钻石结构及性质.pptx
第1页/共66页 2C原子的晶体结构 为保证外层8个电子的稳定结构，C原子具有4个共用电子对。C原子的规则排列形成下列三种结构：a.石墨：六方晶系，由六方环构成的层状结构 层内C连结牢固 C-C：0.142nm 层间C-C：0.335nm 是层内的2.5倍 由微弱的Vander Walls 力结合 是作铅笔、润滑剂的重要原因第2页/共66页b六方钻石Lonsdaleite 六方晶系，钻石罕见的多形变体，与钻石相似的RI&S.G。形成原因：1.天然极高压条件，如陨石中 2.人工合成，美国GE公司同质多象：相同的化学成分，不同的晶体 结构和物理性质的晶体。第3页/共66页 c钻石的结构：等轴晶系：每个C原子周围4个C原子组成共价健，C原子间等间距排列C-C键长为0.154nm，原子间结合牢固。基本单元结构：立方面心格子，C原子占据立方体的角顶，面中心以及相间排列的小立方体中心。（晶体的其它格子类型：底心、体心、面心、原始格子）第4页/共66页第5页/共66页钻石单位晶胞：立方面心格子第6页/共66页第7页/共66页 钻石重要性质如：高导热性、高硬度、高相对密度、高透明度、强的化学稳定性、润湿性、导电性及优良的光学性 质等均由其成分和结构决定。第8页/共66页二、钻石的形态二、钻石的形态：晶体：内部原子具有规则排列的固体，内部 的有序排列导致外部一定的几何形态。1单形：由同形等大的面围成的封闭图形 钻石常见单形有：立方体、八面体、菱形十二面体 其他单形有：四六面体，24 四角三八面体，24 三角三八面体，24 六八面体，48 罕见的单形：四面体，具研究意义 第9页/共66页2聚形：两个或两个以上多个单形按一定的对称规律聚合在一起的图形。钻石常见聚形有：如 立方八面体，立方菱形十二面体，八面体菱形十二面体，立方-八面体-菱形十二面体聚形等。第10页/共66页第11页/共66页第12页/共66页钻石结晶习性：钻石经常产出的晶体 形态，常见为八面体，菱形十二面体 和立方体等。3双晶：两个单体或多个单体按一定 的对称方式结合在一起，彼 此间有结晶学关系（成核 时即形成双晶）。常见的双晶有：接触双晶、穿插双晶第13页/共66页第14页/共66页第15页/共66页钻石常出现的双晶为接触双晶，又称：Macle三角薄片双晶典型的扁平状三角形外观，双晶结合面处环绕钻石有青鱼骨刺状的纹理，结节：三角薄片双晶中，纹理方向发生变化处一即双晶结合面位置，对加工时抛磨方向的确定有重要影响。第16页/共66页第17页/共66页第18页/共66页 4钻石的不规则形态 常表现为：形状不规则、晶体破裂、晶面不 平整、晶棱圆滑，晶面发育蚀像等。主要原因有：生长速度或生长空间受到限制 原始晶体受到岩浆熔蚀或溶解 构造应力或机械破碎作用第19页/共66页第20页/共66页 三、与钻石相关的重要名词三、与钻石相关的重要名词1纹理：在钻石生长过程中形成的、表面 或内部所见到的与结构有关的一 条或多条线。意 义：a.鉴定钻石原石；b.帮助加工定向，劈开时沿着纹理方向，锯开或抛磨时垂直纹理方向；c.影响钻石的净度级别。第21页/共66页 2三角凹痕及三角座 三角凹痕：天然钻石的八面体面上因 溶蚀而形成的三角形凹坑；常为等边三角形，其角顶 指向边棱方向。三角座：八面体面上出现的凸起的三 角形，方向与主晶面三角形 一致，主要由生长所致。第22页/共66页第23页/共66页第24页/共66页 3带壳钻石：钻石具有粗糙的糖状表面，常呈黄、绿、灰、黑等颜色，该壳由含有大量微小包裹体的钻石所构成，厚薄不同，其内通常高品质钻石。用强光或开窗观察评价。4烟幕钻石：钻石表面具有微薄的半透明、光泽较弱的表皮。成因：由搬运磨蚀所致或形成于金伯利岩喷 发时期（岩浆熔蚀）。第25页/共66页 5氧化钻石 钻石发育大量的微裂隙，其内含有铁质氧化物，常表现为橙黄色或橙红色。6劣等钻石：仅用于磨料级的低品质钻石黑钻石：多孔的、杂孔排列的黑色细小钻石 集合体，硬度大，巴西产。磁性钻石：含磁铁矿的黑钻石，具磁性。工业级钻石又分许多类型：拉丝模、刀具、硬度计、磨料等。第26页/共66页四、钻石的基本物理性质四、钻石的基本物理性质1解理：外力作用下，晶体沿结晶薄 弱的方向裂开成平整、光滑 平面的性质。（不同的宝石 解理的组数及完善程度不等）钻石：八面体解理，4组，完全 原因：晶体中不同的面网的密度不 同，某些面跨接的键比其 它面少，晶体该方向较脆 弱，易产生解理。