关于钻石的颜色成因

发布时间：2014-11-22 14:21:02 来源：文档文库

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关于钻石的颜色成因

作者：刘佳

内容提要：通过对钻石结构、成分、包裹体的研究，分析钻石的颜色成因及不同颜色钻石的天然与辅照改色的区分与鉴别。

　

钻石的呈色机理是一个相当复杂的问题。多年来一直是许多研究结构关注的焦点。在理想的状态下，钻石由于是完整的等轴晶系晶体，在可见光范围内没有选择性吸收，因此表现为无色。然而天然生成的无色纯净的钻石是极为稀少的，极大部分钻石因为在其漫长的生长过程中，受到外界生长环境的影响，而使它的晶格受到损伤，致使出现深浅不一的颜色。

钻石的颜色主要有三大系列。即：

黄色系列，包括无色、浅黄至黄色钻石；

褐色系列，包括不同强度的褐色钻石；

彩色系列，包括粉红、紫红、金黄、蓝色、绿色等钻石。

此外，还有一些黑色的工业级钻石。

这些颜色的成因主要有以下四种因素而致。

一、晶格杂质元素致色

众所周知，钻石主要是由碳（C）元素组成。一个碳原子与另外四个碳原子以共价键的形式相连，以共顶角方式连接，在三维空间形成立方面心格子结构。除此之外，还含有少量的氮（N）、硼（B）、氢（H）等杂质元素，在钻石结构中代替碳原子而与其它碳原子相连，从而产生不同的颜色。

1、杂质氮对钻石颜色的影响

晶格中的杂质氮因原子序数是7，最外层有5个电子，比碳多1个。当占据碳晶格位置时，其中的4个电子被共价键所约束，而多余的1个电子受的约束较小，只需较小的能量就能脱离氮原子。当该电子吸收可见光范围内的某波段光的能量时，即可摆脱氮原子而发生能带跃迁，而使钻石显黄色调。因吸收的波长有差异，而出现不同的中心，杂质氮在钻石晶格中有五种存在形式。

①、孤氮形式：即杂质氮以单个孤立的原子出现代替了一个碳原子位置，与其它四个碳原子相连，可见光范围内具有503nm、637nm吸收峰，红外区有1130cm-1吸收，吸收可见光中的部分蓝绿光和红光，使钻石呈现深浅不同的黄色。属Ⅰb型钻石。

②、双原子氮形式（A集合体）：即杂质氮以原子对的形式出现，代替两个碳原子的位置，为N2中心缺陷，可见光范围内具有477nm吸收，红外区有1282 cm-1主吸收，1375 cm-1次峰吸收，也使钻石呈现黄色调，属ⅠaA型钻石。

③、三原子氮形式（N3中心）：即杂质氮以三个原子集合体出现，代替三个碳原子的位置，并伴随有空位出现。N3中心吸收蓝-紫色光，以415.5nm为特征吸收，另外还有423nm、435 nm、465 nm、475 nm吸收峰，这种选择性吸收使钻石呈黄色，红外区无典型吸收。称为Cape系列，属ⅠaB型钻石。

④、集合体氮（B1中心）：即由4~9个氮原子占据了碳原子位置，仅在红外有1175 cm-1吸收。

⑤、片晶氮（B2中心）：即氮沿某一方面分布，代替碳原子位置，仅在红外有1365 cm-1吸收。

B1中心，B2中心仅在红外区有吸收，在可见光区无吸收，因此不影响钻石的颜色。

2、杂质硼对钻石颜色的影响

杂质硼的存在是钻石产生蓝色的原因。硼的原子序数为5，最外层有3个电子，比碳少1个，不能满足4个原子的成键要求，在共价键中产生一个"空位"，可被邻近的其它原子中的电子运动所充填，使钻石产生蓝色。

天然的蓝色钻石无典型的吸收峰。属Ⅱb型钻石，为半导体。

3、杂质氢对钻石颜色的影响

据最新的研究表明，若钻石中只含有杂质氢，不含硼、氮，钻石也会呈现蓝色。但这一研究有待进一步的证实。

二、辅照损伤致色

辅照的本质是提供激活电子、格位离子或原子发生位移的能量，从而形成辅照损伤色心。其过程实际上是利用辐射源产生得高能粒子或射线同晶格中的离子、原子或电子间的相互作用，使钻石结构遭到破坏，产生色心，该色心对可见光进行选择性吸收，而使钻石呈现颜色。

天然的α-粒子辐射作用使部分钻石晶体表层呈绿色，其颜色厚度约为20μm，只在原石中看到，经抛磨后颜色即消失。因此抛光成品的钻石中，自然辅照致色的极少，极大部分绿色、蓝色钻石为人工辅照改色。

目前辅照致色的方法有五种：

1、中子处理：将钻石放入核反应堆中，用中子轰击，可直接穿透钻石，产生晶格缺陷，产生绿色、蓝绿色，是整体改色，颜色可以永久保存，再加热到500~900℃，Ⅰa型钻石产生黄色、橙黄色；Ⅰb型钻石产生粉红色、紫红色；Ⅱa型钻石产生褐色，此方法目前最常用。

2、回旋加速器处理：经回旋加速器加速的带正电荷的粒子，可在钻石中产生绿色，如时间过长，则产生黑色，颜色仅限于表面。再加热到400~900℃，会出现黄、橙、褐色，产生颜色无法预料，形成N-¤-N的H3缺陷中心，产生503nm、595nm吸收线。此法目前很少用。

鉴别特征：经回旋加速器处理过的钻石，表面显示出特征的暗色标记，如果从亭部辅照，从台面观察可见一"张开的伞"状特征围绕底尖，如果从冠部辅照，环绕腰棱可见暗带，从测面辅照，可看到一边深，一边浅。

3、电子处理：产生淡蓝色或蓝绿色，仅限于表皮，大约2mm厚度，经处理后的钻石不具放射性，加热到400℃，产生橙、黄色、粉红-紫红色、褐色、蓝色、黑色，但颜色不可预料，此法目前较常使用。

4、γ射线处理：用Co60产生的γ射线，使钻石整体呈蓝色或蓝绿色，但所需时间长。现较少使用。

5、镭处理：产生稳定的绿色，限于表皮20μm，加热后产生黄、橙黄、褐色，但有放射性残余，几年后才能消失。因此现已不用此法。

辅照处理钻石的鉴别特征：

①、绿色：辅照处理后，有741nm吸收峰，称为GRI损伤，为一结构空位；

②、橙色、黄色、褐色：出现H3中心、H4中心，H3心为A集合体+空位，503nm吸收，H4心为496nm吸收，B1中心+空位，此外还有595nm吸收。595nm吸收为人工处理钻石的特征线，天然辅照以H3心为主，辅照处理以 H4心为主。当加热到一定高温时，595nm吸收会消失，但同时出现1936nm、2024nm吸收中的任何一条，即可判定为人工辅照改色钻石。