晶体的相关知识

什么是晶体呢？

虽然你还不知道它的定义，但是你早已经和它的家族成员见过面了。不仅如此，你还吃过、用过它们呢！你瞧，自然界里的冰、雪，组成大地的土壤，各种金属材料（如金、银、铜、铁、锡、铝），以至我们所吃的糖、盐和所用的各种装饰品（如红宝石、蓝宝石、钻石）等等，全都是晶体。所以，毫不夸张地说，我们的世界是一个绚丽多彩的晶体的世界。

那么，到底什么是晶体呢？为什么这么多种看上去截然不同的东西都属于晶体呢？大家知道，物质是由原子、分子或离子组成的。当这些微观粒子在三维空间按一定的规则进行排列，形成空间点阵结构时，就形成了晶体。因此，具有空间点阵结构的固体就叫晶体。事实上，绝大多数固体都是晶体。不过，它们又有单晶体和多晶体之分。所谓单晶体，就是由同一空间点阵结构贯穿晶体而成的；而多晶体却没有这种能贯穿整个晶体的结构，它是由许多单晶体以随机的取向结合起来的。例如，飞落到地球上的陨石就是多晶体，其主要成份是由长石等矿物晶体组成的。而食盐的主要成份氯化钠（NaCl）却是一种常见的单晶体，它是由钠离子（Na+）和氯离子（Cl－）按一定规则排列的立方体所组成，从大范围（即整个晶体）来看，这种排列始终是有规则的。因此，我们平常所看到的食盐颗粒都是小立方体。又如钻石，它是由碳原子在大范围内按一定的规则排列而成的晶体，人们常常在它的外表面加工出许多小面，使它变成多面体，由于它具有很高的折射率，又是透明的，所以，在阳光照射下，它对光线产生强烈的反射和折射，发出闪烁的光辉。值得注意的是，在晶体中，这样晶莹透明的有很多，但是，并不是所有透明的固体都是晶体，如玻璃就不是晶体。为什么呢？这是因为，组成玻璃的微观粒子只是在一个很小的范围内作有规则的排列，而从大范围来看，它们的排列是不规则的，因此，玻璃不是晶体。

自然界中形成的晶体叫天然晶体，而人们利用各种方法生长出来的晶体则叫人工晶体。目前，人们不仅能生长出自然界中已有的晶体，还能制造出许多自然界中没有的晶体。人们发现，晶体的颜色五彩纷呈，从红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫到各种混合颜色，简直应有尽有，令人目不暇接。不过，更加令人惊奇的是，晶体不仅美丽，还有许多重要的用途呢！

比如说激光晶体。这是一种非常重要的晶体，它吸收足够的能量之后能发出一种特殊的强光，我们叫它"激光"，所以这种晶体叫做激光晶体。目前，人们已研制出数百种激光晶体。其中，红宝石晶体是最引人注目的一种。这是因为，有一位美国科学家Maiman，曾在1960年利用这种晶体获得了一项举世瞩目的重大科学成就--研制出世界上第一台激光器。今天，这些激光晶体在军事技术、宇宙探索、医学、化学等众多领域内都已得到了广泛的应用。例如，激光电视、激光彩色立体**、激光雷达、激光手术刀等都是激光晶体在这些领域内成功应用的结果。又如水中通信，由于海水对红光产生强烈的吸收，而对蓝绿光则吸收得较少，因此，蓝绿光在海水中能够传播较远的距离。利用这一特性，人们就可以利用激光晶体产生的蓝绿光进行水中通信和探索。

另一种重要的晶体恐怕要属半导体晶体了。这是因为，由半导体晶体硅和锗做成的各种晶体管，取代了原来的电子管，在无线电子工业上有着极其广泛的应用，由于它们的出现，电子产品的体积大大减少，成本大幅度降低。可以说，没有半导体晶体，就没有无线电子工业的飞速发展，我们今天就不可能拥有随身听、超薄电视和笔记本电脑等体积小巧、携带方便的电子产品了。此外，光纤通讯技术也离不开半导体晶体。利用这种晶体做光源，人们就能在一根头发丝般的光导纤维中传递几十万路电话或几千路电视，从而大大提高了信息传递的数量和质量。试想，如果没有这些半导体晶体，我们怎能看到高清晰度的电视，又怎能清楚地听到从遥远的大洋彼岸传来的亲人的声音呢？

