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      黃澄澄的金色哪里來?

      2018-02-03 20:43:10云清
      科學(xué)之謎 2018年1期
      關(guān)鍵詞:級差金子能級

      云清

      如果問一個人,什么顏色最貴氣?十之八九的人都會說是金色,因為金色是金子的顏色。而金子這種稀有的金屬不僅價格昂貴,還是世界上各國皇族喜愛之物,常常被制作成各種漂亮的象征權(quán)力和地位的飾品。

      的確,在有著眾多成員的金屬家族里,銀白色的鋁、銀、鎂,紅色的銅,黑不拉幾的鐵粉和錳,哪個也比不上金子的顏色那般鮮亮,金子就像掛在天空中的耀眼的太陽。

      那么,為什么金子會呈現(xiàn)出金黃色,而其他金屬比如銀卻呈現(xiàn)出銀白色?

      要了解金子的特殊之處,先要了解金屬顯色的一般原理。

      能級躍遷

      我們知道,金屬原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是這樣的:中間一個帶正電的原子核,核的周圍是大量的、帶負電的電子,它們按照一定規(guī)律分布在核周圍的電子層上。每層電子所具有的能量不同,有高有低,當(dāng)處于低能級的電子吸收了某個波段的光能量,它就會“跑”到具有較高能量的電子層上,這被稱作能級躍遷。一個電子能夠吸收哪個波段的光能量,取決于兩層之間的能級差。只有外界光波能量和能級差相同的時候,電子才能成功從一個低能級躍遷到另一個高能級。換句話說,能級差大,電子會吸收能量較高波段的光線,而能級差小,電子會吸收能量較小波段的光線。而其他光線就都被反射,被眼睛接收。

      因此,金屬反射到人眼里的光決定了我們看到的顏色種類,而電子的能級躍遷,則決定了什么樣的光反射到我們的眼睛里。如果電子吸收的光波恰好在可見光區(qū),那么,金屬將顯出吸收光的互補的顏色,那些沒有被吸收的光會反射到我們的眼睛里。比如,吸收了黃光的物體會呈藍色,而吸收了橙色的光會呈青色。但是,因為并不是所有補色人眼都能看到,我們能看到的僅有可見光那一小段波段而已。所以,如果金屬吸收的入射光的補色不在可見光范圍內(nèi),是一種我們看不到的光,那么,金屬往往呈現(xiàn)白色。

      當(dāng)然,金子呈現(xiàn)金黃色也是電子能級躍遷的結(jié)果,只不過是更獨特一點的能級躍遷。

      相對論性效應(yīng)

      在金屬內(nèi)部,由于相對論效應(yīng),內(nèi)層軌道能量會出現(xiàn)下降的趨勢,這意味著內(nèi)層軌道將更靠近原子核,原子核對內(nèi)層電子軌道的吸引力增加,這稱為相對論性收縮。相對論性收縮又使得核附近的電子云更密地聚集在周圍,屏蔽作用增加,使得核對外層電子的吸引力減弱,導(dǎo)致了外層電子軌道向外擴大的趨勢,這稱為相對論性膨脹。

      與輕重原子相比,重原子的相對論性效應(yīng)更為顯著,這是因為重原子的質(zhì)量較大。也就是說,與銀、鐵等金屬相比,金的相對論性效應(yīng),收縮和膨脹更加顯著。這使得金最外兩層之間的能級差降低,使它選擇吸收波長更長、能量更低的可見光,相當(dāng)于539nm藍紫光,顯示出互補色——鮮艷的紅黃色。而相比金,銀的相對論性效應(yīng)沒那么明顯,所以它的最外兩層之間的能級差較大,這讓銀選擇吸收能量更高的光子,紫外光,從而顯示出銀白色。

      現(xiàn)在,既然知道了金色的來源,那么,我們就有機會來改變它的顏色。比如,可以采取一些特殊的手段,把金子磨成納米尺度的超細金粉,然后再把它們放入水中形成膠狀體,這時,它們會因為吸收光波段的改變而呈現(xiàn)出深淺不一的紅色。而且,如果進一步控制金顆粒的形狀,還能夠讓它們變成各種顏色,紅橙黃綠藍靛紫,任何你喜歡的一款顏色。endprint

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