1、第二讲 纯洁永恒的宝石 之王：钻石一、钻石是什么？金刚石(Diamond)与钻石 钻石是以天然矿物金刚石为原料加工而成的。金刚石是以天然产出的以碳原子组成的具有立方面心晶体结构的一种矿物。见图1 图1 金刚石的形态与结构一、钻石是什么？金刚石(Diamond)与钻石 它的硬度极大(摩氏硬度10)，是最硬的物质；有一定的晶形，一般为八面体(见图1)；灿烂夺目，五彩缤纷；自然界产出极为稀少(每开采250吨矿石才能有1ct宝石级金刚石)；因此它最符合宝石的四条标准，即：自然产出；耐久(广告词有“钻石恒久远，一颗永流传”)，硬度大，不磨损；美观；稀少。不愧有“宝石之王”的美称。一、钻石是什么？钻石(D
2、iamond)定义 钻石是以天然金刚石为原料，经人工切割、加工、琢磨而形成的各种款式的装饰品、珍藏品、陈列品。现在人们常把钻石和金刚石两名词混为一谈。二、钻石(金刚石)的历史及传说钻石于2800年前发现于印度克里希纳河及彭纳河流域的沉积物中的一块小石子，从而揭开了钻石的历史。此后相继在巴西(18世纪)、南非(19世纪)发现。20世纪又在扎伊尔、俄国、博茨瓦纳等国家发现。后来在澳大利亚、加拿大、中国(湖南：1950年；山东：1965年；辽宁：1972年)也都发现了很大价值的钻石矿。二、钻石(金刚石)的历史及传说自古以来，人们对钻石都无比宠爱，甚至崇敬，说它是“星星的碎片”、“女神的泪滴”。迄今为
3、止，世界上发现的大钻石(单粒超过100克拉)不足2000粒，其中：超过100ct：1901粒 超过200ct：259粒 超过500ct：20粒 超过1000ct：3粒 每粒大钻都有它自己的名字和一段传奇故事。二、钻石(金刚石)的历史及传说第一大钻库利南Cullinan，1905年产于南非普列梅尔(Premiar)矿山。重3106.75ct，浅蓝色，拳头大小。当时以15万英镑收购。1907年被献于英王爱德华三世，加工成9粒大钻。库利南、号分别重530.20、317.40、94.40、4.34ct。最大的号镶嵌在英王的权杖上，号现镶在英王的皇冠上，号镶在玛丽皇后的皇冠上 图2 库利南I，II及英王
4、权杖二、钻石(金刚石)的历史及传说第二大钻“阿巴依戴”1680ct，1798年发现于巴西，为三犯人发现(葡萄牙将犯人流放到殖民地开矿)，是在找金矿时偶尔发现的，鹅蛋大，蓝色。钻石献给葡萄牙王室，犯人被赦免。还有个叫“希望之星”的名钻，并不重，44.50ct。传说就是泰坦尼克号女主人公罗丝的那块。极富传奇色彩，1642年产自印度。传说它传到谁手中，其主人必遭厄运。它从印度传到法国富商，后献给法王路易十四。前者被野狗咬死，后者得了天花死去。又传给路易十五，在法国大革命中被砍头；后传给路易十六，他也被送上断头台。后被盗，在伦敦市场又露面，被一银行家霍普(Hope)买下，从此该钻定名为“希望之星”，后
5、来银行家穷困潦倒；以后又传到土耳其商人手中，该家车祸翻下悬崖；1911年传到美国，现藏于美国一家博物馆。早期的大钻最终都落到帝王贵族手中作为富贵尊严的象征。二、钻石(金刚石)的历史及传说中国的大钻：1937年 金鸡钻 218ct 产于江苏北部 1977年 常林钻石 158.78ct 山东林沭 1981年 陈埠1号 124.27ct 山东蒙阴 1983年 蒙阴1号 119.09ct 山东蒙阴这些大钻的发现经常是偶然的机遇，如常林钻石(图3)图3 常林钻石，希望之星 二、钻石(金刚石)的历史及传说钻石正式作为人身的装饰品始于15世纪。1477年，奥地利的马克西米大公与法国玛莉公主订婚时，给女方一枚
