鉆石結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

1、Cha.2 鉆石的結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì) 目的及要求目的及要求： 掌握掌握 1.鉆石的基本結(jié)構(gòu)單元鉆石的基本結(jié)構(gòu)單元 2.與鉆石相關(guān)的重要名詞及術(shù)語與鉆石相關(guān)的重要名詞及術(shù)語 3.重要物理性質(zhì)及意義重要物理性質(zhì)及意義一、鉆石的基本結(jié)構(gòu)1碳原子結(jié)構(gòu)碳原子結(jié)構(gòu) C 外層6個(gè)電子，C6 原子核外電子排列遵從系列規(guī)則： 層：K . L . M . N . O 等 亞層：s . p . d . f 等 相對應(yīng)軌道：1、3、5、7 等軌道數(shù)， 每一軌道容納自旋方向相反的兩個(gè)電子。 電子排列基態(tài)： 1S2 2S2 2P2 第一激發(fā)態(tài)： 1S2 2S1 2P3 2C原子的晶體結(jié)構(gòu)原子的晶體結(jié)構(gòu) 為保證外層8個(gè)電子的穩(wěn)

2、定結(jié)構(gòu)，C原子具有4個(gè)共用電子對。C原子的規(guī)則排列形成下列三種結(jié)構(gòu)：na. 石墨：六方晶系，由六方環(huán)構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu) 層內(nèi)C連結(jié)牢固 C-C ：0.142nm 層間C-C ：0.335nm 是層內(nèi)的2.5倍 由微弱的Vander Walls 力結(jié)合 是作鉛筆、潤滑劑的重要原因b六方鉆石六方鉆石Lonsdaleite 六方晶系，鉆石罕見的多形變體，與鉆石相似的RI & S.G。 形成原因： 1.天然極高壓條件，如隕石中 2.人工合成，美國GE公司n同質(zhì)多象同質(zhì)多象：相同的化學(xué)成分，不同的晶體 結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的晶體。n c鉆石的結(jié)構(gòu)：鉆石的結(jié)構(gòu)：等軸晶系：等軸晶系： 每個(gè)C原子周圍4個(gè)C原子組成共價(jià)

3、健，C原子間等間距排列C-C鍵長為0.154nm，原子間結(jié)合牢固。 基本單元結(jié)構(gòu)基本單元結(jié)構(gòu)： 立方面心格子，C原子占據(jù)立方體的角頂，面中心以及相間排列的小立方體中心。n（晶體的其它格子類型：底心、體心、面心、原始格子）鉆石單位晶胞：立方面心格子鉆石單位晶胞：立方面心格子 鉆石重要性質(zhì)如鉆石重要性質(zhì)如： 高導(dǎo)熱性、高硬度、高相對密度、高導(dǎo)熱性、高硬度、高相對密度、 高透明度、強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性、高透明度、強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性、 潤濕性、導(dǎo)電性及優(yōu)良的光學(xué)性潤濕性、導(dǎo)電性及優(yōu)良的光學(xué)性 質(zhì)等均由其成分和結(jié)構(gòu)決定。質(zhì)等均由其成分和結(jié)構(gòu)決定。二、鉆石的形態(tài)二、鉆石的形態(tài)：晶體晶體：內(nèi)部原子具有規(guī)則排列的固體，

4、內(nèi)部 的有序排列導(dǎo)致外部一定的幾何形態(tài)。1單形單形：由同形等大的面圍成的封閉圖形 鉆石常見單形有： 立方體、八面體、菱形十二面體 其他單形有： 四六面體，24 四角三八面體，24 三角三八面體，24 六八面體，48 罕見的單形：四面體，具研究意義 2聚形聚形：兩個(gè)或兩個(gè)以上多個(gè)單形按一定的對稱規(guī)律聚合在一起的圖形。鉆石常見聚形有： 如 立方八面體， 立方菱形十二面體， 八面體菱形十二面體， 立方-八面體-菱形十二面體聚形等。 n鉆石結(jié)晶習(xí)性鉆石結(jié)晶習(xí)性：鉆石經(jīng)常產(chǎn)出的晶體 形態(tài)，常見為八面體，菱形十二面體 和立方體等。3雙晶雙晶：兩個(gè)單體或多個(gè)單體按一定 的對稱方式結(jié)合在一起，彼 此間有結(jié)晶學(xué)

