举个栗子:一颗钻石永流传?

一颗钻石永流传?的头图

二战结束以后的美国和欧洲,市场上黄金全部被收回到美国国库。婚礼上没有些许类似金项链、金戒指的贵重物品,总是显得不够昂贵和隆重。于是乎,垄断世界钻石毛衣的珠宝商戴比尔斯看到了商机,以一句“a diamond is forever”作为广告语,成功的把钻石推销给了大众。“a diamond forever”在中国被翻译成“钻石恒久远,一颗永流传”。这句广告词像一句魔咒俘获了万千少女,如今钻石已经成为结婚不可分割的一部分。

钻石的形成

金刚石的形成需要极为苛刻的物理条件,而可以作为珠宝,俗称钻石的金刚石则更为难得。研究表明,钻石的形成温度在900~1300°C,压强为4~6Gpa,大约相当于地球120~180km的深度。金刚石在地下深处形成之后,通过火山喷发等其他地质活动到达地表。这个过程需要很快的速度,一旦速度不够金刚石在到达地表的过程中可能会转化成其他碳的同素异形体(比如石墨),甚至在高温下被氧化为二氧化碳。

通过一些高压试验得到的数据说明,在钻石形成的过程中,压强比温度更为重要。如果保持压强稳定,降低温度,金刚石仍可处于稳定状态。但是如果温度稳定降低压强,金刚石就会逐渐失去透明度,最终会转化成石墨。

为什么钻石有闪耀的光芒?

在这里要首先解释一下什么是透明。狭义的说,就是在人眼看来,可见光可以穿过物体。众所周知,光是通过物体的时侯会与物体发生一系列的相互作用,这些相互作用包括反射、吸收以及通过。如果说光绝大部分被吸收,人眼看到的物体就是黑色;如果一部分频率的光被吸收一部分被反射,人眼看到的物体就是被反射的光的颜色;如果绝大多数的光通过物体,只有一小部分被反射,则物体就是透明的。钻石的透明度很高,也就是对光的吸收率很低,从理论上来说,不含杂质、结构上无任何缺陷的钻石在波长为200~4800nm范围内无任何吸收作用。用在珠宝首饰上的钻石纯度一般较高,在肉眼看来自然是透明的。如果天然钻石在形成时候压强不够,则会使金刚石内部产生点、线等微观缺陷,导致金刚石内部有缺陷的位置与光发生作用,会使钻石带有颜色,这就是黄色和褐色的工业金刚石的由来。杂质原子可以在微观上使得钻石结构产生微小的变化,这也会导致钻石带有颜色。因电影泰坦尼克号而闻名于世的蓝钻石“海洋之心”,就是因为含有硼原子杂质而显示蓝色。

如果仅仅是透明,钻石还不会如此闪耀。众所周知,光在不同的介质中的传播速率是不同的,这是光在从一种介质到另一种介质的界面传播方向发生变化——即折射——的原因。对于不同频率的光来说,在不同介质中的传播速率是不一样的。这使得不同频率的光有着不同的折射率。利用这一特性,通过一定的色散系统,复色光(如白光)可以分散为单色光。下图所示的三棱镜就是一个色散系统的很好例证。白光通过三棱镜之后,被分解为七色彩光。

举个栗子:一颗钻石永流传?

聪明的珠宝商人利用金刚石的折射特性,对金刚石进行了一系列的加工磨制,使得金刚石变得光彩照人,成了姑娘们戒指上的钻石。首先利用的是金刚石较高的折射率,金刚石的折射率为2.417(589.3nm 钠光照射检测得)。光从光密介质到光疏介质会发生全反射,通过下图我们可以看出珠宝商的智慧。通过聪明的切割,可以让入射到钻石的光线全部反射回来。这也是对钻石的加工要求很高的原因,一旦加工的不好,对钻石的光泽的影响会非常大。

举个栗子:一颗钻石永流传?

珠宝商们还利用了钻石色散能力强的特点,让钻石产生了“火彩”(fire flash)。钻石的色散度为0.044,在众多材料中名列前茅。所谓火彩,就是钻石的七色光彩。因为钻石的色散作用,白光入射到钻石以后会被钻石所分散,成为七色彩光之后反射,其反射机理可以由下面的示意图表示。这就是钻石带有火彩的原因。

举个栗子:一颗钻石永流传?

钻石真的一颗永流传吗?

王菲王天后有句歌词唱得好:没有什么会永垂不朽。钻石当然也不会。即便是抛开所有高能辐射以及高温氧化等人为的使钻石毁灭的因素,在常温常压下,钻石也会转化为另一种碳的单质。初中化学课本里用来讲同素异形体的的时候提到的,金刚石的一奶同胞的兄弟石墨,在常温常压下就比金刚石稳定,如果时间足够长,所有姑娘戒指上镶嵌的钻石,都会变成石墨。

这是为什么呢?判断一种物质结构的稳定性,要看这种结构的自由能是不是最低的。什么是自由能呢?我的理解,就是在一定的温度和压强下,这种结构下物质可以自由支配的能量,这种能量越高,物质越想把能量消耗掉,能量消耗了以后物质的结构也会发生改变。在某一温度和压强下,物质趋向于处在其自由能最低的结构上。

如果把碳单质的结构和自由能建立一种关系,得到的结果如下图所示。图中横轴表示的是碳原子的排列方式,纵轴是体系的自由能。A代表石墨,B代表金刚石,结果是基于常温常压的条件下得到的。从图中我们可以看出,石墨和金刚石的结构都是图像的极小值,而石墨的自由能更低,所以说石墨比金刚石更加稳定。但是金刚石由于处在一个极小值的位置,使他再改变结构的话能量会升高,所以金刚石也是在常温常压下的一种稳定的结构形态,称为亚稳态结构。

举个栗子:一颗钻石永流传?

虽然在常温常压下钻石会变成石墨,但是年轻的新娘不必为你的钻戒操心。从热力学上讲虽然这种转化可以自发的进行,但是其速率极为缓慢。从图上我们可以看到,碳单质的结构由B转换到A,需要跨越一个很高的能量山峰,这更使由金刚石到石墨的转化变得困难重重。没有个几百几千万年,你戒指上的亮晶晶的石头不会变得黑乎乎的石墨。人生只有百年,从这个角度来说,钻石也可以算一颗永流传吧。

在材料科学家的眼里,钻石不过是一种比较纯净的碳的结晶体,并没有太多的特别之处。或许是因为那句广告词,中国姑娘对于钻石,尤其是高价钻石的迷恋让人极为惊叹。这当然包含了女孩子希望自己和内个他的爱情能像钻石一样地久天长的美好祝福。姑娘们大可不必这样纠结于钻石的价钱。钻石也好,婚礼也好,不过是一个过场,要想天长地久,把他的心收服,才是王道。如果能收服一颗被科学和善良充满的小伙子的心,在我看来,比收到多名贵的钻石都值得称道。

(作者:龙神八子)

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