6、钻石戒指，象征纯洁的爱情。人们钟爱钻石，把它定为四月的“生辰石”和结婚60、75年的纪念石，意寓纯净无瑕。三、钻石(金刚石)是怎样产出的？金刚石生成于地下100km的高温岩浆中。那里的温度达1500，压力达40万大气压。金刚石就是在这种高温高压条件下由碳原子合成，然后随火山爆发侵入地壳或喷出地表(图4)。三、钻石(金刚石)是怎样产出的？金刚石生成于金伯利岩中。该岩石因首先发现于南非金伯利地区而得名，岩石学中称角砾云母橄榄岩(见标本)。金刚石的产状可分为两大类，即原生矿和砂矿(见图4)。原生矿是指采自金伯利岩的岩体中，可露天开采，也可以挖坑道地下开采。另外，金刚石可少量产于钾镁煌斑岩及陨石(天上
7、掉下来的钻石)中。砂矿是指原生的岩石经风化、破碎，再经水流搬运沉积于凹地、河床或海滨的金刚石(见图4)。砂矿对找寻原生矿有重要意义。三、钻石(金刚石)是怎样产出的？金刚石在全球的总储量1993年估计约为22亿克拉。目前每年开采量已超过1亿克拉。照这样速度采下去，前景令人担忧。金刚石的生成时代在距今20亿1亿年以前。产 量 排 位目前全球的金刚石产量排位：澳大利亚 约4000万ct/年 扎伊尔 约1700万ct/年 博茨瓦纳 约1600万ct/年 俄罗斯 约1125万ct/年 南非 约 925万ct/年 安哥拉 约 270万ct/年 加纳 约 55万ct/年 塞内加尔 约 50万ct/年 巴西、
8、中国、印度、加拿大 中国约1520万ct，世界排第10，亚洲第一，而质量最好。图5 辽宁瓦房子金刚石矿开采图及金刚石（照片）四、钻石的类型按用途可分为工业钻石和宝石级钻石两大类。按特性目前分为型和型，再细分为a、b、a和b型。见表1 特性型型abab含氮量高，0.25-0.1%较少，0.1-0.01%极少，(110)(100)(用立方模型表示)。这给钻石的加工带来了方便。“煮豆燃豆萁，”(曹植七步诗)。金刚石的高硬度保证了钻石的耐久，永不磨损。密度 金刚石的密度3.54g/cm3。若含杂质或裂隙，可能稍低3.2。它的密度比一般的砂子(石英、长石，2.62.7)大，因此早先人们在淘金时，有时会淘
9、出金刚石。在砂矿中采金刚石就用淘洗法。五、金刚石(钻石)的晶体结构、性质及其与宝石 特征的关系解理 当金刚石晶体受到强大外力撞击时可能会沿一定的结晶方向裂开成一平面，这种性质就称为解理。金刚石具有中等解理。这是钻石的唯一缺点。所以说钻石“不怕磨，但怕打(击)”，因此佩带钻饰时要注意不要受硬物碰击。但这同时也是优点，加工师可借此将钻石劈开。解理的方向就平行于八面体的面，共四组，因此称为八面体(111)解理。(结合图及模型)解理发生在那些结合力较弱的面网之间，如面网间距较大者。五、金刚石(钻石)的晶体结构、性质及其与宝石 特征的关系颜色 纯洁的钻石应该是透明无色的(习惯称白色)。因经常含有杂质或结
10、构缺陷，钻石可呈现各种颜色，如白、黄、橙、棕、绿、蓝、红、紫、烟灰和黑色及乳白色。钻石的颜色可分为三个系列：普通系列(开普系列)：主要为a型钻石。颜色白-黄-棕，含氮愈高，颜色愈黄。这内容在下面4C标准中还要详细讲。彩色系列：如蓝色主要分布在b型。因含B而呈色。如第一大钻“库利南”和“希望之星”都是罕见的蓝色。粉色及浅紫色钻石也较罕见。我国辽宁及澳大利亚都有产出，大多为a型，可能是含少量锰(Mn)的原因。彩钻因美观罕见，其价值比白色钻高得多。如澳大利亚AK岩管产出的一颗3.5ct的粉钻，价值350万美圆，比白钻贵数十倍。使人不喜欢的颜色：如乳白色、灰色、烟色、黑色，是因为钻石内含有微小气泡、石
