《颜色化学》PPT课件.ppt

第三章 简单能 级跃迁产生的 颜色 l 3.1 白炽产 生的颜色 l3.1.1 黑体辐射 l3.1.2白炽与白炽光源 l1. 白炽 l物体仅由其温度高到一定程度而产 生的光,称为白炽. l温度的升高来自于发光物体能量的增加 。 l高温下,组成物质的原子与分子发射出它 们的部分能量成为光子。 l随温度的升高,产生的焰色序列为 : 红 , 橙,黄, 白 ,蓝白色。 2. 白炽光源 l(1) .烛光 l蜡的主要成分是硬脂酸 (C17H35COOH)与蜜蜡的混合物。 l烛心处不完全燃烧，产生直径30nm的 碳粒子，外焰燃烧的热使其变为白炽 ，发射出黄色的烛光，最终产物是 CO2 与H2 O。 l（2）煤气灯 l（3）电石灯 l（4）石灰光 l 1816年发现，当石灰受炽热火焰的加热 时，会发射出非常辉煌的光。 l（5）白炽灯 l 1878年Edison与Swan几乎同时发明，钨 具有高熔点（3380 0C）和很低的蒸发率 ，掺入少量硅、铝、钾等可增加灯丝韧 度。 l（6）水晶-卤素灯 l灯泡由石英制成，充满惰性气体，加 入少量溴或碘。卤素气体在灯泡较冷 的区域同蒸发出来的钨反应，把钨迁 回灯丝最细部分，使钨沉积，灯丝恢 复均匀的厚度，增加寿命并使产生的 光更接近白光。 3.1.3 色温的概念与应用 l彩色感觉既决定于人眼对可见光谱中 的不同成分有不同的视觉功能,又决 定于光源所含的光谱成分以及景物反 射和吸收其中某些成分的特性。 l为便于比较光源的光谱成分和进行色 度计算，引入“色温”的概念。 l1.色温的定义: l某一光源辐射的光，与某一特定温度下 黑体辐射的光具有相同的特性，则绝对 黑体的这一特定温度就定义为该光源的 色温。 l色温表示光源的色光成分。 l色温越低，光线越带红色，色温越高， 光线越带蓝色。 l色温的单位是绝对温度K。 l2. 色温的性质: l色温用来描述光源的光辐射特性 , 或光源 的色光成分。 l光谱成分影响物体的颜色却不是描述物 体的颜色。 l色温表示的是光源的色光成分,而不是光 源本身的实际温度。 l太阳的色温不是恒定的，其表面温度达 5700 0C，早晨色温约2000K，上午10时 和下午4时色温约4800K，正午接近 6000K。 l3. 影响色温的因素 l(1)辐射物体的温度 l温度越高,辐射物体的高频色光成分越多 . l(2)辐射物体自身的特性 l辐射物体的种类、结构、性能不同，辐 射光的情况差别很大。 l4. 色温校正 l校正色温一般用滤光镜。 l提高色温,用蓝色滤光镜; l降低色温,用黄色或橙色滤光镜。 l其他: l（1）棕镜:能更好地突出日出和黄昏的气氛， 产生奇妙的艺术效果。 l（2）增强镜拍摄红花、秋天的红叶时使用， 会使图象产生娇艳、迷人的色感。 l（3）珊瑚色镜主要用途是改善人物的肤色， 3.2 原子中简单激发产生的颜色 l原子中电子能级之间跃迁产生光的概念, 是气体激发产生颜色的核心。 l3.2.1 原子光谱简介 l1. 原子光谱是获得原子中电子层结构的 重要手段。 l2. 跃迁选率 l原子受激发,并非任何两个能级之间都可 以发生跃迁, 根据原子光谱项,要满足一 定的选律: 3.2.2 气体放电与相关颜色 l1. 气体放电 l18世纪发现,气压计中水银柱上方的真空 区域能看到绿色辉光,这是水银蒸汽原子 产生的静电激发、放电； l1835年Faraday，1860年Geissler都发现 ：接近真空的管子中有电导并发光，颜 色取决于管中残余气体的性质。 l2.广告霓虹灯 l稀有气体放电 l1910年,法国人Claode把Geissler管发 展成氖管,中心区域很窄以限制其放电 并增加亮度。 l l氖或 氖与少量氩产生红光； l氩或氩与水银产生蓝光； l氦产生黄光 l氪产生浅紫光 价格昂贵 l氙产生蓝 利用有色灯泡,还可以改变颜色。 