钻石是不是导体?石墨呢?

成为导体的条件是否存在”载流子”存在空闲的电子科“空穴”，

针对金刚石(钻石):碳的外围四个电子都与其他碳原子形成稳定的碳架，没有在形成的空间内没有空闲的电子，也就不能导电了。

而石墨，虽然说它也是碳单质但是他的结构不同，他是空间片层结构，每个碳原子都与其他三个碳原子相连（形成六边形显蜂窝状），每个碳原子所空闲出来的电子，剧集在该层的一次，形成"派"（是个符号pai）键，即形成了传输电的通路。另外由于石墨的片层结构，每层间有较弱的作用力，石墨常用作润滑剂

钻石的矿物名称为金刚石，英文名称为Diamond，源自希腊语“adamant”，意思是“坚不可摧”。

钻石与红宝石、蓝宝石和祖母绿一起并称为四大珍贵宝石。目前钻石已成为结婚的信物，并被誉为四月的生辰石，象征坚韧、永恒和纯洁无瑕。

一、钻石的化学成分和分类

1.化学成分

钻石是具有立方结构的碳。主要成分是C，其质量分数可达99.95%，次要成分有N、B、H等。其他微量元素还有Si、Al、Ca、Mg、Mn、Ti、Cr等。

2.分类

钻石的分类最早由Robertson、Fox和Martin等三人根据钻石在红外区吸收带和对紫外光透射的差异提出，他们认为Ⅰ型钻石能透过400～300nm的紫外光并在红外区显示与氮有关的吸收带，而Ⅱ型钻石可透过低至220nm的紫外光并在红外区无明显的吸收带。

1959年美国的Kaiser和Bond发现Ⅰ型和Ⅱ型钻石的差异与杂质氮有关，后来人们又发现在含氮的钻石中氮的最常见的存在形式不只一种，氮以单个氮原子分散在钻石中，称为C心、以原子对集合体出现，称为A心、3个氮形成的原子团称为N3中心，而多于4个原子的原子团则称为B集合体(B心)，也可为一些较大的有几个原子厚的扁平层偏片晶氮存在，称为D心。钻石的分类是按照是否含氮和硼及氮的聚型类型划分如下(表14-1-1)。

表14-1-1 钻石的分类

天然钻石中Ⅰa型钻石约占98%以上，Ⅱa型占1%左右，Ⅰb型和Ⅱb型很少，人工合成钻石中以Ⅰb型为主，少量为Ⅰb和Ⅰa型混合型。

二、钻石的结构与形态

1.晶体结构

钻石属等轴晶系， ；a0=0.35595nm；Z=8，具立方面心格子，C原子位于立方体角顶和面的中心，将立方体平分为8个小立方体，在其中4个相间排列的小立方体的中心还存在C原子，呈四次配位。每个C原子以SP3外层电子构型与相邻的4个C原子形成共价键(如图14-1-1)。C—C间距为0.1542nm，C-C-C键角109°28′16″。

图14-1-1 钻石的晶体结构

2.形态

钻石属六八面体晶类，Oh-m3m(3L44L36L29PC)，常见单形：八面体o{111}，菱形十二面体d{110}、立方体a{100}及其聚形(图14-1-2a和图14-1-2b)。

图14-1-2a 钻石的常见晶形

钻石晶体通常呈歪晶，由于溶蚀作用使晶面棱弯曲，晶面常发育阶梯状生长纹、生长锥或蚀象，且不同单形晶面上的蚀象不同，八面体晶面上可见倒三角形凹坑，立方体晶面上可见四边形凹坑，十二面体晶面上可见线理和显微圆盘状花纹。

钻石的双晶依(111)最普遍，可成接触双晶、星状穿插双晶或轮式双晶。其中三角薄片(macle)接触双晶具有典型的扁平三角形外观，在双晶两个平面结合处环绕钻石有明显的青鱼骨刺纹，在钻石贸易中称为结节。

三、钻石的光学性质

1.颜色

钻石的颜色分两个系列：即无色—浅黄色系列和彩色系列。无色—浅黄色系列钻石的颜色为：无色至浅黄、浅褐；彩色系列钻石的颜色一般为深黄、褐、灰及浅至深的蓝、绿、橙黄、粉红、红、紫红色，偶见黑色。

图14-1-2b 钻石晶体不同聚形示意图

大多数彩钻颜色发暗，强至中等饱和度、颜色艳丽的彩钻极为罕见。彩钻是由于少量杂质 N、B和H原子进入钻石的晶体结构之中，形成各种色心而产生的颜色。另一种原因是晶体塑性变形而产生位错、缺陷，对某些光能的吸收而使钻石呈现颜色。

