Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (АЛ)"

Алмаз

Алмаз' , минерал, кристаллическая модификация чистого углерода (С). А. обладает самой большой из всех известных в природе материалов твёрдостью, благодаря которой он применяется во многих важных отраслях промышленности. Известны три кристаллические модификации углерода: кубическая – собственно А. и две гексагональные – графит и лонсдейлит. Последняя найдена в метеоритах и получена искусственно.

  А. природный. А. кристаллизуется в кубические сингонии. Важнейшие кристаллографические формы А.: плоскогранные – октаэдр, ромбододекаэдр, куб и различные их комбинации; кривогранные – додекаэдроиды, октаэдроиды и кубоиды. Встречаются сложные комбинированные формы, двойники срастания по шпине-левому закону, двойники прорастания и зернистые агрегаты. Грани кристаллов обычно покрыты фигурами роста и растворения в форме отдельных выступов и углублений.

  Разновидности А.: баллас (шаровидной формы сферолиты радиально-лучистого строения), карбонадо (скрыто– и микрокристаллические агрегаты неправильной формы, плотные или шлакоподобные), борт (неправильной формы мелко– и крупнозернистые поликристаллические образования).

  Размер природных А. колеблется от микроскопических зёрен до весьма крупных кристаллов массой в сотни и тысячи каратов (1 кар=0,2 г ). Масса добываемых А. обычно 0,1—1,0 кар; крупные кристаллы свыше 100 кар встречаются редко. Самый крупный в мире А. «Куллинан», массой 3106 кар, найден в 1905 в Южной Африке; из него было сделано 105 бриллиантов , в том числе «Звезда Африки» («Куллинан I») в 530,2 кар и «Куллинан II» в 317,4 кар, которые вставлены в королевский скипетр и императорскую корону Англии. Там же найдены А. «Эксцельсиор» в 971,5 кар (1893) и «Джонкер» в 726 кар (1934), из которых также изготовлены бриллианты различной величины.

  Об уникальных алмазах СССР см. в ст. Алмазный фонд СССР .

  В зависимости от качества (размера, формы, цвета, количества и вида дефектов) и назначения А. делятся на 7 категорий и 23 группы: 1-я категория – ювелирные А., 2-я – светлые А. разнообразного назначения, 3-я – А. для однокристального инструмента и оснащения измерительных приборов (например, для измерений твёрдости) и т. д. в соответствии с техническими условиями на природные А.

  На мировом рынке различают 2 вида А. – ювелирные и технические. К ювелирным относятся А. совершенной формы, высокой прозрачности, без трещин, включений и др. дефектов. А., огранённые специальной «бриллиантовой» гранью, называются бриллиантами. Ювелирные А. обычно применяются в виде украшений. а в капиталистических странах и в качестве надёжного источника вложения капитала. К техническим относятся все прочие добываемые А., вне зависимости от их качества и размеров. Технические А. применяются в виде порошков, а также отдельных кристаллов, которым путём огранки придают нужную форму (резцы, фильеры и др.).

  Физические свойства. Элементарная ячейка кристаллической решётки алмаза имеет вид куба. Атомы углерода С расположены в вершинах куба, в центрах его граней, а также в центрах 4 несмежных октантов (рис. 1). Каждый атом С связан с 4 ближайшими соседями, симметрично расположенными по вершинам тетраэдра, наиболее «прочной» химической связью – ковалентной (см. Ковалентная связь ). Соседние атомы находятся на расстоянии, равном 0,154 нм. Идеальный кристалл А. можно представить себе как одну гигантскую молекулу. Прочная связь между атомами С обусловливает высокую твёрдость А.

  Структуру, подобную А., имеют и другие элементы IV группы периодической системы Si, Ge, Sn. Однако в последовательности С—Si—Ge—Sn прочность ковалентной связи убывает соответственно с увеличением межатомного расстояния. Кристаллическую решётку А. имеют также многие химические соединения, например соединения элементов III и V групп периодической системы (решётка типа сфалерита – ZnS). Структуры этих соединений (являющихся полупроводниками ) благодаря дополнительной ионной связи (помимо ковалентной), по-видимому, прочнее структур элементов 4-й группы, принадлежащих к тому же периоду системы элементов. Например, соединение азота с бором называется боразоном , по твёрдости не уступает А.

  Благодаря особенностям кристаллической структуры (все 4 валентных электрона атомов С прочно связаны) идеальный кристалл А. (без примесей и дефектов решётки) должен быть прозрачным для видимого света диэлектриком . В реальных же кристаллах всегда имеется некоторое количество примесей и дефектов решётки, различное для разных образцов (см. Дефекты в кристаллах ). Даже в наиболее чистых ювелирных А. содержание примесей достигает 10¹⁸ атомов на 1 см³ . Наиболее распространены примеси Si, Al, Ca и Mg. Распределение примесей в А. может быть неравномерным, например на периферии их больше, чем в центре. Сильные связи между атомами С в структуре А. приводят к тому, что любое несовершенство кристаллической решётки А. оказывает глубокое воздействие на его физические свойства. Этим объясняются, в частности, расхождения данных разных исследователей. При общем описании свойств А. исходят из того, что максимальное содержание примесей составляет 5%, причём количество одной примесной компоненты не превосходит 2%.