11、墨包体等杂质造成的。五、金刚石(钻石)的晶体结构、性质及其与宝石 特征的关系发光性钻石在高能量射线(如紫外光)照射下可以产生不同的色光，如型常呈蓝浅蓝的占65%，另有黄、橙、白、绿，也有不发光的；型70%发黄绿色光。如果照射停止发光也立即消失，称为萤光。照射停止后，钻石还能继续发光一段时间，称为磷光。自古人们传说有“夜明珠”的宝物，其中可能就有发磷光的钻石(白天受阳光的紫外光照射，夜晚继续发光)。五、金刚石(钻石)的晶体结构、性质及其与宝石 特征的关系折射率宝石的折射率(N)定义为光线在空气中的传播速度V与其在宝石中的传播速度Vg之比：N=V/Vg=Sini/Sinr，i为入射角，r为折射角钻
12、石的折射率N=2.417，在透明矿物中最高。折射率愈高，意味着光线在宝石中传播速度愈慢，受到阻力愈大，因此反射光的能力就愈大。光泽 光泽就是宝石对光线反射能力。也就是说折射率愈高，光泽必然愈强。矿物学中按折射率由高至低(反射率也由高至低)将光泽由强至弱分成4级，即金属光泽-半金属光泽-金刚光泽-玻璃光泽。钻石属金刚光泽，为透明矿物中光泽最强的。正是由于它光泽强的特性使钻石光亮夺目。从以下几个例子可以了解折射率与光泽的关系：钻石(2.417)，锆石(1.98)皆属金刚光泽；蓝宝石(1.77)，水晶(1.54)皆属玻璃光泽。锆石因折射率高，有人拿来冒充钻石。光性均质体 光线进入宝石晶体有的可分解为
13、振动方向互相垂直的两条折射光(偏振光)。两者有不同的传播方向和速度，称双折射。此等宝石称光性非均质体，如水晶N=1.544-1.553。若光线进入宝石晶体，只有唯一的一条折射线，而各方向N均相等，称光性均质体，如钻石。此现象对鉴定钻石极为有用。均质体反映背面影象为单影，非均质体为双影。五、金刚石(钻石)的晶体结构、性质及其与宝石 特征的关系全反射光线进入宝石，当投向另一界面时，不再穿过界面，而是全部反射回原介质(空气)中，这种现象称为宝石的全反射。当钻石产生全反射时，人们看到钻石内部好象有无数个镜面反光，亮光闪闪。根据物理学定义得知，若光线自钻石内部射向空气，当折射角等于90时的入射角称为临界
14、角。一旦入射角大于临界角，光线就不再折射，而全部反射，称全反射，因此临界角愈小，愈容易产生全反射。与其它透明宝石相比，钻石的临界角最小。钻石的临界角为2425，蓝宝石3435 ，水晶4022 ，因此钻石最容易产生全反射效果。但是否能达到最佳的全反射效果还要看钻石加工琢磨的水平。以后还将介绍。注：当光线自宝石内射向空气时，入射角应小于折射角。五、金刚石(钻石)的晶体结构、性质及其与宝石 特征的关系色散(出火)色散是白光经折射后分解成不同波长色光的现象。物质色散程度取决于对长波(红)与短波(紫)的折射率之差，称色散系数。色散系数愈高，色散程度也愈大。如钻石为0.044(2.452(紫)-2.408
