1913年由英国的物理学家威廉·布拉格和他的儿子用X射线观察金刚石,研究金刚石晶体内原子的排列方式.他们发现,在金刚石晶体内部,每一个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合,形成一种致密的三维结构.这是一种在其他矿物中都未曾见到过的特殊结构.而且,这种致密的结构,使得金刚石的密度为每立方厘米约3.5克,大约是石墨密度的1.5倍.正是这种致密的结构,使得金刚石具有最大的硬度.换句话说,金刚石是碳原子被挤压而形成的一种矿物.
在金刚石的晶体中,碳原子按四面体成键方式互相连接,组成无限的三维骨架,是典型的原子晶体.每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体.由于钻石中的C-C键很强,所以所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以钻石不仅硬度大,熔点极高,而且不导电.