标题: zt为什么大多数金属都是银色,金子偏偏就是金色?
可见光



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发表于 2017-8-3 09:25  资料  个人空间  个人文库  短消息  加为好友 
zt为什么大多数金属都是银色,金子偏偏就是金色?

从小就知道“黄灿灿的金子”,可你有没有想过为什么大多数金属都是银色,金子偏偏就是金色?这个问题可远比一般人想象得博大精深多了。

首先,所谓金色就是黄色带有强烈的反光,即所谓“金属光泽”——与表面平滑带来的光泽不同,金属只要没有研成极细的粉末,即便表面粗糙也能熠熠生辉,这是它们独特的材料属性,与它们良好的导电性关系密切。

我们在中学时代就知道,金属容易失去最外层的电子,在金属晶体内部形成一个自由电子的汪洋大海,这给金属带来了良好的导电性,同时,这些自由电子也形成了一个等离子体,可以与电磁波相互作用。

光是电磁波,当它撞上金属的表面,就会在电子汪洋中掀起涟漪,消耗很多能量;光又是粒子,不能合并或拆分,物质必须一个一个地吸收它们——出于这些量子力学机制,只有那些能量非常高的光才能被金属吸收,可见光能量太低,全被反射掉了,这让金属焕发出极强的白色光泽,或者说“银色”。

但黄金的原子序数颇高,这使得它们不但受这些量子机制的约束,还显著地体现出了相对论效应——我们用相对论量子化学研究它。

简单地说,原子周围束缚着很多电子,它们按照能量高低分层排布,最外层的电子决定了原子的大部分物理化学性质。

而金原子有六层电子,最内层的那个电子有极高的能量,可以理解为以 65%的光速飞驰,狭义相对论带来的质量效应不可忽略,这个电子因此变得沉重,轨道半径缩小,使得最外层电子的轨道也跟着缩小,因此变得格外稳定,稳定的外层电子给金带来了相当稳定的化学性质。在自然界中,它几乎是唯一一种总以单质形态出现,不需要冶炼就能获得的金属元素,这让它所有古老文明中都占据了极重要的位置。

不仅如此,更小的轨道半径使得金原子的外层电子更加容易跃迁,体现在宏观上,就是可以吸收能量更低的光子——比如可见光中的蓝紫光。由于颜色的互补原理,它们就展现出了鲜艳的橙黄色。

但事情并没有就此结束,我们既然知道了金色的来源,就有机会改变它们的颜色:金子研磨成粉通常还是金色,可以用作昂贵的颜料甚至化妆品。

但如果我们采用一些特殊的手段,制备出纳米尺度的超细金粉,就会发现它们在水中形成了深浅不同的红色胶体,如果进一步控制颗粒的形状,就能让它们变出赤橙黄绿青蓝紫,各种颜色。

这是因为纳米级的金颗粒尺寸太小,其中的自由电子不足已形成汪洋,只能形成水洼,可见光在其表面掀起的电磁波涟漪会强烈地共振,影响可见光的吸收频率,就如同松紧不同的琴弦能奏出丰富的乐音,形状不同的金颗粒也发出了绚丽的色彩。

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