第三篇 宝石各论 第一章 常见宝石

第一节 钻石

钻石(Diamond)一词出自希腊语“Adamas”，意思是坚硬、不可驯服。钻石号称“宝石之王”，是世界上公认的最珍贵的宝石，也是最受人喜爱的宝石之一。钻石是四月的生辰石，也是结婚60周年的纪念石。

一、钻石的基本性质
(一) 矿物名称 钻石的矿物名称是金刚石(Diamond)。在矿物学上属于金刚石族。
(二) 化学成分和分类
1．化学成分 钻石主要成分是C，其质量分数可达99.95％，微量元素有N、B、H、Si、Ca、Mg、Mn、Ti、Cr、S、惰性气体及稀土稀有元素，达50多种。这些微量元素决定了钻石的类型、颜色及物理性质。
2．分类 钻石最常见的微量元素是N元素，N以类质同象形式替代C而进入晶格，N原子的含量和存在形式对钻石的性质有重要影响。同时也是钻石分类的依据。根据钻石内N原子在晶格中存在的不同形式及特征)，可将钻石划分为如下类型。

I型钻石含N，最多时w(N)可达0.25％。根据N在晶格中的存在方式，I型钻石又可分为h型和Ib型。
Ia型钻石内N呈有规律的聚合状态，以2个N(又称为IaA型)、3个N(又称为IaAB型)、4～9个N甚至聚集成N的片状物存在(电子显微镜下可见)又称为IaB型，自然界中98％的钻石属于此类。
Ib型钻石内氮以孤立的原子状态取代晶格中的碳原子。天然Ib型钻石极少，主要见于合成钻石中。在一定的温度、压力及长时间的作用下，氮原子相互聚集Ib型钻石可转换为Ia型。因此，天然钻石以Ia型为主。 Ⅱ型钻石不含氮原子或w(N)小于0．001％。 Ⅱa型钻石不含氮，内部几近纯净，具有极高的导热性。可因碳原子位错而造成缺陷而呈色，若不含空穴或晶格错位的Ⅱa型钻石是无色的，如著名的库里南钻石和塞拉里昂之星钻石就是其中的典型代表。 Ⅱb型钻石可含有少量的硼，硼以孤立的原子状态取代晶格中的碳原子。肋型钻石为半导体，是天然钻石中唯一能导电的。据此性质，可以区别天然蓝色钻石和辐照处理致色的蓝色钻石。大部分肋型钻石呈蓝色，少数为灰色，霍普钻石是最著名的Ⅱb型钻石。

(三) 钻石的晶体结构和常见晶形
1．结构 钻石是等轴晶系，具立方面心格子，C原子位于立方体角顶和面的中心以及其中4个相间排列的小立方体的中心。C原子配位数为4，具四面体状的sp3型共价键(C—C间距为0．154nm)。
钻石的同质多象变体是石墨，属六方晶系，其晶体结构与钻石不同，具典型的层状结构，每层碳原子呈六方环状排列，层内碳原子以共价键—金属键相结合，层与层之间以分子键结合。由于钻石和石墨的结构不同，导致二者在晶体形态、物理化学性质等方面有很大的差异。钻石和石墨的结构见下图。

