Pytanie:
Dlaczego większość metali jest szara / srebrna?
alifornia
2013-07-26 22:55:58 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Dlaczego większość metali (żelazo, cyna, aluminium, ołów, cynk, wolfram, nikiel itp.) ma kolor srebrny lub szary? (Jakie właściwości atomowe decydują o kolorze?)

Co sprawia, że ​​miedź i złoto mają różne kolory?

Komentarz do pytania (v2): Czy jest jakiś aspekt pytania, który szczególnie Cię interesuje, na który nie można odpowiedzieć prostymi wyszukiwaniami Google, takimi jak np. [Wikipedia] (http://en.wikipedia.org/ wiki / Gold # Color) czy [ta] (http://www.webexhibits.org/causesofcolor/9.html) strona internetowa?
Może to być pomocne: http://fourmilab.ch/documents/golden_glow/
Dlaczego srebro jest „bliskie” bieli, jak sugeruje większość odpowiedzi?
@Chris Oto kolejna odpowiedź, którą znalazłem w sieci http://www.funtrivia.com/askft/Question49344.html. Sprawdzanie układu okresowego to kolejna rzecz, którą zrobiłem, jak to często robię z takimi pytaniami, z tym samym wnioskiem co Ty (chociaż w większości nie jestem kompetentny w takich sprawach). Zastanawiałem się tylko, dlaczego nikt, łącznie z OP, nie zrobił takiego komentarza. Wtedy PO ma teraz 23 głosy, podczas gdy 3 odpowiedzi łącznie mają tylko 18. Oczywiście pytanie jest intrygujące, szczególnie po sprawdzeniu układu okresowego. Może nie rozumiem celu głosowań, ale spodziewałbym się większego udziału.
Powiązane pytanie na temat Chemistry StackExchange: [Dlaczego złoto jest złote?] (Https://chemistry.stackexchange.com/q/16633/81509) i [link] (https://chemistry.stackexchange.com/questions/linked/16633 A lq = 1) tam.
Sześć odpowiedzi:
#1
+103
Johannes
2013-07-27 09:18:31 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Dlaczego większość metali ma kolor srebrny, a złoto jest wyjątkiem?

Trudno się dziwić, że odpowiedź na to pytanie opiera się w dużej mierze na teorii kwantowej, ale większość ludzi będzie zaskoczona, gdy usłyszymy, że pełna odpowiedź wnosi do obrazu względy relatywistyczne. Mówimy więc o relatywistycznych efektach kwantowych.

Kwantowy fragment historii mówi nam, że kolor metali, takich jak srebro i złoto, jest bezpośrednią konsekwencją pochłaniania fotonów przez elektrony d. Ta absorpcja fotonów powoduje przeskok elektronów d na orbitale s. Zwykle iz pewnością w przypadku srebra przejście 4d ​​→ 5s ma dużą separację energii wymagającą fotonów ultrafioletowych, aby umożliwić przejście. Dlatego fotony o częstotliwościach w paśmie widzialnym mają niewystarczającą energię do pochłonięcia. Przy odbiciu wszystkich widzialnych częstotliwości srebro nie ma własnego koloru: jest odblaskowe, co nazywamy „srebrzystym”.

Teraz relatywistyczna część. Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że elektrony na orbitali s mają znacznie większe prawdopodobieństwo, że znajdą się w sąsiedztwie jądra. Mówiąc klasycznie, bliskość jądra oznacza większe prędkości (por. Prędkość planet wewnętrznych w Układzie Słonecznym z prędkością planet zewnętrznych).

W przypadku złota (o liczbie atomowej 79, a tym samym wysoko naładowanym jądrze) ten klasyczny obraz przekłada się na relatywistyczne prędkości elektronów na s orbitali. W rezultacie relatywistyczny skurcz dotyczy s orbitali złota, co powoduje, że ich poziomy energii przesuwają się bliżej poziomów orbitali d (które są zlokalizowane z dala od jądra i klasycznie mówiąc mają mniejsze prędkości, a zatem mniej wpływają na teorię względności) . Powoduje to przesunięcie absorpcji światła (w przypadku złota głównie z powodu przejścia 5d → 6s) z ultrafioletu w dół do zakresu niebieskiego o niższej częstotliwości. Zatem złoto ma tendencję do pochłaniania światła niebieskiego, podczas gdy odbija resztę widma widzialnego. To powoduje żółtawy odcień, który nazywamy „złotym”.

enter image description here

Odbicie jako funkcja długości fali. Światło fioletowo-niebieskie odpowiada 400-500 nm, czerwony koniec widma widzialnego około 700 nm.

