的研究，但其在宝石学中的应用仍相当局限。随着宝石测试技术的进步，应用热学、电学性质鉴别天然宝石、处理宝石（尤其是充填和镀膜处理过的宝石）、合成宝石和人造宝石等具广阔的前景。

钻石十分坚硬，很难融化。而且，钻石在高温环境中容易化为石墨并转而化为液体，很难准确标记出它的熔点。研究人员只好先对钻石加热，在其快要化为石墨的瞬间停止加热，因此无法确定具体的温度。研究人员用重01克拉、厚05毫米的一颗小钻石置于4000万倍零海拔压力的高压环境中，并用激光轰击其表面使其液化。然后，当压力降低至零海拔1100万倍，温度降低至50K(-22315℃)，固体的钻石便开始形成。然而，这些钻石并没有如科学家猜想的那样沉下去，而是漂浮在液态钻石之上，就像水上冰川一样。对于大部分物质来说，固态的密度都要高于液态，但水和钻石都是例外。这是因为水中的氢键和金刚石中的共价键都具有方向性，液体凝固时，氢键(或共价键)会使水分子(或碳原子)之间的间隙变大，使密度减小。

钻石是一种由碳元素组成的矿物，是碳元素的同素异形体。

钻石和石墨都属于碳单质，二者的化学式都是C，在矿物化学组成中，总含有Si、Mg、Al、Ca、Mn、Ni等元素，并常含有Na、B、Cu、Fe、Co、Cr、Ti、N等杂质元素，以及碳水化合物。

钻石和石墨的化学性质完全相同，但钻石和石墨不是同种物质，它们是由相同元素构成的同素异型体。 所不同的是物理结构特征。

钻石的化学性质

钻石是在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的单质晶体，是指经过琢磨的金刚石。金刚石是无色正八面体晶体，其成分为纯碳，由碳原子以四价键链接，为目前已知自然存在最硬物质。

由于金刚石中的C-C键很强，所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以金刚石硬度非常大，熔点在华氏6900度，金刚石在纯氧中燃点为720~800℃，在空气中为850~1000℃，而且不导电。

钻石矿物晶体构造属等轴晶系同极键四面体型构造。碳原子位于四面体的角顶及中心，具有高度的对称性。单位晶胞中碳原子间以同极键相连结，距离为154pm。常见晶形有八面体、菱形十二面体、立方体、四面体和六八面体等。

-金刚石 （纯碳组成的矿物）