5、關(guān)系（成核 時(shí)即形成雙晶）。 常見的雙晶有：接觸雙晶、穿插雙晶n鉆石常出現(xiàn)的雙晶為接觸雙晶，又稱：Macle三角薄片雙晶三角薄片雙晶典型的扁平狀三角形外觀，雙晶結(jié)合面處環(huán)繞鉆石有青魚骨刺狀的紋理，n結(jié)節(jié)結(jié)節(jié)：三角薄片雙晶中，紋理方向發(fā)生變化處一即雙晶結(jié)合面位置，對加工時(shí)拋磨方向的確定有重要影響。 4鉆石的不規(guī)則形態(tài)鉆石的不規(guī)則形態(tài) 常表現(xiàn)為： 形狀不規(guī)則、晶體破裂、晶面不 平整、晶棱圓滑， 晶面發(fā)育蝕像等。 主要原因有：主要原因有：n 生長速度或生長空間受到限制n 原始晶體受到巖漿熔蝕或溶解n 構(gòu)造應(yīng)力或機(jī)械破碎作用 三、與鉆石相關(guān)的重要名詞三、與鉆石相關(guān)的重要名詞1紋理紋理：在鉆石生長過程中

6、形成的、表面 或內(nèi)部所見到的與結(jié)構(gòu)有關(guān)的一 條或多條線。 意意 義：義： a. 鑒定鉆石原石； b. 幫助加工定向，劈開時(shí)沿著紋理方向， 鋸開或拋磨時(shí)垂直紋理方向； c. 影響鉆石的凈度級別。 2三角凹痕及三角座三角凹痕及三角座 三角凹痕：天然鉆石的八面體面上因三角凹痕：天然鉆石的八面體面上因 溶蝕而形成的三角形凹坑；溶蝕而形成的三角形凹坑； 常為等邊三角形，其角頂常為等邊三角形，其角頂 指向邊棱方向。指向邊棱方向。 三角座：八面體面上出現(xiàn)的凸起的三三角座：八面體面上出現(xiàn)的凸起的三 角形，方向與主晶面三角形角形，方向與主晶面三角形 一致，主要由生長所致。一致，主要由生長所致。 3帶殼鉆石：帶殼

7、鉆石： 鉆石具有粗糙的糖狀表面，常呈黃、綠、鉆石具有粗糙的糖狀表面，常呈黃、綠、灰、黑等顏色，該殼由含有大量微小包裹體的灰、黑等顏色，該殼由含有大量微小包裹體的鉆石所構(gòu)成，厚薄不同，其內(nèi)通常高品質(zhì)鉆石。鉆石所構(gòu)成，厚薄不同，其內(nèi)通常高品質(zhì)鉆石。用強(qiáng)光或開窗觀察評價(jià)。用強(qiáng)光或開窗觀察評價(jià)。 4煙幕鉆石：煙幕鉆石：鉆石表面具有微薄的半透明、光澤較弱的表皮。鉆石表面具有微薄的半透明、光澤較弱的表皮。成因：由搬運(yùn)磨蝕所致或形成于金伯利巖噴成因：由搬運(yùn)磨蝕所致或形成于金伯利巖噴 發(fā)時(shí)期（巖漿熔蝕）。發(fā)時(shí)期（巖漿熔蝕）。 5氧化鉆石氧化鉆石 鉆石發(fā)育大量的微裂隙，其內(nèi)含有鐵質(zhì)氧鉆石發(fā)育大量的微裂隙，其內(nèi)含

8、有鐵質(zhì)氧化物，常表現(xiàn)為橙黃色或橙紅色?；铮１憩F(xiàn)為橙黃色或橙紅色。6劣等鉆石：僅用于磨料級的低品質(zhì)鉆石劣等鉆石：僅用于磨料級的低品質(zhì)鉆石黑鉆石：多孔的、雜孔排列的黑色細(xì)小鉆石黑鉆石：多孔的、雜孔排列的黑色細(xì)小鉆石 集合體，硬度大，巴西產(chǎn)。集合體，硬度大，巴西產(chǎn)。 磁性鉆石：含磁鐵礦的黑鉆石，具磁性。磁性鉆石：含磁鐵礦的黑鉆石，具磁性。 工業(yè)級鉆石又分許多類型：工業(yè)級鉆石又分許多類型： 拉絲模、刀具、硬度計(jì)、磨料等拉絲模、刀具、硬度計(jì)、磨料等。四、鉆石的基本物理性質(zhì)四、鉆石的基本物理性質(zhì)1解理解理：外力作用下，晶體沿結(jié)晶薄 弱的方向裂開成平整、光滑 平面的性質(zhì)。（不同的寶石 解理的組數(shù)及完善程