(1)黄至棕黄色钻石的颜色是由于N原子代替C原子而产生的。理想的钻石晶体是禁带很宽的半导体，宽的禁带避免了可见光范围内的一切可能吸收，因此理想的钻石是无色的。当N原子代替部分C原子时，由于氮外层有5个电子，代替碳原子后多余一个电子，这电子在禁带中形成一个新的能级，相当于减少了禁带宽度，从而使得晶体能吸收可见光范围内的光能而呈现颜色。N原子代替C原子有不同的形式，一种情况是孤立的N原子代替C原子，它对能量高于2.2eV(波长小于560nm)的入射光有明显的吸收，使钻石呈现一系列黄色、褐色、棕色，其颜色很鲜艳浓郁，Ⅰb型钻石的颜色往往由该种色心引起；另一种情况是金刚石内N原子可移动聚合在一起形成多个N原子集合体，这种集合体对400～425nm光有明显的吸收作用，同时对477.2nm有弱吸收，由于人们对477.2nm吸收反应灵敏，477.2nm蓝光被吸收后，钻石呈现黄色。

(2)蓝色钻石：从晶体完美程度来讲，蓝色钻石是最好的，也是极罕见的。它不含N却含有微量B(wB＜1%)，属Ⅱb型钻石。正是这些B使钻石呈现美丽的蓝色。少数含H杂质的钻石也呈蓝色。

(3)粉红色钻石和褐色钻石：这两种彩钻都是由于钻石在高温和各向异性压力的作用下发生晶格变形而产生的颜色，相比之下粉红色钻石罕见得多，因而极其昂贵。这种晶体缺陷在极端情况下可形成紫红色钻石。

(4)绿色钻石：绿色和蓝绿色钻石通常是由于长期天然辐射作用而形成的。当辐射线的能量高于晶体的阈值时，碳原子被打入间隙位置，形成一系列空位-间隙原子对，使钻石的电子结构发生变化，从而产生一系列新的吸收，使钻石着色。若辐照时间足够长或辐照剂量足够大，可使钻石变成深绿色甚至黑色。辐射造成的晶格损伤有时还可形成蓝色钻石和黄褐色钻石。

2.光泽

钻石具有特征的金刚光泽，金刚光泽是自然界透明矿物最强的光泽。但钻石的光泽有时会因表面不平而显得暗淡。

3.透明度

钻石的透明度为透明-不透明。纯净的钻石应该是无色透明的，但由于地质条件的复杂性，常有杂质元素进入钻石的晶格或以包裹体的形式存在于钻石中，使钻石的透明度受到一定的影响。

4.光性

钻石属等轴晶系，为均质体，在正交偏光下全消光，但有些钻石由于内部应变或内部含有包裹体，偶见异常消光。

5.折射率

钻石为单折射宝石，在钠光(589.3nm)中折射率为2.417，超过了常规折射仪的测试范围，是透明矿物中折射率最大的。

6.色散

钻石的色散强，色散值为0.044，比天然无色透明宝石的色散都高，所以我们在切割标准的钻石表面能看到漂亮的“火彩”。

7.发光性

(1)紫外荧光：钻石在紫外灯下的荧光可有不同的反应，有些钻石发光很强，有些则不发光。钻石在长短波紫外光下可呈现从无至强的蓝色、黄色、橙黄色、粉色等荧光，通常长波较短波的荧光强。

(2)X射线荧光：钻石在X射线下一般呈现蓝白色的荧光，且稳定性好，在钻石开采中可根据钻石X射线下的荧光特性，将其他砾石分选出去。

(3)阴极发光：阴极发光可揭示钻石的内部生长结构，钻石在阴极发光仪的电子束照射下，绝大多数钻石会发出阴极荧光，主要呈现蓝色、橙红色和黄绿色，天然钻石和合成钻石的生长条件不同，表现出的生长结构也不同，目前阴极发光技术已成为鉴别钻石是天然的还是合成的主要手段之一。

8.吸收光谱

无色—浅黄色的钻石，在紫色区415.5nm处有一吸收谱带；其他颜色的钻石的吸收线位于453nm，466nm和478nm处；褐—绿色钻石，在绿区504nm处有一条吸收窄带，有的钻石可能同时具有415nm和504nm处的两条吸收带。辐照改色的黄色钻石可能在498nm，504nm和592nm处有吸收带。

四、钻石的力学性质

1.解理

钻石有四组八面体{111}方向的中等解理，{110}、{221}的不完全解理。图14-1-3为钻石{111}方向解理示意图。

图14-1-3 钻石{111}方向解理示意图

2.硬度

钻石的摩氏硬度为10，是自然界最硬的矿物，钻石的硬度具有各向异性的特征，不同方向硬度不同，其八面体晶面的硬度大于立方体晶面的硬度，因此在钻石加工中可用钻石研磨钻石。