15、(红)=0.044)。锆石为0.038，蓝宝石为0.018，水晶为0.010。可见钻石最容易产生色散效果。因此琢磨好的钻石会呈现五彩缤纷，又光亮又美丽。锆石色散系数与钻石相近，这也是它可被用来冒充钻石的一个条件。导热性钻石具有极高的热导性能。a型钻石的热导为铜的5倍。下面列出几种物质的相对热导率。钻石70212尖晶石1银44水晶0.81金31金红石0.45红、蓝宝石2.6玻璃0.088高热导率是钻石的一个重要特性。它可以作为鉴别钻石的有效依据。五、金刚石(钻石)的晶体结构、性质及其与宝石 特征的关系亲油性、疏水性钻石极易粘上油污。用油性的墨水可轻易在钻石表面划上痕迹，相反不易粘上水。这种亲油性
16、可用来在加工钻石时划线，还是钻石选矿的一种方法油选法。“钻石之谷”的传说也和亲油性有关。还可利用亲油、疏水性来选矿。化学性质钻石对所有的酸都是稳定的。钻石受强碱、强氧化剂如NaClO4、KClO4长时间作用可有轻微腐蚀。钻石在空气中850时开始燃烧，发出蓝色光，表面出现雾状膜，后逐渐变小。所以镶嵌加工钻石时要小心，佩带时也应注意。六、钻石评价的标准(4C标准)所谓钻石评价的4C标准，即克拉重量Carat Weight，净度Clarity，颜色Colour和切工Cut。四项标准都是以英文字母“C”开头，故名。4C标准是全世界公用的。钻石的重量：以克拉(Carat)计算，缩写“ct”。1ct=20
17、0mg。据说1ct大约相当于地中海东岸生长的一种豆角树种子的重量。宝石级钻石的价值与一颗钻石的重量有密切关系。不是等差级数，而是随重量的增加以平方的速率增加。有以下关系：P=W2xk。(W：重量ct，k：每克拉的原始价)。如1ct价1万元，一颗3ct的价为32x1=9万元。圆钻重量与其直径的关系(大致)见图7(下页)，也可按下式算出来:：W=(d/6.5)3，d：直径2.钻石的净度：钻石中常含有多少不等的杂质(内含物)，如其它矿物石墨、橄榄石、石榴石、硫化物等的包体，气泡或裂隙等，影响了钻石的美观和质量。当然杂质愈多，质量愈差。人们对净度规定以下的分级。见图8的说明。观察净度一般用10倍放大镜
18、或肉眼。图7 圆钻的重量与直径 图8 钻石的净度六、钻石评价的标准(4C标准)钻石的颜色：这里只介绍有关4C标准中涉及的普通系列。作为评价钻石质量的内容，该系列是从完全无色至黄色，见图9。该系列分级由白至黄，以英文字母D、E、F、G、H顺序表示。我国也采用由数字100、99、98、97、96 顺序表示，见图9。对已镶嵌的钻石可分级为：优白(D-G,100-97)，白(H-J，96-94)，浅黄白(K-N，93-90)，黄(O-P，89-87)，褐黄(R-S，86-85)观察颜色分级时，最好在晴天背阳光的地方为宜，也可在标准的白色日光灯下进行。另外专业鉴定人员需要用比色法，准确定出钻石的色级。该
19、法是与一套事先备好的标准色级钻石相比较。六、钻石评价的标准(4C标准)钻石的切工：钻石经过完美的切割、琢磨，可体现出其璀璨光辉的形象，见图10。切磨的款式琢型有多种，如图11自左至右有梨形、橄榄形、正方形、心形、祖母绿形、三角形、楔形和长方形，但最常采用的是上面的圆形(标准圆钻形)。图11 各种琢形的钻石 图9 钻石的颜色分级 图10 钻石的切工六、钻石评价的标准(4C标准)为使钻石光芒尽现，必须精工雕琢。钻石上的面、棱、角都有按光学原理的严格要求。下面以圆钻为例加以说明。标准圆钻现设计共57个面，如图12。a台面(1)，b星刻面(8)，c风筝面(8)，d上腰面(16)，e下腰面(16)，f亭
