| няются в виде порошков, а также отд. кристаллов, к-рым 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" химич. 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 периодич. системы Si, Ge, Sn. Однако в последовательности С-Si-Ge-Sn прочность ковалентной связи убывает соответственно с увеличением межатомного расстояния. Кристаллич. решётку А. имеют также многие химич. соединения, напр, соединения элементов III и V групп периодич. системы (решётка типа сфалерита - ZnS). Структуры этих соединений (являющихся полупроводниками) благодаря дополнит, ионной связи (помимо ковалентной), по-видимому, прочнее структур элементов 4-й группы, принадлежащих к тому же периоду системы элементов. Напр., соединение азота с бором наз. боразоном, по твёрдости не уступает А.
Благодаря особенностям кристаллич. 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 нек-рое 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, напр, на периферии их больше, чем в центре. Сильные связи между атомами С в структуре А. приводят к тому, что любое несовершенство кристаллич. решётки А. оказывает глубокое воздействие на его физ. свойства. Этим объясняются, в частности, расхождения данных разных исследователей. При общем описании свойств А. исходят из того, что макс, содержание примесей составляет 5%, причём количество одной примесной компоненты не превосходит 2%.
Рис. 1. Элементарная ячейка кристаллич. решётки А. Атомы С расположены по вершинам куба, в центрах граней и в центрах 4 несмежных октантов. Плотность упаковки в решётке 34%. В наиболее плотных кристаллич. решётках достигается плотность упаковки 68% и 74%. Есть основания полагать, что при высоких давлениях (см. рис. 2) существуют более плотные (может быть - металлические) модификации С.
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 мннерало-гич, образцов колеблется в пределах от 3470 до 3560 кг/м3 (у карбонадо от ЗОЮ 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 Ги/м2 [или от (6-7) 103 до 15-103 кгс/мм2] в зависимости от способа испытания (по Хрущёву и Берковичу ~ 104 кгс/мм2, корунд ~2-103, кварц~ 1,1-103, кальцит ~1,1-102кгс/мм2). Твёрдость А. на различных кристаллографич. гранях не одинакова - наиболее твёрдой является октаэдрич. грань [(111)-см. Миллеров-ские индексы]. А. очень хрупок, обладает весьма совершенной спайностью по грани (111). Анизотропия механич. свойств учитывается при обработке монокристаллов А. и их ориентировке в однокристальном инструменте. Модуль Юнга - модуль нормальной упругости А. 1000 Гн/м2(~1013 дин/см2), модуль объёмного сжатия 600 Гн/м2(~6-1012дин/см2). Тепловой коэфф. линейного расширения возрастает с темп-рой от 0,6-10-60С-1 в интервале 53-303 К до 5,7-10-6 в интервале 1100- 1700 К. Коэффициент теплопроводности уменьшается с увеличением темп-ры 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 180 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 лямбда =0,5893 мкм) и возрастает с температурой, дисперсия 0,063. Угол полного отражения равен 24°24'. Некоторые образцы А. обладают оптич. анизотропией, например двойным лучепреломлением, обусловленным внутр. 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, альфа-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 (лямбда ~ 8- 10 мкл) и в ультрафиолетовой (ниже 0,3 мкм). Их наз. 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 ~0,22мкм. Встречаются А. со смешанными признаками, а также обладающие в одних частях кристалла признаками 1-го типа, а в других - 2-го. Осн. спектроскопич. характеристики кристаллов хорошо коррелируются с количеством азота, содержащегося в решётке А., и, по-видимому, с тонкими различиями кристаллич. строения.
Предложено подразделение А. 2-го типа на 2 а и 2 б, различающиеся электрич. свойствами. Удельное электрич. сопротивление А. 1-го типа р ~ 1012-1014 ом*м, типа 2 а-р ~1012 ом-м. А., принадлежащие к типу 2 б, имеют р~0,5 -10 ом*м, они являются примесными полупроводниками р-типа, обладают фотопроводимостью и при нагревании обнаруживают линии поглощения на длинах волн лямбда>6 мкм (они крайне редки, открыты только в 1952). Встречаются кристаллы А. с исключительно малым сопротивлением р ~10-2, к-рые могут пропускать большие токи. Среди неполупроводниковых А. 2-го типа иногда встречаются кристаллы, электропроводность к-рых резко возрастает при облучении альфа-частицами, электронами и гамма-лучами. Глубина проникновения альфа-частиц в А. не более 10 мкм, электронов (с энергией ~ 1 Мэв)-1 мм. Такие А. могут использоваться в кристаллических счётчиках. К достоинствам алмазных счётчиков относится способность работать при комнатной темп-ре, 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°C). На воздухе А. сгорает при 850-1000°С, в кислороде - при 720-800°С. В вакууме или в инертном газе при 1400 0С начинается заметная поверхностная г р а-фитизация А. При повышении темп-ры этот процесс ускоряется, и в области 2000°С полное превращение происходит за 15-30 мин. При импульсном нагреве (за неск. 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 о. Борнео, в 1725 - в Бразилии. С 70-х гг. 19 в. центр добычи А. из Азии и Юж. Америки переместился в Африку (сначала в Юж. Африку, затем в Центр., Зап. и Вост. Африку).
