有高中化学知识的人都知道同素异性体的概念,它是指由同样的单一化学元素构成,但物理性质却不相同的物质。我们最常见的就是碳元素的三个同素异性体：金钢石、石墨、无定形碳（包括木炭、焦炭、煤炭等）。它们不但常见且很让人惊奇,惊奇于它们天壤之别的物理性质。金刚石是自然界中最坚硬的固体,硬到可以切割坚硬的石料、金属、陶瓷、玻璃等（它的光学性质也很优异,此文仅谈它在科学技术方面有着十分重要作用的物理性质：硬度）,而石墨和无定形碳则易裂易碎易滑。因此,石墨在工业上常用作固体润滑剂,用于制作铅笔芯；无定形碳的物理性质无多大的用处,大多使用它的化学性质——发光发热的化学反应——燃烧。
大家不禁要问：它们都是由碳元素构成的,其硬度怎么差别这么大,到底是什么原因造成的呢？答案是——仅仅是由于碳原子与碳原子的结合式——内部结构的不同。请看：
金刚石是典型的原子晶体,这种晶体中的基本结构粒子是碳原子。每个碳原子与其周围四个碳原子形成共价单键,构成正四面体。每个碳原子位于正四面体的中心,周围四个碳原子位于四个顶点上,在构成连续的、坚固的骨架结构。因此,可以把整个晶体看成一个巨大的分子。由于C-C键的键能大（结合力很大）,最外层电子都参与了共价键的形成,使得晶体中没有自由电子,所以金刚石是自然界中最坚硬的固体。
石墨是分子晶体,其晶体是片层状结构,层内碳原子排列成平面六边形,每个碳原子以三个共价键与其它碳原子相结合,余下的一个价电子相互结合成离域的大π键。一个独立的片层就是一个分子量很大的石墨分子,也可以把它看做一个较大的超薄晶片。层间碳原子以分子间力相结合。由于层间的分子间力很弱（原子间的结合力——化学键与分子间的结合力——分子间力其结合之力量差别非常大）,因此石墨晶体的层与层之间容易滑动、裂开。正是由于此因,石墨矿石是自然界最软的矿石之一。
所谓无定形碳,并不是指这些物质存在的形状,而是指其内部结构。实际上它们的内部结构并不是真正的无定形体,而是具有和石墨一样结构的晶体,只是由碳原子六边形环状平面形成的层状结构零乱且不规则,晶体形成有缺陷,含有少量杂质。大部分无定形碳是石墨层型结构的分子碎片（小晶片）大致相互平行地,无规则地堆积在一起,可简称为乱层结构。
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