9、度不等） 鉆石鉆石：八面體解理，4組，完全 原因原因：晶體中不同的面網(wǎng)的密度不 同，某些面跨接的鍵比其 它面少，晶體該方向較脆 弱，易產(chǎn)生解理。 2導(dǎo)電性：導(dǎo)電性：天然b型 藍(lán)色鉆石具導(dǎo)電性， 其它均為絕緣體。原因：原因： b型鉆石含B原子，外層為3個(gè)價(jià)電子，與碳原子結(jié)合時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴，B含量增加時(shí)，空穴增多，碳原子在室溫下可電離，電子可充填空穴，產(chǎn)生導(dǎo)電性產(chǎn)生導(dǎo)電性； 同時(shí)電子在不同能級間運(yùn)動(dòng)可吸收部分可 見光，由此產(chǎn)生藍(lán)色產(chǎn)生藍(lán)色。應(yīng)用：應(yīng)用：區(qū)分天然藍(lán)色鉆石與輻照處理藍(lán)色 鉆石，后者不具導(dǎo)電性。 3硬硬 度度 原因原因：結(jié)構(gòu)中無自由電子，無未結(jié)合 的鍵（即使是表面也極少）， C- C原子

10、間間距短,共價(jià)鍵力 強(qiáng)，由此形成高硬度特征。 硬度測定方法有三種： 刻劃硬度 磨損硬度 壓痕硬度 寶石學(xué)中表示硬度常用刻劃硬度寶石學(xué)中表示硬度常用刻劃硬度 摩氏硬度計(jì)及意義摩氏硬度計(jì)及意義 用10種普通的高純度礦物材料，多為容易獲得的常見材料，序號大的礦物可刻劃序號小的。相對順序?yàn)椋?1、滑石 6、正長石 2、石膏 7、石英 3、方解石 8、黃玉 4、螢石 9、剛玉 5、磷灰石 10、金剛石n 摩氏硬度計(jì)局限性：摩氏硬度計(jì)局限性： a. 硬度具有方向：差異硬度差異硬度 即晶體的不同結(jié)晶學(xué)方向上硬度有差異 b. 僅代表一種相對順序，非線性尺度 如用硬度儀測量的刻劃硬度鉆石為剛玉 的1400倍。硬

11、度的重要性硬度的重要性： a高H，寶石具有良好的耐久性； b高H，光澤強(qiáng)，切工好，棱角鋒銳， 光學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)完善； c. 作為工業(yè)磨料，廣泛使用； d. 鑒定的輔助手段。 4韌性和脆性韌性和脆性 韌性：物體抵抗分裂的能力。 脆性：物體受力破碎的程度。 鉆石比玉石（硬玉,軟玉）韌性差，脆性大。 不要與硬度混淆不要與硬度混淆。 5相對密度相對密度 定義 S.G： 3.52 原因：盡管C原子質(zhì)量輕，但原子間 間距短，鍵力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)致密。 意義：選礦過程中重力分選； 鑒定仿制品：如YAG：4.5-4.6， CZ：5.6-6.0，GGG：7.0-7.1。 6熱學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì) 特點(diǎn)：低的熱膨脹性及高的導(dǎo)熱性低

12、的熱膨脹性及高的導(dǎo)熱性。a. 低熱膨脹性低熱膨脹性無裂、無包裹體的鉆石，真空加熱1000以上再冷卻 ，仍然完好。有氧條件下 ，600時(shí)即燃燒為二氧化碳。 b高導(dǎo)熱性高導(dǎo)熱性 測定：測定：使一定厚度的材料溫度升高一度 所需的能量W/m 。 鉆石在常見非金屬寶石中最高，剛玉次之 原因：原因：C原子輕，共價(jià)鍵力強(qiáng)，原子振 動(dòng)頻率高，等軸有序結(jié)構(gòu)，各方 向均勻快速散熱。 應(yīng)用：應(yīng)用：鑒定鉆石哈氣實(shí)驗(yàn)、熱導(dǎo)儀； 工業(yè)應(yīng)用散熱片、測溫?zé)岣袘?yīng)器。：7潤濕性：鉆石的親油疏水性。潤濕性：鉆石的親油疏水性。 原因原因：晶體表面未占用的鍵可與氣體分子結(jié)合（僅少數(shù)未占用），極性低的表面吸油比吸水容易，水不能呈薄膜狀態(tài)

