John L. Emmett博士科普短文《铍与牛扒》Beryllium and Beefsteak 1/3

[align=left][font=Calibri]Emmett博士写的一篇扩散处理短文，[font=Calibri]短小犀利，翻译出来和大家分享，由于时间有限，先翻了前面1/3，如果大家喜欢，我再翻译剩余的。疏漏处请大家指正。第一页~ [size=4][b]在宝石学中，扩散的定义是：为宝石人工染色的一种方法，原理和布料染色一样。 [/b][/size]作者 John L. Emmett, PhD 翻译：klavior, TTND 扩散处理其实在各领域都很常见。比如天然纤维的染色。将纤维浸泡在染缸越久，它的颜色就越深，原因是，染料能更深入的扩散入纤维中，造成更深的颜色层。 扩散处理能够低成本地提高宝石或宝石原石的品质，以制造低价宝石，本是一项有用的技术,但扩散处理过的宝石，在市场销售时通常并未充分告知各级买家，确实有欺骗消费者的嫌疑。 [size=4][b]固体的化学反应 [/b][/size]大部分人对液体中的化学反应都很熟悉—比如醋和小苏打。通过勺子搅拌，这两种化学物质充分接触，并发生反应。两种固态的物质也能发生化学反应，但我们却不能用勺子去搅拌。 那两种固态物质如何接触并发生反应呢？答案是通过扩散。 固体间的化学反应其实和液体中的非常相似，只不过在液体中通过搅拌来混合物质，而在固体间靠的是扩散作用。但扩散比搅拌慢很多，所以即使在高温环境，宝石的扩散处理也是非常缓慢的过程。用钛和铍扩散染色刚玉时，这些物质将与宝石内的致色微量元素发生化学反应。 [i]用甜菜汁“扩散处理”过的煮鸡蛋(图11) [/i]扩散就在日常生活中。图上煮鸡蛋被甜菜汁扩散，染上紫色。甜菜的色素通过扩散作用，穿过蛋白，形成典型的扩散特征：深色表皮由外到内，逐渐变浅。请注意扩散并不只在高温下才能进行，这个实验就是在冰箱内进行的。 [size=4][b]那什么是扩散呢？ [/b][/size]扩散是在足够高的温度下原子和离子穿过固体物质的一个过程。 那离子或原子是如何移动穿过材料的呢，毕竟是固体啊？其实固体并不是那样“密不透风”。晶体中的离子（原子）间是有空隙的，更重要的是，晶体中某些地方，离子是完全缺失的。这些缺失离子的地方，我们称它“空穴”。提供足够的热能（足够高的温度），外部离子能挤开晶体离子，并跳入“空穴”中，并由此进入晶体。当它“前进”时，又为下一个外部离子留下空缺。因此，外部离子可以从一个空穴跳到下一个，充分地进入刚玉（红宝石或蓝宝石）晶体。 [size=4][b]扩散的性质 [/b][/size]由于“空穴”是随机分布在整个晶体中，扩散离子移动方向不确定，向前或向后，向上或向下，向左或向右。这种物理路径被称为“随机漫步”或“酒鬼步”然而，宏观的规律是，离子总是向低离子浓度的区域移动。这种相似离子从其高浓度区域向低浓度区域移动的倾向，是我们理解扩散作用的重要基础。这种现象也说明了，任何能够自由移动的物理系统，都会通过移动来使系统的能量最小化。这就是为什么水总是跑下山，如果我们拿起一块石头，然后放开它，它会掉在地上，这都是在减小自身的能量。 由于扩散的“随机漫步”性质，穿透深度并不随着时间的推移呈线性增加，而是随着时间的平方根。因此扩散深度增加一倍，处理时间需要增加的四倍，而深度增加三倍时间则九倍，以此类推。从绝对零度开始，随着温度升高，扩散系数增加非常迅速（指数增长），因为随着温度升高，“空穴”的数目上升，离子每秒的跳跃次数也会增加。 我们可以通过提高温度来加快扩散过程。当我们升高温度，“空穴”的数量急速上升，扩散离子每秒的跳跃次数也会增加。事实上，当接近熔点，“空穴”的数量和“游离”离子的数量显着增加，因此，晶体终于分崩离析，也就是，它将融化。 [size=9.5pt] 固体中物质的扩散[/size][i]: 固体中热能的扩散:（图22） [/i] C = 浓度 T = 温度 D =扩散系数 k = 热扩散率 固体中热能和物质的扩散方程式相通。 不，我不指望你能理解这两个方程。但方程表现出的是，他们是完全一样的！也就是说，外部离子从晶体的表面扩散到其内部的方式与晶体表面的热量向内扩散的方式是完全一样的。在进入固体的过程中，热的扩散和外部离子的扩散遵循同一方程式。 [size=3][i]烤土豆，也是扩散过程。（图33） [/i][/size]烘烤土豆和扩散离子进入宝石的方法是相同类型的扩散，因为他们遵循相同的原则。当这些土豆在烘箱中烘烤时，烘箱向马铃薯的表面施加的热向内扩散，将其内部温度提高，也就是“烹调”它。大土豆是较小的两倍厚。前面讲到两倍扩散距离需要的时间有4倍差异，如果大爱达荷州土豆需要一个小时熟，而法国小土豆只需15分钟。当你思考宝石的扩散过程时，不妨想想烤土豆。如果它不会在烤马铃薯上发生，它也不会发生在一个宝石上。 [i]最早的表面扩散处理，是将钛扩散进入蓝宝石。右图是扩散蓝宝石的浸液图像。（图44） [/i]最早的出现的刚玉扩散技术，主要用于生产销售蓝色宝石。首先加热斯里兰卡产geuda原石至无色，再进行钛扩散。在这种情况下，钛与宝石内部离子发生化学反应，形成“铁-钛对”，使宝石呈蓝色。扩散过程在非常高的温度下进行，将损坏的宝石的表面，因此，热处理后宝石需轻微重新打磨。把宝石浸入与其折射率匹配的液体中时，发现切面边缘好像被较暗的蓝色线条描边。请记住这张图片，我们将在后面继续讨论。 下一列的顶部的对比照片，扩散前（左）扩散后（右），于大约20年前的扩散实验中拍摄。大多数来自斯里兰卡的geuda原矿，热处理后，变成几乎无色。左边的这些刻面宝石就是加热后的geuda，但颜色已已用Photoshop加强，所以你可以看到，一些石头有很淡的蓝色或黄色。这些石头被包在含有少量二氧化钛（Ti02）的氧化铝粉中，然后再加热到1675°C并维持150小时。右边是石头扩散后的图片，未经PS，是实际的颜色。请注意，扩散后颗粒之间颜色有较大差异，这是由于geuda中铁含量的不同造成的。另外，注意宝石的表面的损伤，这就是为什么扩散处理后石头需要重新打磨。 [i]斯里兰卡蓝宝石扩散处理对比图（55） [/i] [b][size=4]扩散的分类 [/size][/b] [i]表面部分及晶格边界或短路（图66） [/i] [/font][/font][/align]