不过，在众多性能之中，最奇妙的当属光折变效应了。具有这种效应的晶体叫光折变晶体。那么，这是怎样一种效应呢？原来，当外界微弱的光照到这种晶体上时，晶体的折射率会发生变化，形成极为特殊的折射率光栅。凭借这种光栅，晶体便成为神通广大的"齐天大圣"，向人们演示出种种不可思议的奇妙现象：它可以在3cm3的体积中存储5000幅不同的图像，并可以迅速显示其中任意一幅；它可以把微弱的图像亮度增强1000倍；它可以精密地探测出小得只有10-7米的距离改变；它可以使畸变得无法辨认的图像清晰如初；它可以滤去静止不变的图像，专门跟踪刚发生的图像改变；它还可以模拟人脑的联想思维能力！因此，这种奇妙的晶体一经发现，便引起了人们的极大兴趣。目前，它已发展成一种新颖的功能晶体，向人们展示着良好的应用前景。

此外，还有许多晶体，如电光晶体、声光晶体、压电晶体、热释电晶体、磁性晶体、超硬晶体等，它们在不同的技术领域中也起着重要的作用，在此就不一一列举了。不过，值得一提的是，近年来，随着光子晶体和纳米晶体的出现和发展，掀起了微观晶体的研究热潮，使人类认识达到了一个新的层次。可以相信，不久的将来我们将拥有更多、更奇妙的晶体。 请采纳谢谢

　　天然钻石：在长波下多为蓝白色荧光，短波下较弱或者显示惰性。

　　 1阴极发光仪：合成钻石：与紫外荧光分布特征相似，不同成长区显示不同的荧光分带

　　天然钻石：绝大部分都是4155nm吸收线

　　 2紫外荧光：合成钻石：长波下通常是没有荧光的，短波下有黄绿色、橙**荧光，有“马耳他十字分带”现象，同时有明显磷光　　　　天然钻石：多是不规则

　　 因为天然钻石生长的时候，环境是时刻都会变化的，然而合成钻石的生长环境都是一成不变。

　　 3红外光谱：合成钻石：1130波束的吸收普带

　　天然钻石：1176、1282波束的吸收谱带。

　　 4导电性：合成钻石：有的可能具有导电性或者导热性

　　天然钻石：除了蓝色钻石是半导体之外，均不导电，而且是没有磁性。

　　 5其他：比如异常双折射

　　合成钻石的鉴定特征——

　　 6结晶习性：合成钻石常为：立方体、八面体以及两者的聚形

　　天然钻石常为：八面体、菱形十二面体以及两者的聚形，还有常见三角薄片双晶

　　 7颜色：合成钻石常为黄褐色，并且经常被辐照改色成蓝、橙、粉、褐以及金**

　　天然钻石98%都是无色—浅黄系列。

　　 8表面以及内部纹理：合成钻石：可显示树枝状或者交叉状纹理

　　天然钻石：表面常见三角凹痕或者三角座，内部常显示与结构相关的纹理。

　　 9放大观察：合成钻石：籽晶及其幻影区，各种形态的金属包体

　　天然钻石：没有金属包体

天然钻石

一、晶体形态

八面体、菱形十二面体或不规则状。由于溶蚀，晶面、晶棱弯曲呈浑圆状外观，晶面上常有三角形、锥形蚀象。

二、内部特征

1、包裹体：石榴子石、透辉石、橄榄石、尖晶石和炭质等。

2、生长结构：平直或与八面体有关的角状生长纹理。

三、紫外荧光

长波紫外光下多呈蓝色荧光，短波紫外光下无或弱的蓝、**荧光。荧光呈均匀或不均匀的带状分布。

四、阴极发光

显出由曲线和直线构成的复杂图形和交叉影线。

五、异常双折射

许多天然钻石常具异常双折射现象，常呈不规则带状、星状、斑块状、波状、格子状及环绕包体的十字形图案等。

六、吸收光谱

具415nm特征吸收线。

合成钻石

一、晶体形态

常见立方体和八面体的聚形。晶面上常见发育不全的菱形十二面体、四角三八面体等单形，晶面上具树枝状、不规则状图案。

二、内部特征

1、包裹体：子晶，浑圆状、棒状、放射状或厚板状合金包体。在反射光下，合金包体呈金**、黑色、金属光泽。针状包体。

2、生长结构：直角状生长纹理。

三、紫外荧光

黄-黄绿色荧光，荧光分布呈十字形、八边形或其它几何图形，中心部分荧光强，向外逐渐减弱。

四、阴极发光

图形构成四简单，整体上由直线构成四边形或其它几何图形。不同环带可发出不同颜色的荧光。

五、异常双折射

比较少见，若有，双折射现象较简单，常呈十字形交叉亮带。

六、吸收光谱

无415nm吸收线。

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）