第27页/共66页第28页/共66页 2导电性：天然b型 蓝色钻石具导电性，其它均为绝缘体。原因：b型钻石含B原子，外层为3个价电子，与碳原子结合时产生一个空穴，B含量增加时，空穴增多，碳原子在室温下可电离，电子可充填空穴，产生导电性；同时电子在不同能级间运动可吸收部分可 见光，由此产生蓝色。应用：区分天然蓝色钻石与辐照处理蓝色 钻石，后者不具导电性。第29页/共66页 3硬 度 原因：结构中无自由电子，无未结合 的键（即使是表面也极少），C-C原子间间距短,共价键力 强，由此形成高硬度特征。硬度测定方法有三种：刻划硬度 磨损硬度 压痕硬度 宝石学中表示硬度常用刻划硬度第30页/共66页 摩氏硬度计及意义 用10种普通的高纯度矿物材料，多为容易获得的常见材料，序号大的矿物可刻划序号小的。相对顺序为：1、滑石 6、正长石 2、石膏 7、石英 3、方解石 8、黄玉 4、萤石 9、刚玉 5、磷灰石 10、金刚石第31页/共66页 摩氏硬度计局限性：a.硬度具有方向：差异硬度 即晶体的不同结晶学方向上硬度有差异 b.仅代表一种相对顺序，非线性尺度 如用硬度仪测量的刻划硬度钻石为刚玉 的1400倍。硬度的重要性：a高H，宝石具有良好的耐久性；b高H，光泽强，切工好，棱角锋锐，光学性质表现完善；c.作为工业磨料，广泛使用；d.鉴定的辅助手段。第32页/共66页第33页/共66页 4韧性和脆性 韧性：物体抵抗分裂的能力。脆性：物体受力破碎的程度。钻石比玉石（硬玉,软玉）韧性差，脆性大。不要与硬度混淆。5相对密度 定义 S.G：3.52 原因：尽管C原子质量轻，但原子间 间距短，键力强，结构致密。意义：选矿过程中重力分选；鉴定仿制品：如YAG：4.5-4.6，CZ：5.6-6.0，GGG：7.0-7.1。第34页/共66页 6热学性质 特点：低的热膨胀性及高的导热性。a.低热膨胀性无裂、无包裹体的钻石，真空加热1000以上再冷却，仍然完好。有氧条件下，600时即燃烧为二氧化碳。b高导热性 测定：使一定厚度的材料温度升高一度 所需的能量W/m 。钻石在常见非金属宝石中最高，刚玉次之 原因：C原子轻，共价键力强，原子振 动频率高，等轴有序结构，各方 向均匀快速散热。应用：鉴定钻石哈气实验、热导仪；工业应用散热片、测温热感应器。：第35页/共66页7润湿性：钻石的亲油疏水性。原因：晶体表面未占用的键可与气体分子结合（仅少数未占用），极性低的表面吸油比吸水容易，水不能呈薄膜状态附在钻石表面，水的表面张力使其呈滴状。（钻石非极性表面，水极性分子，油非极性分子）应用：钻石回收油脂摇床 钻石鉴定钻石笔：油性笔、水性笔 8、化学稳定性 抗强酸、碱性能好第36页/共66页五、钻石的光学性质五、钻石的光学性质 1、折射定律与折射率a 基本概念：入射线、法线、折射线、入射角、折射角、光疏介质、光密 介质、斯涅尔折射定律 b折射率本质：对于给定的两种介质，入射角正弦与折射角正弦之比为一常数。c.光线运行规律：光疏介质进入光密介质，折射角小于入射角，光密介质进入光疏介质，折射角大于入射角。第37页/共66页第38页/共66页 d钻石RI：2.42 国际规定，用标准黄光源（钠光灯）平均波长589.3nm测定，不同的宝石具有不同 的折射率鉴定宝石的重要参数。常见仿制品的折射率：合成金红石：2.6-2.7 GGG：1.97 钛酸锶:2.41 CZ：2.09-2.18 锆石：1.92-1.98 YAG：1.83 第39页/共66页 2单折射与双折射单折射：光线在均质体宝石中传播,基本不改变 入射光波的振动方向和振动特点，只 有一个RI，即RI不因光波在晶体中振 动方向不同而改变。双折射：光线进入非均质宝石中分解成传播速 度不同、折射率不等、振动方向互相 垂直的两条偏振光的现象。钻石及大部分仿钻是单折射,均质体。第40页/共66页第41页/共66页第42页/共66页第43页/共66页 锆石、合成金红石、碳化硅等为双折射宝石，双折射率大，易见刻面棱双影线，亦称“双轨”效应。异常消光或异常双折射：正交偏光镜下，转动宝石，均质体宝石 出现明暗区变化或不均匀消光影的现象。钻石具异常双折射，其原因有：不均匀的应力作用；不同类型的钻石的混合；包裹体的影响。第44页/共66页第45页/共66页 3色 散 a.定义:白光通过透明物质的倾斜平面时，分解成其组成波长的现象色散。