  В А. также встречаются твёрдые (оливин, пироксен, гранаты, хромшпинелиды, графит, кварц, окислы железа и т. п.), жидкие (вода, углекислота) и газообразные (азот и др.) включения.

  Плотность А. у различных минералогических образцов колеблется в пределах от 3470 до 3560 кг/м³ (у карбонадо от 3010 до 3470 кг/м³ ). Вычисленная плотность А. (по рентгенограммам) ~3511 кг/м³ . А. – эталон твёрдости Мооса шкалы с числом твёрдости 10 (корунд – 9, кварц – 7, кальцит – 3). Микротвёрдость А., измеряемая вдавливанием алмазной пирамидки, составляет от 60—70 до 150 Гн/м² [или от (6—7)´10³ до 15—10 кгс/мм² ] в зависимости от способа испытания (по Хрущеву и Берковичу ~10⁴кгс /мм² ; корунд ~2´10³ , кварц ~1,1´10³ , кальцит ~1,1´10²кгс/мм² ). Твёрдость А. на различных кристаллографических гранях не одинакова – наиболее твёрдой является октаэдрическая грань [(111) – см. Миллеровские индексы ). А. очень хрупок, обладает весьма совершенной спайностью по грани (111). Анизотропия механических свойств учитывается при обработке монокристаллов А. и их ориентировке в однокристальном инструменте. Модуль Юнга – модуль нормальной упругости Л. 1000 Гн/м² (~10¹³дин[см² ), модуль объёмного сжатия 600 Гн/м² (~6´10¹²дин/см² ). Тепловой коэффициент линейного расширения возрастает с температурой от 0,6´10^-5 °С^-1 в интервале 53—303 К до 5,7´10^-6 в интервале 1100—1700 К. Коэффициент теплопроводности уменьшается с увеличением температуры в интервале 100—400 К от 6 до 0,8 кдж/м ×К (от ~14 до~2 кал/сек ×см ×С ). При комнатной температуре теплопроводность А. выше, чем у серебра, а мольная теплоёмкость равна 5,65 кдж/С кмоль ×К . А. диамагнитен (см. Диамагнетизм ), магнитная восприимчивость на единицу массы равна 0,49´10^-6 единиц СГС при 18° С.

  Цвет и прозрачность А. различны. Встречаются А. бесцветные, белые, голубые, зелёные, желтоватые, коричневые, красноватые (разных оттенков), тёмно-серые (до чёрного). Часто окраска распределена неравномерно. А. изменяет окраску при бомбардировке а-частицами, протонами, нейтронами и дейтронами.

  Показатель преломления А. равен 2,417 (для длины волны l = 0,5893 мкм ) и возрастает с температурой, дисперсия 0,063. Угол полного отражения равен 24°24'. Некоторые образцы А. обладают оптической анизотропией, например двойным лучепреломлением , обусловленным внутренними упругими напряжениями, связанными с неоднородностями строения кристалла. В большинстве А. наблюдается люминесценция (в зелёной и синей частях спектра) под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучений, электронов, ot-частиц и нейтронов. Облучение А. нейтронами не сообщает ему стойкой радиоактивности, уменьшает плотность А., «разрыхляет» решётку (см. Радиационные эффекты в твёрдом теле ) и вследствие этого ухудшает его абразивные качества. Большинство А. избирательно поглощает электромагнитное излучение в инфракрасной области спектра (l ~ 8—10 мкм ) и в ультрафиолетовой (ниже 0,3 мкм ). Их называют А. 1-го типа. Значительно реже встречаются А. 2-го типа (обнаруженные впервые в 1933), не имеющие линий поглощения в области 8—10 мкм и прозрачные до ~ 0,22 мкм. Встречаются А. со смешанными признаками, а также обладающие в одних частях кристалла признаками 1-го типа, а в других – 2-го. Основные спектроскопические характеристики кристаллов хорошо коррелируются с количеством азота, содержащегося в решётке А., и, по-видимому, стойкими различиями кристаллического строения.

  Предложено подразделение А. 2-го типа на 2а и2б, различающиеся электрическими свойствами. Удельное электрическое сопротивление А. 1-го типа r ~10¹² —10¹⁴ом ×м, типа 2а – r ~10¹²ом ×м. А., принадлежащие к типу 2б, имеют r ~0,5—10 ом ×м, они являются примесными полупроводниками р-типа, обладают фотопроводимостью и при нагревании обнаруживают линии поглощения на длинах волн l > 6 мкм (они крайне редки, открыты только в 1952). Встречаются кристаллы А. с исключительно малым сопротивлением r~ 10^-2 , которые могут пропускать большие токи. Среди неполупроводниковых А. 2-го типа иногда встречаются кристаллы, электропроводность которых резко возрастает при облучении a-частицами, электронами и g-лучами. Глубина проникновения a-частиц в А. не более 10 мкм, электронов (с энергией ~1 Мэв ) – 1 мм. Такие А. могут использоваться в кристаллических счётчиках . К достоинствам алмазных счетчиков относится способность работать при комнатной температуре, длительно работать в непрерывном режиме, выделять узкие пучки радиации. Их можно стерилизовать, что очень важно, например, для биологических исследований.

