河南钻石和真钻一样。咱们如果从参数来看,人造钻石和天然钻石其实真没啥区别,两者拥有完全一样的物理、化学以及光学性质,而且天然钻石的形成需要经过数亿年时光,但人造钻石只需短短数周,这也难怪有专家表示,人造钻石和天然钻石的区别,就像是“河里的冰”与“冰箱里的冰”。
钻石的形成过程
钻石的形成条件一般为压力在45~60GPA的环境下,相当于出产的地方要达到地表以下150~200千米深,所需温度一般最低在1500摄氏度,有不同的层级,有的可以低到1100摄氏度。钻石的晶体结构是一层一层的石墨,这样的结构可以使之不断增大。当地壳变动有火山喷发时,可以使得地下深度成长的钻石,通过喷发的过程到达地表。
钻石和石墨都完全由碳制成,最近发现的buckminsterfullerene(一种离散的足球状分子,含有60个碳原子)也完全由碳制成。但是,对于三种材料,碳原子在空间中的排列方式不同,这使它们成为碳的同素异形体。碳和钻石的不同特性来自其独特的晶体结构。
在钻石中,碳原子是四面体排列的。每个碳原子与另外四个碳原子相连,距离为1544×10-10米,C-C-C键角为1095度。它是一个坚固的、刚性的三维结构,形成了一个无限的原子网络。由于其四面体结构,钻石表现为一种绝缘体,它的电阻、光透过率和化学惰性也十分显著,因此钻石是透明的。
石墨中的碳原子也排列成无限的阵列,但它们是分层的。这些原子之间有两种相互作用:每个碳原子与另外三个碳原子结合,排列在规则六边形网络的角上,形成120度的C-C-C键角。这些平面排列在两个维度上延伸,形成一个水平的六边形阵列;此外,这些平面阵列被称为叠加相互作用的弱力连接在一起,这种三维结构说明了石墨的物理性质。石墨的平面结构使电子在平面内容易移动,这使得石墨能够传导电、热、吸收光,因此与钻石不同,它的颜色是黑色的。
同时,由于钻石的内部结构和石墨的明显区别,使得钻石拥有强大的硬度、强度和耐用性,钻石的密度高于石墨(每立方厘米3514克)。钻石也表现出很强的抗压性,它可以划伤其他所有的材料,是已知最硬的材料。此外,钻石能分散光线,这意味着红光和紫外光的折射率是不同的(分别为2409和2465)。因此,钻石就像一个棱镜,将白光分为彩虹色,其色散为0056(差值)。色散越大,获得的颜色光谱越好。钻石的“光彩”来源于光的折射、内反射和色散。
原因是它们的微观结构不同导致的。
说明金刚石和石墨的透光性不同。这两种物质分别是碳元素的同素异构体,金刚石的碳原子呈现出空间正四面体结构,而石墨是片层结构。
我们可以知道,碳原子的直径为:91pm(10^-12米),金刚石碳原子间距为:01544nm,碳原子之间以共价键结合,可见光的波长在380~780纳米。对于可见光来说,金刚石中的碳原子就是阻挡在它前进的路上的一些小点点,相当于前进的水波遇到了一些灰尘的阻挡。光波是可以轻松绕射的,每一个碳原子对光波的能量损耗极低。
对于石墨来说,它是片层结构的,同层的碳原子以sp2杂化形成共价键,每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连,实际上每一层都是无限延展的π共轭体系,这种体系对各种波长的光都能吸收,光线在穿透一层层的石墨的过程中不断被石墨不同的层级表面吸收再吸收,所以导致石墨不反射任何可见光,也就是黑色。
说到这里,我们不能不提一句石墨烯这种材料,因为最近几年它实在是太火了。其实石墨烯也是石墨的一种,只不过它是更薄的石墨,甚至是只由一层碳原子结构组成的薄膜,它的透光率也是很高的,毕竟只有一层原子,它的吸收能力有限。但如果我们把很多层石墨烯叠加在一起,它也会跟石墨一样是黑色的。
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