Patrz: kolor złota, relatywistyczna chemia kwantowa.

Dzięki za jasne wyjaśnienie. Czy to oznacza, że ​​kolor miedzi nie ma związku z kolorem złota, mimo że jest to ta sama kolumna układu okresowego?
@babou - rzeczywiście kolor miedzi można rozumieć nierelatywistycznie. Najwyraźniej w miedzi wypełniony 3d jest mniej ekranowany przez podpowłoki s i p. http://www.desy.de/user/projects/Physics/Relativity/SR/gold_color.html
Dwa pytania: 1 - Czy „efekty relatywistyczne” oznaczają uwzględnienie interakcji Spin-Orbita? 2-Nie mam pojęcia co do roli kraty. Czy krata odgrywa tu rolę?
Czytałem gdzieś, że kolor złota jest jednym z potwierdzeń równania Diraca - teraz nie mogę znaleźć odniesienia, ale z pewnością wydaje się być zgodne z twoją odpowiedzią.
Miedź i złoto są żółtawe, ponieważ przejścia w paśmie D pochłaniają niebieski.Dlatego kolor jest taki, jaki jest.Pasma d są tam, gdzie są z powodu efektów relatywistycznych.To, czy argument jest przechodni, czy nie… „złoto i miedź są zabarwione z powodu efektów relatywistycznych”… (wiem, że tego nie powiedziałeś, ale poczekaj chwilę) jest semantyką i dyskusyjną.Na przykład można by również powiedzieć, że kolor jest tym, czym jest, ponieważ stała Plancka ma swoją szczególną wartość.Więc chociaż * bardzo doceniam * twoją poprawną odpowiedź, moim zdaniem najlepszą odpowiedzią jest „z powodu przejść w paśmie d”
Jak w grę wchodzi teoria względności, skoro elektrony w rzeczywistości nie poruszają się klasycznie?
@Johannes - Dlaczego więc niob jest niebieski, gdy się utlenia?Czy jest to spowodowane związkami tlenu, czy też jest to nieodłączna funkcja orbit elektronów w metalu?
@Johannes: jeśli „wszystkie widzialne częstotliwości odbijają się” w przypadku srebra, dlaczego więc nie jest ono białe?
W grę wchodzą efekty relatywistyczne ze względu na zasadę nieoznaczoności Heisenberga, a nie dlatego, że na orbitach s elektrony poruszają się po prostu szybko, jak planety klasyczne.Na poziomie energii s elektrony mają większe prawdopodobieństwo, że znajdą się bliżej jądra, więc są ograniczone do mniejszej przestrzeni, dzięki czemu możemy określić ich położenie z większą precyzją, dzięki czemu ich pęd będzie bardziej niepewny, będą miały więcejenergia kinetyczna.
Podałem link do Twojej odpowiedzi [tutaj] (https://space.stackexchange.com/a/32989/12102). Zapraszam do komentowania lub dodawania dodatkowej odpowiedzi, dzięki!
#2
+24
Stefan Bischof
2013-07-27 01:41:35 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Elektrony D w metalach umożliwiają przejścia optyczne w reżimie widzialnym. Światło widzialne może być absorbowane przez pierwiastki posiadające niezwiązane elektrony walencyjne w powłoce d. Więc

Chemia: optyczne przejście d-> s $ ^ 2 $

  • Żelazo [Ar] 3d $ ^ 6 $ 4s $ ^ 2 $
  • Tin [Kr] 4d $ ^ {10} $ 5s $ ^ 2 $ 5p (full d shell)
  • Aluminium [Ne] 3s $ ^ 2 $ 3p $ ^ 1 $ (to szczególny przypadek: brak elektronów walencyjnych, ale współczynnik odbicia aluminium. Nie mam innego wyjaśnienia niż obliczenia równań Fresnela. Jednak nie mogę pojąć przyczyny za to rozróżnienie.)
  • Prowadzenie [Xe] 4f $ ^ {14} $ 5d $ ^ {10} $ 6s $ ^ 2 $ 6p $ ^ 2 $ (pełna d-łuska)
  • Cynk [Ar] 3d $ ^ {10} $ 4s $ ^ 2 $ (pełna powłoka d)
  • Tungsten [Xe] 4f $ ^ {14} $ 5d $ ^ 4 $ 6s $ ^ 2 $
  • Nikiel [Ar] 4s $ ^ 2 $ 3d $ ^ 8 $ lub 4s $ ^ 2 $ 3d $ ^ 9 $
  • Miedź [Ar] 3 $ d ^ {10 } $ 4 $ \ mathbf {s ^ 1} $ (jeden si pełny d shell)
  • Gold [Xe] 4f $ ^ {14} $ 5d $ ^ {10} $ 6 $ \ mathbf { s ^ 1} $ (jedna si pełna d powłoka)