  А. стоек к действию кислот и растворов щелочей (даже кипящих), растворяется в расплавах селитры (азотнокислого натрия или калия) и соды (t ~500°С). На воздухе А. сгорает при 850—1000°С, в кислороде – при 720—800°С. В вакууме или в инертном газе при 1400°С начинается заметная поверхностная графитизация А. При повышении температуры этот процесс ускоряется, и в области 2000 °С полное превращение происходит за 15—30 мин. При импульсном нагреве (за несколько мсек ) кристаллы А. сохраняются при 3400°С, но превращаются в графит при 3600°С и выше. Эти предельные для А. температуры отмечены на рис. 2 (граница между областями 5 и 3).

  Месторождения и добыча. А. известен человечеству за много веков до н. э. Впервые А. начали добывать в Индии, в 6—10 вв. – на острове Борнео, в 1725 – в Бразилии. С 70-х гг. 19 в. центр добычи А. из Азии и Южной Америки переместился в Африку (сначала в Южную Африку, затем в Центральную, Западную и Восточную Африку).

  А. добываются из коренных и россыпных месторождений. Единственной промышленный коренной породой А. являются кимберлиты , встречающиеся преимущественно на древних щитах и платформах. Кимберлиты чаще всего представлены трубообразными телами различного размера, дайками, жилами, реже силлами. На глубине нескольких сотен метров от поверхности Земли трубки могут переходить в маломощные жилы и дайки. Наибольший промышленный интерес имеют трубки размером до 1525´1068 м (трубка «Мвадуи» в Танзании), реже разрабатываются дайки и жилы. На всех платформах известно свыше 1500 кимберлитовых тел, но промышленному содержание А. имеют из них лишь единицы (в зарубежных странах – трубки «Премьер», «Де Бирс», «Бюлтфонтейн», «Дю-тойтспен», «Весселтон», «Кимберли», «Ягерсфонтейн» и «Финш» в ЮАР, «Мвадуи» в Танзании, «Маджгаван» в Индии; дайки и жилы Мали, «Бельсбенк», «Щвартругген» в ЮАР, «Коиду» в Сьерра-Леоне, дайка на р. Бу – Берег Слоновой Кости и др.). В кимберлитах А. распределены весьма неравномерно. Они встречаются одиночными кристаллами и реже их сростками; характерно, что нигде не образуют крупных скоплений.

  Эксплуатируются месторождения с содержанием А. порядка 0,4—0,5 кар/м³ и некоторые трубки с исключительно высококачественными А., в которых содержание снижается до 0,08—0,10 кар/м³ («Ягерсфонтейн» в ЮАР). Добыча из отдельных трубок достигает 2—2,5 млн. кар в год. Некоторые трубки дали значительные количества А. (в млн. кар ): «Премьер» около 55, «Бюлтфонтейн» около 24, «Весселтон» около 23 и др.

  Единого мнения о генезисе А. в кимберлитах не имеется. Одни исследователи предполагают, что А. кристаллизуется на больших глубинах в пределах верхней мантии, другие считают, что А. образуется на глубинах 2—4 км в промежуточных очагах, возникающих на границе пород фундамента и осадочного чехла платформ.

  Основная добыча А. идёт из россыпей (80—85%) различных генетических типов (делювиальные, аллювиальные, прибрежно-морские россыпи, которые эксплуатируются при содержании 0,25—0,50 кар/м³ ).

  В России А. впервые были обнаружены в 1829 на Среднем Урале (в бассейне р. Койвы). За годы Советской власти в СССР создана сырьевая база А. Выявленные месторождения А. на Урале объединяются в Уральскую алмазоносную провинцию, расположенную на западных склонах Южного, Среднего и Северного Урала, где имеются россыпи с высококачественными А. В 1954—55 месторождения А. были открыты в Восточной Сибири, на территории Якутской АССР. Сибирская алмазоносная провинция приурочена к Сибирской платформе; в её пределах известны как россыпные, так и коренные месторождения (последние представлены кимберлитами трубчатой формы). Месторождения сосредоточены в западной Якутии (трубки «Мир», «Удачная», «Айхал» и др.). Найдены также А. на Тимане, Украине и в Казахстане.

  Мировая добыча природных А. (без СССР) возросла с 7,5 млн. кар в 1929 до 30 млн. кар в 1967.

  За всё время эксплуатации месторождений (по 1 января 1968) за рубежом извлечено около 900 млн. кар (180 т) А. Свыше 80% добываемых А. используется в промышленности. До 30-х гг. 20 в. первое место в мировой добыче А. прочно занимал ЮАС (с 1961 – ЮАР) где преобладают ювелирные камни. Впоследствии в связи с сильным ростом спроса на технические А. на первое место по количеству добываемых А. выдвинулось Конго (столица Киншаса), где имеются крупные запасы технического А.

Добыча природных алмазов в зарубежных странах (тыс. кар )