А. добываются из коренных и россыпных месторождений. Единственной пром. коренной породой А. являются кимберлиты, встречающиеся преим. на древних щитах и платформах. Кимберлиты чаще всего представлены трубообразными телами различного размера, дайками, жилами, реже силлами. На глубине неск. сотен метров от поверхности Земли трубки могут переходить в маломощные жилы и дайки. Наибольший пром. интерес имеют трубки размером до 1525X1068 м (трубка "Мвадуи" в Танзании), реже разрабатываются дайки и жилы. На всех платформах известно св. 1500 кимберлитовых тел, но пром. содержание А. имеют из них лишь единицы (в зарубежных странах - трубки "Премьер", "Де Бирс", "Бюлтфонтейн", "Дютойтспен", "Весселтон", "Кимберли", "Ягерсфонтейн" и "Финш" в ЮАР, "Мвадуи" в Танзании, "Маджгаван" в Индии; дайки и жилы Мали,"Бельсбенк", "Цвартругген" в ЮАР, "Коиду" в Сьерра-Леоне, дайка на р. Б у - 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 нек-рые трубки с исключительно высо-кокачеств. А., в к-рых содержание снижается до 0,08-0,10 кар/м3 ("Ягерсфонтейн" в ЮАР). Добыча из отд. трубок достигает 2-2,5 млн. кар в год. Некоторые трубки дали значительные количества А. (в млн. кар): "Премьер" ок. 55, "Бюлтфонтейн" ок. 24, "Весселтон" ок. 23 и др.
Единого мнения о генезисе А. в кимберлитах не имеется. Одни исследователи предполагают, что А. кристаллизуется на больших глубинах в пределах верх, мантии, другие считают, что А. образуется на глубинах 2-4 км в промежуточных очагах^ возникающих на границе пород фундамента и осадочного чехла платформ.
Осн. 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 Ср. Урале (в басе. р. Койвы). За годы Советской власти в СССР создана сырьевая база А. Выявленные месторождения А. на Урале объединяются в Уральскую алмазоносную провинцию, расположенную на зап. склонах Юж., Ср. и Сев. 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 Сиб. платформе; в её пределах известны как россыпные, так и коренные месторождения (последние представлены кимберлитами трубчатой формы). Месторождения сосредоточены в зап. 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 янв. 1968) за рубежом извлечено ок. 900 млн. кар (180 т) А. Св. 80% добываемых А. используется в пром-сти. 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 технич. А. на первое место по количеству добываемых А. выдвинулось Конго (столица Киншаса), где имеются крупные запасы технич. А.
Добыча природных алмазов в зарубежных странах (тыс. кар)
1929
1937
1967'
Африка
Ангола
312
626
1288
Берег Слоновой Кости
176
Гана
861
1578
2537
Гвинея
56
72
Конго (столица Киншаса)
1910
4925
13155
Намибия (Юго-Зап. Африка)
597
197
1900
Сьерра-Леоне
-
913
1493
Танзания
23
3
927
Центральноафр. Республика
6
521
ЮАР
3395
1028
6668
Азия
Индия
1.6
1,2
8
Южная Америка
Венесуэла
_
15
68
Бразилия
144
197
350
Гайана
126
36
97
1 Предварительные данные.
В большинстве стран капиталистич. мира добыча и сбыт А. контролируются крупнейшей монополией - Ллмазиым синдикатом.
Разработка месторождений А. Россыпные месторождения А. разрабатываются открытым способом с применением экскаваторов или драг. Добыча алмазоносной породы из трубок вначале осуществляется при помощи открытых горных выработок; на больших глубинах переходят к подземному способу разработки. Подземная разработка включает магазинирование алмазоносных пород в камерах и выдачу их на транспортные горизонты через рудоспуски.
Добытая алмазоносная порода после предварительной обработки (в песках - удаление глинистых частиц и крупной гальки, в кимберлитах - дробление и избирательное измельчение) обогащается до получения концентрата на отсадочных машинах или в тяжёлых суспензиях (см. Гравитационное обогащение). Извлечение А. в концентрат достигает 96% от содержания их в горной массе.