钻石具有很强的抗磨性能，摩擦系数小，其抗磨能力是刚玉的90倍。这种特性使钻石能高度抛光，并使每个小面边棱锐利、挺直。但值得注意的是，钻石虽硬，但常显脆性，在外力冲击作用下很容易破碎。

3.密度

钻石的密度为3.52(±0.01)g/cm3，因钻石成分单一，并且纯度较高，所以钻石的密度相对很稳定。

五、钻石的内含物

钻石的内含物主要有浅色至深色矿物包体、云状物、点状包体、羽状纹和生长纹。矿物包裹体主要是钻石、橄榄石、辉石、石榴子石、锆石、刚玉、黑色石墨、暗色的赤铁矿、钛铁矿、铬铁矿、硫化物等。云状物由云雾状白色或灰色包体组成，羽状体则包括开放式裂隙和隐蔽式裂隙两种裂隙类型。此外，钻石中还可见生长纹和解理等特征。

六、钻石的电学性质和热学性质

1.电学性质

Ⅰ型和Ⅱa型钻石是绝缘体，室温下电阻率为1014～1015Ω·cm。通常情况下，Ⅱb型钻石因含硼而电阻率降低，为25～108Ω·cm，为P型半导体，钻石半导体的电阻值随温度变化特别灵敏，甚至连很微小的变化(0.0024℃±)都能在瞬间被记录下来，这一特点被广泛应用于真空仪器和精密测温的仪器中。

2.热学性质

(1)导热性：钻石具有很高的导热率，且导热率与含氮量有关。若300°K下其导热率为铜的3倍，则其含氮量＜300×10-6。Ⅰa型钻石的含氮量多高于此值，故不宜作散热元件。Ⅰb和Ⅱ型钻石含氮量低，均具有很高的导热率，适于作散热元件。其中Ⅱa型钻石的导热率最好，约比铜高6倍，在190℃则升至30倍左右。

根据钻石的高导热率，宝石鉴定中可用钻石笔(热导仪)鉴定钻石和其仿制品；若简单地对着样品哈气，如果是钻石，则表面上的那层雾气比仿制品要消失得快，这是因为钻石传热快，钻石提供的热量让水膜迅速蒸发的缘故。

(2)热膨胀性：钻石的热膨胀性非常低，温度的突然变化对钻石的影响很小，但若钻石中有裂隙或含有热膨胀性大于钻石的包裹体时，温度的突变可能使钻石发生破裂。

(3)可燃性：高温下钻石可燃，燃点在空气中为850～1000℃，钻石在氧中加热到650℃时，即缓慢燃烧而变为气体二氧化碳。燃点和钻石与空气的接触面及增温率有关，一般小颗粒钻石比大颗粒钻石易燃。激光打孔就是利用该原理在很小区域内提供集中的热量，使空气中的氧将钻石中的暗色物质烧掉。在绝氧并加压的真空条件下，钻石加热到1800℃，可转变成石墨。

3.其他性质

(1)表面性质：钻石表面具有亲油性和疏水性。由于钻石由非极性的碳原子组成，对水的H+和(OH)-不产生吸附作用，即水对钻石不产生极化作用，故钻石具有疏水性。

(2)化学稳定性：钻石对任何酸都是稳定的，甚至在高温下，酸对钻石也不显示任何作用，但在含氧盐类和金属熔体中，钻石很容易受侵蚀。

一、宝石的热学性质

宝石的热学性质主要介绍导热性。宝石的导热性指的是宝石对热的传导能力。物理学以热能穿过给定厚度的材料，使材料升高一定温度所需的能量来度量。单位为W/m·℃(瓦特每米每摄氏度)。如刚玉为40，Ⅰ型钻石为1000，Ⅱa型钻石为2600。也有以卡/厘米·秒·度表示。宝石界通常用相对导热率表示，以尖晶石为1，其他一些宝石的相对导热率列于表5-6-1。从表5-6-1可知钻石的相对导热率是最高的，甚至比良导体金属还高，因此对金刚石的鉴定特别有效；此外，热导率对刚玉、黄玉和尖晶石的鉴定也很有效。一些玻璃制品，特别是塑料制品的导热率特别低，用手感就容易与宝石相区别。前者有温感，后者有凉感。测定导热性有专门的仪器(导热仪)，将在后面介绍。