20、面(8)，一共57个面。如下尖顶也磨一小面，称为底面，则共58个面。钻石的各部位要求有一定相对尺寸和比例。若以腰的宽度(直径)为100%，则台宽比53-66，冠高比11-16，腰厚比2-4.5，亭深比41-45，底尖比2，全深比56-63，冠角()30.7-37.7，亭角()40-42。按上面要求琢磨，并且面要平，无划痕，棱要直，尖顶上各棱要交于一点，整体要对称，面上的抛光纹要不明显。图 12 钻石切割（圆钻）切工侧视示图六、钻石评价的标准(4C标准)前面曾经讲到钻石全反射，能否达到全反射效果切割比例至关重要，如图10右侧的示意图，1和2的切割比例都不合要求。前者太浅，后者太深。上面射入的光线
21、可能穿过钻石而漏掉(漏光)。1产生一种鱼眼效应，2则产生黑底效应，只有3是正确的，上面射入的光线经过亭面或下腰面的几次全反射后完全返回，同时还产生色散，因此使钻石透出多彩闪光耀眼的光芒。切工的质量鉴别比较困难，因为涉及因素太多。简单地说。基本达到以上要求的为“很好”，不能完全达到者可按满足的程度再分“好”和“一般”，完全达不到者为“差”或“极差”。近来国际上推出一种顶级切工(极完美)。据说目前全球只有少数几家的不足百十个熟练技师可以掌握这种精湛切琢技术。这种完美切工的钻石用一种特制镜观察钻石可以见到奇异影象，即八颗心和八支箭，见图13。图13 顶级切工钻石中的影象六、钻石评价的标准(4C标准)
22、关于已镶嵌钻石的质量级别，国家2019年公布的评级标准如下：表2 镶嵌钻石综合品质等级(国标)净度 品质等级颜色 无 瑕LC极微瑕VVS微瑕VS瑕疵SI重瑕疵P 优 白D 100极好极好很好好一般E 99F 98G 97 白H 96极好很好好好一般I 95 J 94浅黄白K 93很好好较好一般一般L 92M 91N 90黄白O 89 差 很差(等外品)P 88Q 87R 86七、钻石的真伪鉴别钻石极为贵重稀少，因此历来不法者想尽方法利用价格低廉的、特征相似的东西来冒充它以获暴利，因此如何准确鉴别它们是宝石界的重要任务。目前已有完善的鉴定钻石的方法。这些方法的依据就是上面讲到的钻石的各种性质。下
23、面列出一些可以冒充钻石的常见物质。从表3列出的性质可看出钻石的鉴定并不难，因它最独特的是具有极高的热导性，可以用一种特制的热导仪或称钻石鉴别仪(Diamond Selector)很快捷地确定是否是钻石。近年来，美国3C公司制造出一种宝石级碳硅石晶体。如表3中所示，它的各种性质极象钻石，特别是热导性也很高，以致热导仪派不上用场，但它具有导电性，可利用特制的电导仪来区别于钻石。若无仪器，只凭肉眼可见其有双影。碳硅石的 价格是钻石的1/61/10。特别要指出的是，目前有一种价格极便宜的人造立方氧化锆与钻石极为相似，真可说是鱼目混珠。但其导热性极小，可区别于钻石。若手头没有热导仪，非专业人员几乎无法辨
24、认，因此经常有人大上其当。立方氧化锆又称方晶锆石，市场上还美其名曰水钻、俄罗斯钻、白宝石等。若无仪器，凭肉眼可见其光泽和色散比钻石刺眼。名称密度硬度光性折射率色散（CF）热导性电导性天然钻石3.510均质2.4170.025极高非导体锆石4.27非均质（双影）1.980.022中等非导体白刚玉4.09非均质（双影）1.770.011中等非导体白钨矿6.15非均质（双影）1.930.024低非导体黄玉3.568非均质（双影）1.620.008中等非导体人造立方氧化锆（cz）5.88.5均质2.150.035极小非导体钇铝榴石（YAG）4.58均质1.830.015极小非导体钇镓榴石（GGG）7.