Błyszczące metale, z wyjątkiem aluminium, mają d elektronów. Pojedynczy elektron s i pełna powłoka d wskazują na ważne przejście orbitalne d do s $ ^ 2 $ w widmie widzialnym. Pełna skorupa jest preferowana energetycznie. Wydaje się, że nie ma innego wytłumaczenia dla kolorowego wyglądu złota i miedzi poza charakterystyczną konfiguracją elektronów - przynajmniej chemia nie daje odpowiedzi.

metal reflectance

Fizyka: zmiana znaku $ \ epsilon (\ lambda) $ blisko niebieskiego

Jeśli zaabsorbowane światło zostanie ponownie wyemitowane (w rzeczywistości odbite) dla całego widma widzialnego metal wydaje się błyszczący jak lustro. W rzeczywistości nasze lustra łazienkowe są wykonane z aluminiowego szkła powlekanego od spodu.

Tutaj fizyka musi wyjaśniać więcej niż tylko „czy istnieje elektron walencyjny”. Drugi, bardziej fizyczny powód nie opisuje jego pochodzenia: współczynnik odbicia, z równań Fresnela przy użyciu $$ n = \ sqrt {\ epsilon_r \ cdot \ mu_r} \ qquad \ text {with} \ qquad \ epsilon_r = 1- \ frac {n_e e ^ 2} {\ epsilon_0m \ omega ^ 2} \ qquad \ text {ze zmianą znaku w} \ qquad \ omega = \ omega_p $$

z model gazu swobodnych elektronów dla elektronów (i gęstości elektronów $ n_e $) jest wysoki w całym widzialnym widmie tych metali. Ta zmiana znaku przy $ \ omega = \ omega_p $, częstotliwość plazmy jest przyczyną zmiany $ \ epsilon_r $, a zatem zmiany współczynnika załamania światła $ n $, ze względu na równania Fresnela, zmieniający się współczynnik odbicia. Jeśli ta zmiana zachodzi w widmie widzialnym, wówczas pojawiają się kolorowe odbicia, takie jak złoto. Zachodzi niebieska absorpcja złota, ponieważ dla tego ciężkiego pierwiastka należy wziąć pod uwagę szczególną teorię względności. Zobacz najlepszą odpowiedź. Miedź i złoto nie mają wysokiego współczynnika odbicia dla koloru niebieskiego ($ \ około 475 \, $ nm).

„Wydaje się, że nie ma wytłumaczenia dla kolorowego wyglądu złota i miedzi” - w rzeczywistości istnieje (zobacz moją odpowiedź).
@StefanBischof, w twoim zdaniu * "Drugi, bardziej fizyczny powód 'nie' opisuje jego pochodzenia: ..." * Parafrazując, myślę, że powiedziałeś, że te równania i model "nie" opisują pochodzenie metalicznego odbicia.Czy mógłbyś rozwinąć / wyjaśnić swój punkt widzenia?Dzięki.
@ThomasLeeAbshierND Równania Fresnela są oparte na $ \ epsilon (\ lambda) $ i $ \ mu $.Są praktyczne przy projektowaniu optyki.Fizyczny powód ukryty jest m.in.szczególna teoria względności i model Drude.
@StefanBischof, Rozumiem.Podsumowując: Podstawowa fizyka powodująca efekt zależnego od częstotliwości odbijania światła przez złoto i miedź nie jest jawnie / wyraźnie uwzględniona w równaniach Fresnela (które są używane w projektowaniu wysokiego poziomu / inżynierii praktycznej).Jeśli chcemy zrozumieć mechanizm leżący u podstaw tych efektów, musimy pójść głębiej i wyprowadzić $ \ epsilon (\ lambda) $ i $ \ mu $ z jeszcze bardziej podstawowej teorii, a mianowicie modelu Drude i SR.A w szczególności obliczenie częstotliwości plazmy, powyżej której światło przechodzi od odbicia do pochłonięcia.Czy to miałeś na myśli?
AiligituujCMT Tak.
#3
+10
JIm Dearden
2013-07-26 23:09:20 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zaczerpnięte z http://www.webexhibits.org/causesofcolor/9.html

„Kolor metali można wyjaśnić za pomocą teorii pasmowej, która zakłada, że ​​nakładanie się poziomy energii tworzą pasma.