2.晶形
钻石常呈单晶，常见单形有八面体o，菱形十二面体d和立方体a，有时也呈聚形。有些黑色金刚石为多晶集合体。

自然界产出的钻石晶体通常为歪晶，由于溶蚀作用使晶面棱线弯曲，晶面上可见四边形凹坑，菱形十二面上可见线理或显微圆盘状花纹。

（四）钻石的光学性质
1. 颜色 根据颜色钻石可分成两大类：无色—浅黄（褐、灰）色系列。

无色一浅黄(褐、灰)色系列：包括近无色到浅黄、浅褐、浅灰色。
彩色系列：包括黄色、褐色、红色、粉红色、蓝色、绿色、紫罗兰色、黑色等。大多数彩色钻石颜色发暗，强一中等饱和度的颜色艳丽的彩钻极为罕见。彩钻一是由于微量元素NB和H原子进入钻石的晶体结构之中而产生的颜色；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，详见“第一篇第四章宝石的颜色”。
(1)无色钻石
无色钻石可以用能带理论解释其呈色机理。在无任何杂质的纯碳钻石晶体中，每个C原子以共价键与另外4个C原子连接，带隙能Eg=5．4eV，而可见光能量Eg<3．5eV，不具有足够高的能量来激发价带中的电子，因而没有光波被吸收，钻石是无色透明的。
(2)黄色钻石
I型钻石多是无一浅黄一黄色系列，对于Ia型钻石可以用色心理论来解释其颜色成因；而Ib型钻石用能带理论可以做出更好的解释。根据色心理论，Ia型钻石中不同聚合态形式的N可形成不同的结构缺陷，从而形成不同的色心，对可见光产生不同的吸收，钻石的颜色是由多个色心共同作用的结果。如果Ia型钻石中N以原子对形式(又称为IaA型)取代相邻C原子的位置，引起晶格畸变形成N2心，造成了蓝区478nm、452nm、439nm的吸收；若N以3个原子围绕空穴组合在一起(又称为IaAB型)，形成N3心，造成了蓝紫区415nm以及423nm、435nm、465nm、475nm的吸收。由于N2心、N3心吸收了可见光中的紫光和蓝光，从而使钻石呈现黄色。
根据能带理论，Ib型钻石中，N原子比C原子结构多一个电子，这个多余电子在带隙内形成一个杂质能级，它的存在使带隙能降低2．2eV。所以只要大于2．2eV的任何光量子都能拒多余电子激发到导带中，并由此引起紫光一蓝光范围内的光被吸收，其他光透过，钻石呈现黄色。合成钻石多属此类。
(3)蓝色钻石
IIb型钻石含有硼，B原子比C原子少一个电子，因此当B替代C进入钻石晶格时，就形成一个空穴色心。每100万个C原子中有一个或几个B原子时，它能把从红外至500nm(绿光边缘)的光吸收，钻石可产生诱人的蓝色。
最新发现不含B、不导电的灰蓝色钻石，它们的晶体中含有H，因此普遍认为H的存在是导致灰色、灰蓝色钻石呈色的主要原因。
(4)粉色、褐色钻石 此类钻石的颜色与其形成环境及运移过程中发生的塑性变形(导致晶体结构缺陷)有关。在引起晶格缺陷的同时，还可改变钻石中N的聚集速率和形式，使钻石形成不同颜色，且钻石颜色的均匀程度也与塑性形变的均匀性有关。 (5)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阀值时，C原子被打人间隙位置，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，可使钻石呈绿色。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。 (6)黑色钻石 黑色钻石的颜色可能因为其为多晶集合体、大量黑色内含物(石墨等)和裂隙造成的。 2．光泽、透明度 钻石具有特征的金刚光泽，金刚光泽是天然无色透明矿物中最强的光泽。值得注意的是观察钻石光泽时要选择强度适中的光源，钻石表面要尽可能平滑，当钻石表面有熔蚀及风化特征时，钻石光泽将受到影响而显得暗淡。 纯净的钻石应该是透明的，但由于矿物包体、裂隙的存在，钻石可呈现半透明，甚至不透明。
3．光性
钻石为均质体，偶见异常消光。
4．折射率及色散
钻石的折射率为2．417，是天然无色透明矿物中折射率最大的矿物，所以抛光良好的钻石具有很强的光泽和亮度。
钻石的色散值为0．044，也是所有天然无色透明宝石中色散值最大的矿物。强的“火彩”为钻石增添了无穷的魅力，同时也是肉眼鉴定钻石的重要依据之一。

5．多色性
钻石属均质体矿物，无多色性。
6．发光性
钻石的紫外荧光无至强，可呈蓝色、黄色、橙黄色、粉色、黄绿色等，一般长波下的荧光强度强于短波下的荧光强度。有些可见磷光。
钻石的荧光主要与晶格中的杂质元素N有关。由于N的存在，在晶体的导带和满带之间还出现了局部能级。当晶体受到紫外线照射时，这些较高的能量使晶体结构中原子或离子的外层电子发生跃迁，满带上的电子以及局部能级上的电子，均可受到激发而跃迁到较高能级的导带上，并在原先所在的能级上留下空位，然后较高能级上的电子可以回落到这些空位上，并释放出能量，使钻石发光，即产生荧光。根据N原子的聚合状态不同，所产生的荧光效应也有很大差别。
钻石荧光的颜色绝大部分(90％以上)为蓝白色，据研究主要与N3心(即三个N原子的原子团)有关；单个N原子置换了钻石中的C原子会产生橙黄色荧光。
蓝白色荧光一般情况下会提高钻石的色级，但荧光过强，会有一种雾蒙蒙的感觉，影响钻石的透明度，降低钻石的净度。

另据报道，钻石荧光的颜色或强度不同，钻石的硬度也稍有差别。无荧光的钻石相对最硬，黄色荧光次之，发蓝白色荧光的钻石相对较软。 荧光只是一种发光现象，与放射性无关。荧光强的钻石在某些场合，可能会呈现出特殊的效果，使钻石更具独特魅力。 I型钻石以蓝色一浅蓝色荧光为主，Ⅱ型钻石以黄色、黄绿色荧光为主。 钻石在紫外线照射下并不是全部都有荧光，利用钻石是否有荧光以及荧光不同的颜色，可以区分钻石不同的磨削性。可以确定，在同等强度紫外线照射下，不发荧光的钻石最硬，发淡蓝色荧光的钻石硬度相对较低，发黄色荧光的居中。钻石磨制工作中，往往利用这一特性。钻石在x射线的作用下大多数都能发荧光，而且荧光颜色一致，通常都是蓝白色，极少数无荧光。据此特征，常用X射线进行选矿工作，既敏感又精确。 钻石在阴极射线下发蓝色、绿色或黄色的荧光。
7．吸收光谱 钻石可见415nm、453nm、478nm、594nm吸收线。无色一浅黄色的钻石，在紫区415nm 处有一吸收谱带；褐一绿色钻石，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。