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”.

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.

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.

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).

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.

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.

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

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.

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.

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.