l3. 稀土卤化物灯 l灯泡内除放电气体外还有稀土碘化物,如 镝钬碘化物(称镝钬灯). l气体高压放电时,碘化物分解出镝、钬原 子并被激发至高能态，返回基态是发出 各种颜色的光，这些光的组合构成了接 近日光的灯光，光效高，传色性能好， 用于外景拍摄及大面积照明。 l4. 金属蒸汽灯 l(1) 钠蒸汽灯 l钠光中一半为黄色.加入少量氖气,气体 放电,促使钠气化钠灯的颜色从氖的粉红 变为钠的黄色,增加钠的温度与压力,使 用氧化铝管,可得到近于白色的光。 l(2)水银蒸汽灯 l纯水银灯发出黄、绿、紫光，不可见紫 外线几乎占总发射量的50%，改善方法 是灯内涂以磷光体，使其吸收紫光与紫 外光，并转变成可见光。 3.2.3 太阳光谱中的Fraunhofer 谱线 l太阳是光的发射体，太阳输出的能量最初 始的起源在太阳内部。 l太阳每秒钟的辐射能是3.81026J,相当于 6.1108吨的氢原子核参加的核聚变反应(太 阳的总质量是1.991027吨)。 l1000克氢原子核完全参加聚变反应释放能 量为6.3 1014J,相当于把150万吨0 0C的水 加热到100 0C所需的热能。 l1814年，Fraunhofer用窄的缝隙仔细研究了 太阳的光谱，发现一些细锐的暗线，即太阳 的某些光被吸收掉了。 l太阳发射的辐射能应是连续光谱，通过气态 物质时，由于特征吸收产生了暗线，称为 Fraunhofer谱线。暗线对应的是某些物质特 定能级间的跃迁。 l最早发现的是D1，D2谱线，相当于钠的黄色 谱线,即钠原子3P（2P1/2，2P3/2）3S（2S1/2) 发生的跃迁。 l以这种方式，在太阳表面已识别出60多种 元素。 l1868年日食时刻，发现黄色D3谱线，它不 是钠的跃迁，也不是已知元素的谱线，是 一种新的元素氦。 l物理学家分析光谱、光谱线，可以得到光 源处物质的温度、密度、化学成分、磁场 ，获取光源物质运动的信息。 l日食时，Fraunhofer谱线以明亮谱线出现 。 3.2.4 太阳色球与日冕 l色球层是太阳大气的中层，日冕是太阳最 外面的大气。 l日冕气体是磁化的高温等离子体。 l太阳色球层最强的辐射是： l氢原子发射的波长为656.28nm的红光,称色 球的H谱线辐射; l发射深紫光的是钙电离393.37nm的K谱线; 和波长396.85nmH谱线. l与日冕对应的谱线主要是: l铁、钙、镍等原子失去914个电子成为高 次电离离子之后发射的，最亮的是： l铁原子第13次电离(失13个电子)波长 530.3nm的绿线; l其次是铁原子第9次电离,波长为637.4nm的 红线; l还有波长为596.4nm的黄线。 3.2.5 太阳风和极光 l由于日冕的高温,太阳的重力不足以把日 冕气体吸引在太阳周围,形成静止的大气 层,于是日冕气体要连续地向外膨胀,成为 太阳风。 l太阳风主要由电子和质子组成,也含有一 些离子。 l南北极附近有极光发生,呈壮观的光弧,带 状或帷幕状,长度为几千公里,高度几至几 百公里,厚度只有几百米,出现在海拔100到 1000公里的高度。 l最常观察到的极光的颜色是几种深浅不同 的红色、淡绿色、黄色与极浅的绿色。 l具有1000到10000eV能量的电子与高达 100000eV的质子，沿地球磁场向北极或南 极螺旋式前进。 l它们同大气高处的气体原子与分子发生相 互作用，碰撞使氮分子、氧分子、氧原子 受到激发与电离，产生激发态的原子或分 子，发射出多种颜色的光。 