颜色的化学与物理学本质.pdf

知识介绍 颜色的化学与物理学本质 河北师范大学化学学院石家庄 摘要 关键词 世界上成千上万种物质所呈现出的五彩缤纷 千变万化的颜色 为大自然增添了勃勃生机 也给人 们的日常工作和生活带来了和谐与美感 颜色也常 常是引起人们对化学产生浓厚兴趣的主要原因 它 在我们的日常生活中起着相当重要的作用 比如课 堂教学 科研工作和工业生产中 经常能够接触到物 质的颜色及其种种变化 由于不同颜色会给人们以 不同的感觉 加上人们对色调极其精细的分辨能力 颜色已成为各种信号标志的基础和用以传递信息的 一种手段 这就使之为微电子学家所重视的缘由所 在 也是其用作信息存储和读出的一种基质 人们在应用天然有色材料的同时 大量合成各 种染料和颜料 染料和颜料不仅仅是分析化学家和 法庭科学家们绝妙的化学珍品 而且也是医生们的 诊断药物 生物化学家则利用它进行组织学研究 化 学家常利用颜色的变化来判断或鉴别某些化学反应 的发生或鉴别试料中是否含有某些离子等 液晶显 示系统 高能辐射感受器以及染料激光器等 是合成 着色剂在不同领域中应用的近代实例 颜色是物体对可见光选择吸收的结果 因此颜 色的产生首先涉及光与物质的相互作用 而光与物 质的作用一般情况下主要发生的是吸收 透射 散射 和反射等 颜色又是客观存在的电磁辐射作用于人 的视觉器官所产生的一种心理感受 眼睛看到的颜 色变化决定于物体的物理状态 光源的波长分布等 没有光 万紫千红的春色 姿态优美的舞台艺术都会 湮没在黑暗之中 有了光 世界上的物体才显示出五 光十色 这些颜色有些是大自然赋予的 有些则 是物理学家 化学家和工程师们利用各种各样的物 理原理和化学变化 制造 出来的 能产生颜色的 视觉系统的物理输入方式有很多 从化学和 物理学的角度定义了 种产生颜色的原因 本文首先对物质显色的原因进行介绍 然后结合部 分实例从以下 个方面进行简略的概述 与光源相关的振动以及简单激发的颜色来 源 包括白炽光源 气体激发及振动和转动 部分 无机颜料 矿物及宝石等颜色的起源 包括 过渡金属化合物及过渡金属杂质 部分 与能带及色心相关的颜色 包括金属 纯半 导体 掺杂或活化半导体及色心 部分 涉及几何光学与物理光学的颜色起源 包 括散射 干涉 衍射 折射色散及偏振化作用等 部 分 分子轨道间电子跃迁而引起的颜色 包括 有机化合物及电荷转移 部分 物质显色的原因 物质显色的原因是什么 是光与物质相互作用 的结果通过观察者的视觉系统而产生的印象 可以 说 光源 眼睛和物体是物质呈色的 要素 对光源而言 不同的光源在可见光区有不同的 能量分布 因此物质在不同光源照射下 就有可能呈 现出不同的颜色 如金绿玉矿 在白 炽灯下显红色 在太阳光照射下显绿色 最常见的 例子还有在荧光灯下观察物体的颜色与在日光下所 看到的是有差别的 深海中的贝壳在海底看是绿色的 波长为 拿出海面则显红色 波长为 这是由 于太阳光中的红光部分得被海水吸收了 不能到达 距水面 以上的深海中 钠光谱中 只有波长较 长的黄光 缺乏波长较短的蓝 紫色光 因此高压钠 蒸气灯显示柔和的黄色 紫外线灯只有波长较短的 紫外线及紫色光 而没有波长较长的红光 观察色是由人的视觉器官 主体为视网膜 受 不同波长光线刺激后所产生的一种生理及心理感觉 的描述 