一顆鉆石永流傳?

二戰結束以后的美國和歐洲，市場上黃金全部被收回到美國國庫。婚禮上沒有些許類似金項鏈、金戒指的貴重物品，總是顯得不夠昂貴和隆重。于是乎，壟斷世界鉆石毛衣的珠寶商戴比爾斯看到了商機，以一句“a diamond is forever”作為廣告語，成功的把鉆石推銷給了大眾。“a diamond forever”在中國被翻譯成“鉆石恒久遠，一顆永流傳”。這句廣告詞像一句魔咒俘獲了萬千少女，如今鉆石已經成為結婚不可分割的一部分。

鉆石的形成

金剛石的形成需要極為苛刻的物理條件，而可以作為珠寶，俗稱鉆石的金剛石則更為難得。研究表明，鉆石的形成溫度在900~1300°C，壓強為4~6Gpa，大約相當于地球120~180km的深度。金剛石在地下深處形成之后，通過火山噴發等其他地質活動到達地表。這個過程需要很快的速度，一旦速度不夠金剛石在到達地表的過程中可能會轉化成其他碳的同素異形體（比如石墨），甚至在高溫下被氧化為二氧化碳。

通過一些高壓試驗得到的數據說明，在鉆石形成的過程中，壓強比溫度更為重要。如果保持壓強穩定，降低溫度，金剛石仍可處于穩定狀態。但是如果溫度穩定降低壓強，金剛石就會逐漸失去透明度，最終會轉化成石墨。

為什么鉆石有閃耀的光芒？

在這里要首先解釋一下什么是透明。狹義的說，就是在人眼看來，可見光可以穿過物體。眾所周知，光是通過物體的時侯會與物體發生一系列的相互作用，這些相互作用包括反射、吸收以及通過。如果說光絕大部分被吸收，人眼看到的物體就是黑色；如果一部分頻率的光被吸收一部分被反射，人眼看到的物體就是被反射的光的顏色；如果絕大多數的光通過物體，只有一小部分被反射，則物體就是透明的。鉆石的透明度很高，也就是對光的吸收率很低，從理論上來說，不含雜質、結構上無任何缺陷的鉆石在波長為200~4800nm范圍內無任何吸收作用。用在珠寶首飾上的鉆石純度一般較高，在肉眼看來自然是透明的。如果天然鉆石在形成時候壓強不夠，則會使金剛石內部產生點、線等微觀缺陷，導致金剛石內部有缺陷的位置與光發生作用，會使鉆石帶有顏色，這就是黃色和褐色的工業金剛石的由來。雜質原子可以在微觀上使得鉆石結構產生微小的變化，這也會導致鉆石帶有顏色。因電影泰坦尼克號而聞名于世的藍鉆石“海洋之心”，就是因為含有硼原子雜質而顯示藍色。

如果僅僅是透明，鉆石還不會如此閃耀。眾所周知，光在不同的介質中的傳播速率是不同的，這是光在從一種介質到另一種介質的界面傳播方向發生變化——即折射——的原因。對于不同頻率的光來說，在不同介質中的傳播速率是不一樣的。這使得不同頻率的光有著不同的折射率。利用這一特性，通過一定的色散系統，復色光（如白光）可以分散為單色光。下圖所示的三棱鏡就是一個色散系統的很好例證。白光通過三棱鏡之后，被分解為七色彩光。

聰明的珠寶商人利用金剛石的折射特性，對金剛石進行了一系列的加工磨制，使得金剛石變得光彩照人，成了姑娘們戒指上的鉆石。首先利用的是金剛石較高的折射率，金剛石的折射率為2.417（589.3nm 鈉光照射檢測得）。光從光密介質到光疏介質會發生全反射，通過下圖我們可以看出珠寶商的智慧。通過聰明的切割，可以讓入射到鉆石的光線全部反射回來。這也是對鉆石的加工要求很高的原因，一旦加工的不好，對鉆石的光澤的影響會非常大。

珠寶商們還利用了鉆石色散能力強的特點，讓鉆石產生了“火彩”（fire flash）。鉆石的色散度為0.044，在眾多材料中名列前茅。所謂火彩，就是鉆石的七色光彩。因為鉆石的色散作用，白光入射到鉆石以后會被鉆石所分散，成為七色彩光之后反射，其反射機理可以由下面的示意圖表示。這就是鉆石帶有火彩的原因。

鉆石真的一顆永流傳嗎？

王菲王天后有句歌詞唱得好：沒有什么會永垂不朽。鉆石當然也不會。即便是拋開所有高能輻射以及高溫氧化等人為的使鉆石毀滅的因素，在常溫常壓下，鉆石也會轉化為另一種碳的單質。初中化學課本里用來講同素異形體的的時候提到的，金剛石的一奶同胞的兄弟石墨，在常溫常壓下就比金剛石穩定，如果時間足夠長，所有姑娘戒指上鑲嵌的鉆石，都會變成石墨。

這是為什么呢？判斷一種物質結構的穩定性，要看這種結構的自由能是不是最低的。什么是自由能呢？我的理解，就是在一定的溫度和壓強下，這種結構下物質可以自由支配的能量，這種能量越高，物質越想把能量消耗掉，能量消耗了以后物質的結構也會發生改變。在某一溫度和壓強下，物質趨向于處在其自由能最低的結構上。

如果把碳單質的結構和自由能建立一種關系，得到的結果如下圖所示。圖中橫軸表示的是碳原子的排列方式，縱軸是體系的自由能。A代表石墨，B代表金剛石，結果是基于常溫常壓的條件下得到的。從圖中我們可以看出，石墨和金剛石的結構都是圖像的極小值，而石墨的自由能更低，所以說石墨比金剛石更加穩定。但是金剛石由于處在一個極小值的位置，使他再改變結構的話能量會升高，所以金剛石也是在常溫常壓下的一種穩定的結構形態，稱為亞穩態結構。

雖然在常溫常壓下鉆石會變成石墨，但是年輕的新娘不必為你的鉆戒操心。從熱力學上講雖然這種轉化可以自發的進行，但是其速率極為緩慢。從圖上我們可以看到，碳單質的結構由B轉換到A，需要跨越一個很高的能量山峰，這更使由金剛石到石墨的轉化變得困難重重。沒有個幾百幾千萬年，你戒指上的亮晶晶的石頭不會變得黑乎乎的石墨。人生只有百年，從這個角度來說，鉆石也可以算一顆永流傳吧。

在材料科學家的眼里，鉆石不過是一種比較純凈的碳的結晶體，并沒有太多的特別之處。或許是因為那句廣告詞，中國姑娘對于鉆石，尤其是高價鉆石的迷戀讓人極為驚嘆。這當然包含了女孩子希望自己和內個他的愛情能像鉆石一樣地久天長的美好祝福。姑娘們大可不必這樣糾結于鉆石的價錢。鉆石也好，婚禮也好，不過是一個過場，要想天長地久，把他的心收服，才是王道。如果能收服一顆被科學和善良充滿的小伙子的心，在我看來，比收到多名貴的鉆石都值得稱道。

(作者：龍神八子)

發表于 2013-11-10 00:00
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