l氮分子N2同电子碰撞， 形成激发态的氮分子离 子，释放出来高能的电 子，N2+不稳定，易结 合电子发出紫外光，紫 光与蓝光： lN2 + e- N2+ + e- +e- * lN2+ + e- N2* + 光 l被激发的N2*变成普通氮 分子，同时发出粉红色 光： lN2* N2 + 光 l高能电子使氧原子处于激发态，退激时 发出浅绿色或深红色的光： lO + e- * O* + e- lO* O + 光 3.2.6元素的特征焰色 l盐酸与盐类的粉末反应生成氯化物,在火 焰上很容易蒸发,并被激发到高能态上,在 返回基态时,一些元素便发射出 特征焰色 。 l可用于烟花制作。 4分子的结构状态与振动与转动跃 迁产生颜色 l4.1分子光谱简介 l1. 分子光谱类型 l(1)电子光谱 l由分子中价电子的跃迁产生的光谱称之 为电子光谱,一般在紫外-可见光区,用紫外 -可见分光光度计分析. l对物质的颜色起主要的决定作用. l(2)振动-转动光谱 l由分子的振动-转动能级跃迁产生的光谱 ,一般在红外区,用红外或拉曼光谱仪研究 . l(3)转动光谱 l由分子的转动能级跃迁产生的光谱,一般 在微波区,用微波波谱仪研究. 4.2 振动-转动能级跃迁产生的颜色 l1.氢键与水和冰的结构 l氢键以XYY表示。 l气态时，单个水分子的结构是OH键 长95.72pm, HOH夹角104.50，在冰 、水或水化物晶体中，H2O分子为按四 面体方向分布的电荷体系。 l常压下，六方晶系的冰-Ih ，晶胞参数为 ：a=452.27pm, c=736.71pm晶胞中含4个 水分子,密度0.9168g/cm3。 l冰融化为水，空旷的氢键体系瓦解，密 度增加，随温度升高，热膨胀使密度降 低，所以，40C时，水的密度最大。 l冰融化时，15%的氢键断裂，200C时水 中氢键的数目约为同量冰中的一半，沸 点时，液态水中依然有相当数量的氢键 。 2.大量水与大块冰的颜色 l轻的原子和较强的键是提高振动频率的必 要条件，使吸收向可见光移动。 l水的吸收光谱很复杂，在红外区包括一系 列窄的强吸收带，接近可见光区域，吸收 强度快速减弱，从红外到可见光区过渡的 光谱的红端有少量的吸收，表现出它的补 色淡淡的蓝色。 l冰中的氢键比水中多，纯净的大块冰也是 淡蓝色的。 l含有氢键的其它液体与固体也有淡蓝色。 3.小分子的振动与绿柱石的颜色 l硅酸铍铝(Be3Al2Si6O12),无色矿物绿柱石 仅有的吸收出现在低频的远红外区,相当 于晶格振动。 l由于原子质量不小,键强度不大,振动频率 很低,近红外区为一条平平的几乎没有吸 收的直线。 l所以纯净的、结构紧密的绿柱石无色。 l但结构不够紧密的硅酸铍铝，少量的 H2O，CO2等小分子被俘获在缝隙之中 。 l由于小分子比较自由的振动，以及不同 形式的振动组合，使得在远红外区、近 红外区出现了一系列细锐的吸收，并一 直扩展到可见光区的边缘，在光谱的红 端有少量的吸收，使无色的绿柱石产生 了浅绿色。 4.卤素的颜色 l1.碘的颜色 l分子的价电子能级发生跃迁时,常伴随振 动能级和转动能级的跃迁,因而其能级差 不是一个确定的数,而是表现为多个彼此 相差很小的数值。 l碘遇到高能辐照时，在449nm以外出现连续吸 收，固体碘几乎为黑色。 l2. 氯和溴的颜色 l分子的共价键长Cl-Cl Br-Br I-I, l键能较大的氯气分子吸收高能量的蓝紫 色光,显黄绿色,而键能稍小的溴分子吸收 蓝绿色光，分子状的溴蒸气表现为淡红 棕色。 l氯、溴以液态存在时，分子间距离减小 ，范德华力增加，颜色加深。 5.荧光与磷光 l(1)荧光 l原子或分子吸收光子被激发到高能级 的激发态,经多种辐射失活而回到基态, 失去的能量相当于非辐射跃迁或内部 转换跃迁,因而发射具有较长波长的光, 称为荧光。 l荧光发射过程中没有多重度的改变。 l(2)磷光 l原子或分子吸收光被激发到高能激发态( 如单重激发态S1)后,该分子在激发态S1与 基态S0之间还有三重激发态,则激发态分 子跃迁回基态时,需经过介稳定的三重态 (T1)再返回基态(S0)