由此形成的光谱色火彩。出现光谱色界限是连续渐变的，红光的折射率小于紫光的折射率。测定：用太阳光谱中B、G线的波长分 别测出材料的RI的差值表示。B：686.7nm红光 G:430.8 nm 紫光 b.钻石：0.044 天然无色宝石中最高 仿钻：钛酸锶：0.19 CZ：0.065 合成金红石：0.28 GGG：0.045 锆石：0.039 YAG：0.028 第46页/共66页色散与火彩的形成第47页/共66页 4、反射定律与反射率A反射和反射定律 B反射率：特定的入射角范围内，反射光线 的强度与入射光线的强度之比。反射率=反射光的强度/入射光的强度Fresnel 计算公式：反射率=（n-N）/（n+N）n：宝石RI，N：介质RI 空气N=1，n=2.417时，钻石反射率为17%n=1.54时，水晶反射率为4.5%第48页/共66页C.影响反射光量或反射率的因素：a 物质的结构及RIb物质的透明度c 物质的厚度d物质表面状态及抛光质量e 入射光的性质 f 入射的角度 第49页/共66页5、全内反射与临界角 定义：光线从光密介质光疏介质，折射线偏 离法线，折射角入射角，当光入射角 逐渐增大至折射角为90时，此时的入 射角称为临界角，所有大于临界角的光 线入射时折射光线消失，而沿原介质反 射回来，并遵循反射定律。介质的RI与临界角成反比 YAG：1.83 33.5 Diamond：2.42 24.5应用：设计理想切磨角度，增强宝石的亮度；依全内反射原理设计折射仪鉴定宝石。第50页/共66页第51页/共66页第52页/共66页第53页/共66页6、其他相关的光学名词A光泽：一种表面光学现象，取决于宝石的 折射率的大小及抛光程度的优劣。常见光泽类型：金刚光泽钻石所表现出的特征光泽；亚金刚光泽仅次于钻石的光泽，如锆石、榍石；玻璃光泽大多数透明宝石表现的光泽类型，仍有强、中等、弱之分，为经验 性鉴定提供证据。其它类型：油脂、蜡状、土状、珍珠光泽等。第54页/共66页 B亮度：白光从正面射入宝石后又被反射回观察者眼中的光量，是全内发射与表面反射光的综合，以全内反射光线为主，取决于宝石的折射率、切磨比例及抛光质量三个要素。C火彩：白光分解成其光谱色的现象，从切磨比例标准的钻石冠部所见到的光谱色-火彩。全内反射的光部分产生火彩，部分为亮度，台面以产生亮度为主，周围小刻面以产生火彩为主，二者最佳比例才能导致亮度与火彩的最佳匹配效果，同时最大不可能。第55页/共66页第56页/共66页 D闪烁：是通过宝石、光源或观察者眼 睛三者的运动而观察到的宝 石刻面闪光现象，是宝石小 刻面的切磨角度与入射光角 度综合所致。要求：a.小而亮的光源，光源聚光灯、烛光；b.宝石、光源或眼睛三者之相对运动。第57页/共66页钻 石 的 闪 烁第58页/共66页 7、宝石的发光性A定义：物质内部原子受激发而发出可 见光的现象。发光类型：a电磁辐射光致发光，包括：可见光、紫外光、X射线、阴极 射线等激发源；b摩擦发光；c 电发光；d热发光；e.生物发光等。注意电磁波谱范围内与宝石学应用有关的波段第59页/共66页 B荧光和磷光荧光：物质受高能射线照射时（如UV、X-Ray 等）发出可见光的现象。磷光：激发源关闭后，具有荧光的物质继续发 光的现象。磷光时间短，不一定有荧光的物质都有磷光。C光致发光 aX-Ray荧光：钻石发蓝白色荧光，持续 性好，用于精矿回收钻石。b阴极发光：用阴极射线（电子）轰击物 体而发出的可见光现象，常应用于：研究钻石的生长过程、结构及杂质分布特征；鉴定天然与合成钻石的主要手段之一。第60页/共66页钻石在LWUV下的荧光第61页/共66页钻石在LWUV下的荧光第62页/共66页 c紫外光 波长：400-10nm 常用200-400nm波长 鉴定用紫外灯波长范围：LWUV：365nm SWUV：254nm 钻石因产地、杂质成分及结构变化不同，部分钻石在LWUV可见荧光,且荧光以不同颜色（蓝色或黄色）、不同强 度的特征。第63页/共66页应用：帮助鉴定群镶钻石及仿制品，通常仿制品荧光单一，如CZ、YAG等常表现为黄色荧光；发亮兰色荧光及具黄色磷光组合-钻石。荧光与钻石体色及类型的大致对应关系：黄色系列蓝色荧光 褐色系列黄绿色荧光 鲜黄色钻石黄色荧光第64页/共66页钻石在LWUV下的荧光第65页/共66页感谢您的观看！第66页/共66页