13、附在鉆石表面，水的表面張力使其呈滴狀。（鉆石非極性表面，水極性分子，油非極性分子） 應(yīng)用應(yīng)用：鉆石回收油脂搖床 鉆石鑒定鉆石筆：油性筆、水性筆 8、化學(xué)穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性 抗強(qiáng)酸、堿性能好抗強(qiáng)酸、堿性能好五、鉆石的光學(xué)性質(zhì)五、鉆石的光學(xué)性質(zhì) 1、折射定律與折射率、折射定律與折射率a 基本概念基本概念：入射線、法線、折射線、 入射角、折射角、光疏介質(zhì)、光密 介質(zhì)、斯涅爾折射定律 b折射率本質(zhì)折射率本質(zhì)：對于給定的兩種介質(zhì)， 入射角正弦與折射角正弦之比為一常數(shù)。 c. 光線運(yùn)行規(guī)律光線運(yùn)行規(guī)律： 光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)，折射角小于入射角， 光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，折射角大于入射角。 d鉆石鉆石RI：2

14、.42 國際規(guī)定，用標(biāo)準(zhǔn)黃光源（鈉光燈）國際規(guī)定，用標(biāo)準(zhǔn)黃光源（鈉光燈）平平均波長均波長589.3nm測定，不同的寶石具有不同測定，不同的寶石具有不同 的折射率的折射率鑒定寶石的重要參數(shù)。鑒定寶石的重要參數(shù)。 常見仿制品的折射率：常見仿制品的折射率：合成金紅石：合成金紅石：2.6-2.7 GGG：1.97 鈦酸鍶鈦酸鍶: 2.41 CZ： 2.09-2.18 鋯石：鋯石： 1.92-1.98 YAG：1.83 2單折射與雙折射單折射與雙折射單折射單折射：光線在均質(zhì)體寶石中傳播,基本不改變 入射光波的振動(dòng)方向和振動(dòng)特點(diǎn)，只 有一個(gè)RI，即RI不因光波在晶體中振 動(dòng)方向不同而改變。雙折射雙折射：光

15、線進(jìn)入非均質(zhì)寶石中分解成傳播速 度不同、折射率不等、振動(dòng)方向互相 垂直的兩條偏振光的現(xiàn)象。 鉆石及大部分仿鉆是單折射鉆石及大部分仿鉆是單折射,均質(zhì)體。均質(zhì)體。 鋯石、合成金紅石、碳化硅等為雙折射寶鋯石、合成金紅石、碳化硅等為雙折射寶石，雙折射率大，易見刻面棱雙影線，亦稱石，雙折射率大，易見刻面棱雙影線，亦稱“雙軌雙軌”效應(yīng)。效應(yīng)。 異常消光或異常雙折射：異常消光或異常雙折射： 正交偏光鏡下，轉(zhuǎn)動(dòng)寶石，均質(zhì)體寶石 出現(xiàn)明暗區(qū)變化或不均勻消光影的現(xiàn)象。 鉆石具異常雙折射，其原因有： 不均勻的應(yīng)力作用； 不同類型的鉆石的混合； 包裹體的影響。 3色色 散散 a. 定義定義: 白光通過透明物質(zhì)的傾斜平

16、面時(shí)，白光通過透明物質(zhì)的傾斜平面時(shí)， 分解成其組成波長的現(xiàn)象分解成其組成波長的現(xiàn)象色散。色散。 由此形成的光譜色由此形成的光譜色火彩?；鸩省?出現(xiàn)光譜色界限是連續(xù)漸變的，出現(xiàn)光譜色界限是連續(xù)漸變的， 紅光的折射率小于紫光的折射率。紅光的折射率小于紫光的折射率。 測定：用太陽光譜中測定：用太陽光譜中B、G線的波長分線的波長分 別測出材料的別測出材料的RI的差值表示。的差值表示。 B：686.7nm紅光紅光 G:430.8 nm 紫光紫光 b. 鉆石：鉆石：0.044 天然無色寶石中最高天然無色寶石中最高 仿鉆：鈦酸鍶仿鉆：鈦酸鍶：0.19 CZ：0.065 合成金紅石：合成金紅石：0.28 GG

17、G：0.045 鋯石：鋯石：0.039 YAG：0.028 色散與火彩的形成色散與火彩的形成 4、反射定律與反射率、反射定律與反射率A反射和反射定律反射和反射定律 B反射率：特定的入射角范圍內(nèi)，反射光線反射率：特定的入射角范圍內(nèi)，反射光線 的強(qiáng)度與入射光線的強(qiáng)度之比。的強(qiáng)度與入射光線的強(qiáng)度之比。 反射率反射率=反射光的強(qiáng)度反射光的強(qiáng)度 /入射光的強(qiáng)度入射光的強(qiáng)度Fresnel 計(jì)算公式：計(jì)算公式： 反射率反射率=（n-N）/（n+N） n：寶石寶石RI， N：介質(zhì)介質(zhì)RI 空氣空氣N=1， n=2.417時(shí)，鉆石反射率為時(shí)，鉆石反射率為17% n=1.54時(shí)，水晶反射率為時(shí)，水晶反射率為4.5