W substancjach metalicznych puste pasma przewodnictwa mogą pokrywać się z pasmami walencyjnymi zawierającymi elektrony. Elektrony poszczególnych atomów są w stanie przejść do stanu wyższego poziomu z niewielką lub żadną dodatkową energią . O zewnętrznych elektronach mówi się, że są „wolne” i gotowe do ruchu w obecności pola elektrycznego.

Najwyższy poziom energii zajmowany przez elektrony nazywa się energią Fermiego, poziomem Fermiego lub powierzchnią Fermiego. .

Powyżej poziomu Fermiego poziomy energii są puste (puste w zera absolutnego) i mogą przyjmować wzbudzone elektrony. Powierzchnia metalu może absorbować wszystkie długości fal padającego światła, a wzbudzone elektrony przeskakują do wyższego niezajęty poziom energii. Elektrony te mogą równie łatwo spaść do pierwotnego poziomu energii (po krótkim czasie) i emitować foton światła o tej samej fali ength.

Zatem większość padającego światła jest natychmiast ponownie emitowana na powierzchnię, tworząc metaliczny połysk, który widzimy w złocie, srebrze, miedzi i innych metalach. Dlatego większość metali jest biała lub srebrna, a gładka powierzchnia będzie silnie odbijać światło, ponieważ nie pozwala na głęboką penetrację światła.

Jeśli skuteczność pochłaniania i reemisji jest w przybliżeniu równe przy wszystkich energiach optycznych, wtedy wszystkie różne kolory w białym świetle będą równie dobrze odbijane. Prowadzi to do srebrnego koloru polerowanych żelaznych i srebrnych powierzchni.

W przypadku większości metali pojedynczy ciągły pas rozciąga się od energii walencyjnej do energii „swobodnej”. Dostępne elektrony wypełniają strukturę pasmową do poziomu powierzchni Fermiego.

Jeśli sprawność spada wraz ze wzrostem energii, jak ma to miejsce w przypadku złota i miedzi, zmniejszony współczynnik odbicia na niebieskim końcu widmo daje żółte i czerwonawe kolory.

Srebro, złoto i miedź mają podobne konfiguracje elektronów, ale postrzegamy je jako dość odmienne kolory .

Złoto spełnia wszystkie wymagania dla intensywnej absorpcji światła o energii 2,3 eV (od pasma 3d do poziomu powyżej poziomu Fermiego). Kolor, który widzimy, jest żółty, ponieważ odpowiednie długości fal są ponownie emitowane.

Miedź ma silną absorpcję przy nieco niższej energii, przy czym kolor pomarańczowy jest najsilniej absorbowany i ponownie emitowany.

Srebro . Pik absorpcji znajduje się w obszarze ultrafioletu, przy około 4 eV. W rezultacie srebro zachowuje wysoki współczynnik odbicia równomiernie w całym zakresie widzialnym i postrzegamy je jako czystą biel. Niższe energie odpowiadające całemu widzialnemu spektrum kolorów są jednakowo pochłaniane i ponownie emitowane, dzięki czemu srebro jest dobrym wyborem do powierzchni lustrzanych.

Ta absorpcja i reemisja nie sumują się dla wypolerowanych powierzchni, które działają jak lustra. Kąt lub reemisja nie byłaby funkcją kąta padania, więc chwilowa absorpcja i reemisja nie są tym, co dzieje się w lustrze.
@Olin: Od około tygodnia myślę o twoim stwierdzeniu na temat tego, jak reemisja nie jest zależna od kąta. Ma to sens, ale staram się fizycznie zrozumieć, dlaczego tak jest. Czy możesz to rozwinąć?
@OlinLathrop odbicie jest powodowane przez morze płynnych elektronów, które są definiującymi kryteriami metalu.Światło próbuje przejść przez ten ujemnie naładowany gaz, a pole E działa na elektrony, aby je anulować i wywołać nową falę idącą w drugą stronę.Kąt odbicia nie działa prawidłowo z pojedynczymi fotonami (zamiast tego zależy od * fazy *).Zobacz małą książkę Feynmana na temat QED.
#4
+8
MartinG
2014-09-25 21:56:38 UTC
view on stackexchange narkive permalink

To pytanie ma inny interesujący aspekt, który ma więcej wspólnego z neuronauką niż fizyką: dlaczego postrzegamy metale o neutralnym kolorze (takim jak srebro) jako szare, nawet dlaczego są błyszczące, a zatem po prostu odzwierciedlają kolory otoczenia ?