25、057均质2.30.025小非导体碳硅石（莫桑石）3.29非均质（双影）2.20.020很大导电体铅玻璃2.83.55均质1.62.00.012小差合成刚玉4.09非均质（双影）1.770.011中等非导体 表3 一些常见的可被利用冒充钻石物质的性质注：CF色散是指弗兰赫夫光谱的C线和F线（波长为656.68nm与486.14nm）折射率之差，五-10节中用的是BG（686.72nm与430.79nm）折射率之差。七、钻石的真伪鉴别其他的冒充物都可以通过比较表3中其物理性质来区别真伪。如锆石为光性非均质。自风筝面斜看下尖底的棱显出双影。白刚玉光泽没有钻石亮，也有双影。黄玉因折光率低，光泽更弱，
26、只有玻璃光泽。水晶光泽就更弱了，稍有珠宝知识就不会受骗上当。其他如铅玻璃，硬度较小，全反射不好。八、钻石的销售世界上钻石的销售被一个称戴比尔斯De Beers的公司所垄断。它成立于1888年，1930年在伦敦成立了下属钻坯销售机构中央销售组织(CSO)。现改称为国际钻石商贸公司(DTC)。它控制着全世界60%的金刚石矿山和80%的钻石统售业务，并致力于钻石开发事业，在促进钻石业发展、稳定钻石价格上起了很好的作用，如2000年，DTC钻石销售达50亿美元。我国随着人民生活的提高，钻饰销售量猛增。1992年为25亿人民币。按DTC的资料预计，2019年可能突破100亿元，约占全球的17.8%。世界
27、上加工钻石的机构很多，最有名的有四家，即：比利时的安特卫普 业务为6000万ct/年从业人员8000 美国的纽约 40亿美元/年 1000 以色列的特拉维夫 57万ct，26亿美元/年 10000 印度的孟买 600万ct小钻，26.6亿美元/年 80万我国钻石业发展前景看好。目前可能有28000钻石打磨工人生产10亿美元以上的成品。2000年8月，上海成立了国家级“上海钻石交易市场”。这必将有力促进我国钻石业及钻石市场的发展。九、钻石的人工合成钻石极其珍贵，但组成钻石的碳元素遍地皆是。人们一直在试验合成钻石。1953年终于实现。首先是瑞士ASEA公司，接着1954年美国通用公司人工合成钻石成
28、功。1961年日本合成了3.5ct的钻石，1970年美国首次合成宝石级黄色钻石。1988年英国戴比尔斯公司合成了11.14ct的黄色透明八面体歪晶。前苏联、中国也相继合成了钻石。合成条件是模仿自然界金刚石形成的条件，将石墨在40万大气压，1500以上的高温高压环境下转变为金刚石。合成的钻石多为琥珀黄色，属b型。晶体内常见细小的Fe、Ni定向排列的金属包体，反光成小亮点。分光镜下无415nm吸收线。合成钻石已广泛应用于工业，而宝石级钻石的合成成本极高，目前还很少出现在市场上。1993年在曼谷市场上见到俄罗斯的人造钻石，2019年美国的Gemesis Corporation公司也在泰国市场销售合成钻石。据说可能为天然钻石价格的一半。