视网膜受光线刺激后的感觉称为颜色视觉 色觉在很大程度上受心理因素影响 在明亮的可见 光中 正常人眼睛的感光率对 绿光最敏感 年第 期 化 学 教 育 若用视觉系数表示 如果绿光视觉系数为 那么紫 光为 红光为 例如 水溶液在低浓度时显绿色 在高浓度时显红色 就是 眼睛的感光率对绿色敏感的结果 含高浓度血红蛋白的血液是深红色的 但在较 稀的溶液中则是草黄色的 这是因为氧化血红蛋白 在 和 有 个吸收峰 稀溶液中 吸收峰起主要作用 因而呈草黄色 在较高浓度 时 个吸收带吸收的光量差不多相等 因而红色成 为主色 若眼睛对各种可见光感光率一致的话 在 浓溶液中显红色 那么在稀溶液中应显浅红色了 颜色有 个属性 即色相 明度 色心等 在一定条件下 各种色心是可以相互 转化的 如无色的 和 9 晶体 因 9色心而 使得 晶体显黄色 9 晶体显红紫色等 赋于 晶体颜色的方法有多种 像在晶体中掺入杂质离子 引入过量的碱金属原子 用 6射线或 射线辐照晶 体 用电子或中子轰击晶体等 都可以使晶体中产生 色心 如烟晶的颜色就是由于少量杂质 在 1 中形成 色心 紫石英则是少量 9 在 1 中形成 9 色心所致 色心各能级的能量 值及观察到的颜色依赖于基质晶体 而与电子的来 源无关 如 晶体无论在钠蒸气还是在钾蒸气中 加热 都显示浅黄色 涉及几何光学与物理光学的颜色本质 人之所以看到自然界的青山绿水 蓝天白云等 美丽景色 可见光的存在是不可缺少的条件 而可见 光与物质间的种种的相互作用 除前面介绍的外 就 是涉及几何光学与物理光学而出现的颜色 不同材 料对光的折射率不同 同一材料对不同波长光的折 射率也不相同 因而太阳光经过棱镜的折射后出现 彩色的光带 夏天雨后形成的彩虹 海市蜃楼及沙 漠中出现的水乡绿洲等 都是由光的折射色散造成 的奇丽景观 光辐射在传播过程中遇到散射质点后 不同线 度的散射质点产生不同类型的散射 如瑞利散射 对短波反射较 年第 期 化 学 教 育 强有着密切的关系 雨后路面上的油膜或肥皂泡等在日光照射下所 显示的五光十色 则起源于光的干涉 一些动物身 体表面的显色也有因光干涉引起的 与干涉常一起 出现的是光的衍射 如珍珠母及某些矿物的呈色 动 物界某些鸟类和昆虫的翅膀和身体上所显颜色 就 是由衍射引起的 且颜色随着观察角度的变化而变 化 像南美洲拟色蝴蝶绚丽夺目的紫色翅膀就是最 好的例证 分子轨道间电子跃迁引起的颜色 电子对可见光的选择吸收是分子化学中化合物 呈色的重要起源 不同物质具有不同的分子结构及 电子能级 因而发生电子跃迁的类型也就有很大的 差异 关于化合物的颜色成因将另文详细介绍 综上所述 物质的颜色问题是一个很复杂的问 题 影响因素很多 一些物质的呈色常常有多种起 因 像上面介绍到的宝石或一些矿石及部分动物身 体表面的颜色等 因此要想准确地预测某种化合物 的颜色往往还是很困难的 所以人们对物质颜色还 有待于进一步探讨 参 考 文 献 美 化 学工业出版社 4 0 A B 7 贺克强 大学化学 白庚胜 色彩与纳西族民俗 北京 社会科学文献出版社 叶洪盘 颜色科学 北京 轻工业出版社 武汉地质学院矿物教研室编 结晶学与矿物学 上 北京 地 质出版社 杨萍 中国陶瓷 9 7 B 3 0C 0 D E 0 A B F 7 G D H H C 1 I J 0 0 K