Jedna z odpowiedzi jest taka, że ​​takie metale zawsze mają pewną szorstkość i dlatego rozpraszają światło z różnych kątów, a te promienie mają zwykle zakres długości fal. Mieszanie tych długości fal ma tendencję do desaturacji postrzeganego koloru i przesuwa go w kierunku neutralnego tonu. Jednak niektóre proste eksperymenty sugerują, że jest w tym coś więcej. Nawet jeśli powierzchnia odbija jeden dominujący kolor, nasze postrzeganie koloru powierzchni jest szare.

Przyczyna tego jest związana ze sposobem, w jaki mózg przetwarza informacje o kolorze. Stałość kolorów zapewnia, że ​​nasza percepcja dostosowuje się do odchyleń kolorów w warunkach oświetlenia otoczenia: mamy tendencję do postrzegania barwy wewnętrznej obiektu, a nie koloru odbitego od niego światła. Pozorna szarość metalicznych powierzchni (zarówno błyszczących, jak i matowych) wydaje się być interesującym wariantem tego zjawiska.

Nieznacznie odnoszą się do: [Dlaczego pełny / garbaty księżyc wysoko na niebie nigdy nie wydaje się pomarańczowy?Nie powinno?] (Https://space.stackexchange.com/q/21589/12102)
#5
+5
alifornia
2013-09-06 08:27:55 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zacznijmy od tego, co zasadniczo oznacza „to jest X w kolorze”:

enter image description here

Zauważyłeś, że srebro nie jest tutaj jednym z kolorów. Jednak srebro jest DUŻO podobne do bieli, jak zobaczymy za chwilę.

Jest jeszcze jeden czynnik zwany odbiciem lustrzanym i rozproszonym.

enter image description here

Biel odbija wszystkie długości fal w sposób rozproszony (odbijane promienie przechodzą w każdą stronę). Srebro (np. Lustro) odbija lustrzanie wszystkie długości fal (odbite promienie ładnie się odbijają).

Metale niekoniecznie zawsze wyglądają jak lustra - często są bardziej wybrzuszone, więc ich odbicie jest trochę rozproszone, a nie całkowicie zwierciadlane.

W każdym razie „srebrny kolor” oznacza „odbija wszystkie długości fal w lustrzany sposób (mniej więcej)”.

Dlaczego te metale odbijać najbardziej widoczne światło? Ponieważ mają dużo wolnych elektronów (tak się składa, że ​​są dobrymi przewodnikami). Kiedy światło (promieniowanie elektromagnetyczne) uderza w powierzchnię metalu, jest absorbowane przez elektrony krążące wokół atomów metalu i ponownie emitowane, gdy elektrony wracają do bardziej stabilnej konfiguracji. Rozmiar przerwy pasma określa, które częstotliwości są absorbowane i emitowane.

Barwny metal, taki jak złoto, ma większość tych właściwości, ale pochłania tylko niewielką część promieniowania w obszarze zielono-niebiesko-fioletowym. Więc cokolwiek odbija, usuwa trochę zielono-niebieskiego światła, a wynik wygląda (przez odjęcie) żółtawo-czerwony.

Metal taki jak ołów również ma większość tych właściwości, ale pochłania trochę więcej całe widmo, więc wygląda na szare.

PS Tej odpowiedzi udziela „Ian Pollock, Sci / Phil dilettante” na quora.com.

Ta odpowiedź wyjaśnia refleksję. Jednak nie ma dowodów, jakie zjawisko fizyczne powoduje kolor. -1
Jeśli ta odpowiedź pochodzi od kogoś innego, powinieneś oznaczyć ją jako [wiki społeczności] (http://physics.stackexchange.com/help/privileges/community-wiki).
#6
+3
Michael Luciuk
2013-07-27 01:01:49 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Metaliczna struktura pasmowa umożliwia pochłanianie i reemisję światła, tak jak to przedstawiono na tej stronie.

Metale są kolorowe, ponieważ absorpcja i reemisja światła zależą od długości fali. Złoto i miedź odznaczają się niskim współczynnikiem odbicia przy krótkich falach, a odbijany jest preferencyjnie kolor żółty i czerwony. Srebro ma dobry współczynnik odbicia, który nie zmienia się wraz z długością fali i dlatego wydaje się bardzo zbliżony do bieli.

Zakładam, że OP prosi o wyjaśnienie na poziomie atomowym, dlaczego współczynniki odbicia zachowują się w ten sposób, a nie o ogólne wyjaśnienie koloru.
W przyszłości prosimy o umieszczanie cytowanego materiału w cudzysłowie. (Stefan Bischof zrobił to w edycji, która czeka na zatwierdzenie).
Zrobi. Mój błąd.


To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...