Для извлечения А. из концентратов наибольшее распространение получил жировой процесс, основанный на избирательной способности А. прилипать к жировым поверхностям (предложен Ф. Кирстеном в 1897). Для извлечения мелких А. (до 4 мм) наряду с жировым процессом применяют электростатич. сепарацию, основанную на различной проводимости минералов (А.- плохой проводник электричества). В СССР разработан рентгенолюминесцентный метод извлечения А. из концентратов, основанный на способности кристаллов А. люминесцировать. Разрабатываются аппараты, в к-рых рентгеновские трубки заменены радиоизотопами. Созданы рент-генолюминесцентные автоматы, в к-рых вместо визуального обнаружения и ручного съёма А. с конвейерной ленты используется фотоэлектронный умножитель (т. н. электроглаз).
А. синтетический представляет собой А., получаемый искусственным путём из неалмазного углерода и углеродсодер-жащих веществ. Синтетич. А. имеет кри-сталлич. структуру и основной химич. состав природного А.
Химич. состав А. определён в конце 18 в. Это дало начало многочисл. попыткам получения искусств, (синтетич.) А. в различных странах. Надёжные результаты синтеза А. получены в сер. 50-х гг. 20 в. почти одновременно в неск. странах (США, Швеция, ЮАР).
В Сов. Союзе А. впервые синтезированы в Ин-те физики высоких давлений под рук. акад. АН СССР Л. Ф. Верещагина. Промышленное производство А. было развито совместно с Украинским ин-том сверхтвёрдых материалов. О получении синтетического А. в СССР было объявлено на Июльском пленуме ЦК КПСС (I960).
А. является кристаллич. модификацией углерода стабильной лишь при высоком давлении. Давление равновесия термодинамического между А. и графитом при абсолютном нуле (0 К = -273,16°С) составляет ок. 1500 Мн/м2 (15 кбар) и возрастает с увеличением темп-ры (рис. 2, граница между 4 и 5). При давлении, меньшем равновесного, устойчив графит, а при более высоком - А. Однако взаимные превращения А. в графит и графита в А. при давлении, соответственно меньшем или большем равновесного, происходят с заметной скоростью только при достаточно высоких темп-рах. Поэтому А. при нормальном давлении и темп-рах до 1000°С сохраняется практически неограниченное время (метастабиль-ное состояние).
Непосредственное превращение графита в А. требует высокой темп-ры и соответственно высокого давления (7 на рис. 2). Поэтому для облегчения синтеза используют различные агенты, способствующие разрушению или деформации кристаллич. решётки графита, или снижающие энергию, необходимую для её перестройки. Такие агенты могут оказывать каталитич. действие. Процесс синтеза А. объясняют также растворением графита или образованием неустойчивых соединений с углеродом, к-рый, выделяясь из раствора или при распаде соединений, кристаллизуется в виде А. Роль таких агентов могут играть нек-рые металлы (напр., железо, никель и их сплавы).
Необходимое для синтеза давление создаётся мощными гидравлич. прессами (усилием в неск. и десятки Мн, или в сотни и тыс. тс), в камерах с твёрдой сжимаемой средой (см. Давление высокое). В сжимаемой среде располагается нагреватель, содержащий реакционную смесь, состоящую из графита (или др. углерод-содержащего вещества) и металла, облегчающего синтез А. После создания нужного давления смесь нагревается электрич. током до темп-ры синтеза, к-рый длится от неск. секунд до неск. часов (обычно неск. минут достаточно для образования кристаллов с линейными размерами в десятые доли мм). Для сохранения полученных А. в нормальных условиях (в метастабильном состоянии ) прореагировавшая смесь охлаждается до комнатной температуры, а затем снимается давление.
Рис. 2. Области существования углерода в различных состояниях (диаграмма состояния): 1 - жидкость; 2 - стабильный алмаз; 3 - стабильный графит; 4 - стабильный алмаз и метастабильный графит: 5 - стабильный графит и мета-стабильный алмаз; 6 - гипотетическая область существования иных твёрдых состояний углерода; 7-точки, соответствующие условиям опытов по прямому превращению графита в алмаз; 8 - область образования алмаза с использованием металлов; 9 - область экспериментов по образованию алмазов при низком давлении (Бутузов, СССР),
Вещества, применяемые при синтезе или добавляемые к реакционной смеси, могут входить в А. в виде примесей, обусловливая при этом нек-рые их свойства(в первую очередь электрические и оптические). Напр., примесь бора сообщает кристаллам А. окраску от светло-синей до тёмно- красной; бор и алюми |