表5-6-1 一些宝石矿物等的相对导热率

二、宝石的电学性质

电学性质有导电性、介电性、热电性、静电性等。这些性质在矿物学中皆有涉及，但在宝石学中讨论不多，不过随着对宝石认识的深入，这些性质对宝石的鉴定和研究将是很有用的。

1.导电性

导电性是指宝石的导电能力。导电能力大小主要看其中自由电子的多少，如金属等为导体；黄铁矿、金红石、锐钛矿、菱锌矿、赤铁矿、榍石及金刚石等为半导体；大部分宝石为非导体。导电性用仪器可以定量测定。表示导电性的物理参数为电导率或电阻率(ρ)。电阻率的单位为欧姆·厘米(Ω·cm )。电阻率在10-6至10 者为导体；在10 至1010之间为半导体；大于1010为非导体。电阻率可因晶体中杂质成分而变化。

2.介电性

介电性指非导体或半导体在电场作用下被极化的性能，以介电常数(ε)表示。导体的介电常数为无穷大，宝石的一般为一不大的正数。如石英为4.5～6.8、刚玉为6.7～8.1、锆石为7～8.6、黄玉为7.4～9.5、镁铝榴石为12.5、榍石为16～18、金红石为31～42。用特制的仪器可以测定宝石材料的介电常数。

3.压电性

压电性是指某些晶体在机械压力作用下可在晶体两端产生正负电荷的性质。具压电性的晶体中没有对称心，如石英等。

4.热电性

热电性也称焦电性，是指宝石晶体被加热时两端产生正负电荷的性质。电气石(碧玺)最为明显，因而得名。带电后的电气石可吸引微小物体。如果将几个电气石晶体放在一起，加热后它们因正负电荷的吸引而头尾相接，也可以起到一定的鉴定作用。

5.静电性

静电性指一些非导电性材料因摩擦而表面产生电荷的性质。这些材料摩擦带电后可吸引细小物体，可用此鉴别某些宝石和宝石代用品，如琥珀和塑料、玻璃等。

三、宝石的磁学性质

磁性是宝石矿物在磁场中被磁化的性质。一般将磁性分为三级，即铁磁性(强磁性)、顺磁性(弱磁性)和无磁性。具铁磁性的物质可被一般的磁铁(永久磁铁)吸引，宝石很少有这种强磁性，但一些宝石，如石榴子石、尖晶石、辉石等含有磁铁矿包裹体时会出现这种现象。具顺磁性的宝石矿物可被磁力很强的电磁铁吸引，很多宝石都具有这种性质，如某些石榴子石、尖晶石、辉石、角闪石、电气石、橄榄石、绿帘石、翡翠、软玉、蓝宝石、金刚石、金红石等。产生顺磁性的原因是由于宝石中含一些具有不成对电子的元素离子，如过渡元素离子铁、铬、钛、锰等。而Ⅰb型金刚石中因含孤氮(N)造成电子不配对而具顺磁性。因上述过渡元素还是致色元素，因此顺磁性宝石总是有色的。无磁性的宝石矿物不能被强磁性的电磁铁吸引，它们不含有上述具不配对电子的元素，质地很纯净。如水晶、黄玉等。

磁性与成分有密切关系，其变化范围较大，可以作为辅助的鉴定手段。磁性还可以了解同种宝石的一些产状特征。

思考题

一、是非判断题

1.宝石在受外力作用后，沿一定的结晶方向裂开成平面的性质必定是解理。

2.裂理与解理不同，没有共同之处。

二、选择题

1.摩氏硬度计硬度为6的标准矿物是：( )

a.正长石

b.斜长石

c.石英

d.刚玉

2.摩氏硬度计的硬度间隔是：( )

a.均匀分布相等的

b.间隔不等，不均匀分布的

c.基本是等间距的

3.宝石矿物的解理分级是根据：( )

a.解理方向

b.裂成平面的难易度

c.解理的组数

三、多项选择题

1.以下对裂理的描述正确的是：( )

a.裂理面不如解理面平整光滑

b.裂理是由外因引起的，对同种晶体可能出现，也可以不出现

c.裂理可以起因于沿一定方向分布的其他物质的夹层或起因于双晶

d.裂理是宝石在外力打击下有时可以沿一定的结晶方向裂成平面的性质

e.只要是这种宝石矿物就有这一方向的裂理

2.裂理是：( )

a.沿一定结晶方向裂成平面的性质

b.晶体在受外力作用后沿一定结晶方向裂成平面的性质

c.不是这种晶体的每一粒宝石都必有这种裂理

d.只要是这种晶体就有一定有这种裂理

3.宝石晶体在外力作用下沿一定的结晶方向裂成平面的性质，可以是：( )

a.解理

b.裂理

c.断口

d.晶面

e.双晶结合面

四、填空题

1.裂理是__________的性质。

2.宝石在外力作用下，沿这种晶体一定结晶方向裂开成平面的性质叫______、沿双晶面裂开成平面的性质叫______。

3.韧性从高到低的顺序为黑金刚石→硬玉→软玉→金刚石→刚玉→黄玉→萤石。

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