18、%C.影響反射光量或反射率的因素影響反射光量或反射率的因素：a 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及RIb物質(zhì)的透明度c 物質(zhì)的厚度d物質(zhì)表面狀態(tài)及拋光質(zhì)量e 入射光的性質(zhì) f 入射的角度 5、全內(nèi)反射與臨界角、全內(nèi)反射與臨界角 定義：光線從光密介質(zhì)定義：光線從光密介質(zhì)光疏介質(zhì)，折射線偏光疏介質(zhì)，折射線偏 離法線，折射角離法線，折射角入射角，當(dāng)光入射角入射角，當(dāng)光入射角 逐漸增大至折射角為逐漸增大至折射角為90時(shí)，此時(shí)的入時(shí)，此時(shí)的入 射角稱為臨界角，所有大于臨界角的光射角稱為臨界角，所有大于臨界角的光 線入射時(shí)折射光線消失，而沿原介質(zhì)反線入射時(shí)折射光線消失，而沿原介質(zhì)反 射回來，并遵循反射定律。射回來，并遵循反射定

19、律。 介質(zhì)的介質(zhì)的RI與臨界角成反比與臨界角成反比 YAG： 1.83 33.5 Diamond：2.42 24.5應(yīng)用：設(shè)計(jì)理想切磨角度，增強(qiáng)寶石的亮度；應(yīng)用：設(shè)計(jì)理想切磨角度，增強(qiáng)寶石的亮度； 依全內(nèi)反射原理設(shè)計(jì)折射儀鑒定寶石。依全內(nèi)反射原理設(shè)計(jì)折射儀鑒定寶石。6、其他相關(guān)的光學(xué)名詞、其他相關(guān)的光學(xué)名詞A光澤：光澤：一種表面光學(xué)現(xiàn)象，取決于寶石的 折射率的大小及拋光程度的優(yōu)劣。常見光澤類型：常見光澤類型：金剛光澤鉆石所表現(xiàn)出的特征光澤；亞金剛光澤僅次于鉆石的光澤， 如鋯石、榍石；玻璃光澤大多數(shù)透明寶石表現(xiàn)的光澤類型， 仍有強(qiáng)、中等、弱之分，為經(jīng)驗(yàn) 性鑒定提供證據(jù)。其它類型：油脂、蠟狀、土狀

20、、珍珠光澤等。 B亮度：亮度：白光從正面射入寶石后又被反射回觀察者眼中的光量，是全內(nèi)發(fā)射與表面反射光的綜合，以全內(nèi)反射光線為主，取決于寶石的折射率、切磨比例及拋光質(zhì)量三個(gè)要素。C火彩：火彩：白光分解成其光譜色的現(xiàn)象，從切磨比例標(biāo)準(zhǔn)的鉆石冠部所見到的光譜色-火彩。 全內(nèi)反射的光部分產(chǎn)生火彩，部分為亮度，臺面以產(chǎn)生亮度為主，周圍小刻面以產(chǎn)生火彩為主，二者最佳比例才能導(dǎo)致亮度與火彩的最佳匹配效果，同時(shí)最大不可能。 D閃爍：閃爍：是通過寶石、光源或觀察者眼 睛三者的運(yùn)動(dòng)而觀察到的寶 石刻面閃光現(xiàn)象，是寶石小 刻面的切磨角度與入射光角 度綜合所致。 要求：a. 小而亮的光源，光源聚光燈、燭光； b. 寶石、光源或眼睛三者之相對運(yùn)動(dòng)。 鉆鉆 石石 的的 閃閃 爍爍 7、寶石的發(fā)光性、寶石的發(fā)光性A定義定義：物質(zhì)內(nèi)部原子受激發(fā)而發(fā)出可 見光的現(xiàn)象。發(fā)光類型：發(fā)光類型： a電磁輻射光致發(fā)光，包括： 可見光、紫外光、X射線、陰極 射線等激發(fā)源； b摩擦發(fā)光； c 電發(fā)光； d熱發(fā)光； e. 生物發(fā)光等。注意電磁波譜范圍內(nèi)與寶石學(xué)應(yīng)用有關(guān)的波段注意電磁波譜范圍內(nèi)與寶石學(xué)應(yīng)用有關(guān)的波段 B熒光和磷光熒光和磷光熒光熒光：物質(zhì)受高能射線照射時(shí)（如U