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【第三届原创】颜色产生的机理(起因)

紫外可见分光光度计(UV)

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    因为有关课题工作,与几位同学讨论有色材料测试问题,看了一些资料。在一本美国光学学会几年前再版的经典书《The Science of Color》上看到有关物体颜色产生机理的阐述,内容很多,这里就不具体说了。虽然有些也看不太明白,但是其中颜色产生机理的分类和举例写得不错,应当属于专业性的普及知识。

    很多人都在用分光光度计对各种物质进行定量或定性分析,这种分析的基础之一就是物体在一定条件下会呈现“颜色”(紫外区的我们人类的肉眼还不能直接观察到)。其中有些颜色产生的原因也许大家都已知道,但国内可能还没有系统地整理综合过。这儿编译整理了一些老外写的分类,通过这些分类也可以看看我们使用的分光光度法测试占据的领域有哪几种,再考虑分光这个经典技术还能向什么方向发展,也许这样的综合分类能帮助我们拓展思路,扩大想象空间。以下颜色产生的物理和化学机理都是指物质本身的客观因素,并不包括生理和心理因素。

    颜色产生的机理:

    颜色产生的机理可分为5大类(组)、15种,“从根本上说,这些机理都是光与物质中电子相互作用产生颜色的”(这也许是一种广义的观点,原文是这样的:
    In essentially all of these 15 mechanisms it is the interaction of light with the electrons in matter that produces color.)

    第一组、(电子、原子和分子)振动和自然激发/Vibrations and simple excitations

    1. 炽热/Incandescence

    例如:灼热的物体,太阳,火焰,白炽灯,碳弧灯,舞台聚光灯(大概是指碳弧灯中的一种),部分烟火火花。

    2. 气体激发/Gas excitations

    气体放电灯,霓虹灯,电晕放电,北极光,闪电,部分激光(可能指气体激光器)。

    3. 分子的振动和旋转/Vibrations and rotations

    蓝色海水和蓝冰(指冰川吧),碘(蒸汽),溴(水),氯气,蓝色气体火焰。

    Fig.7.9中,试管里紫红色的是碘蒸气

    第二组、配位体效应的(电子)跃迁/Transitions involving ligand field effects

    4. 过渡金属化合物/Transition metal compounds

    例如:绿松石,孔雀石,铬绿,菱锰矿,大青颜料(一种蓝色颜料),铜绿,部分荧光素、磷光物质和激光。

    5. 过渡金属杂质/Transition metal impurities

    红宝石,祖母绿,紫翠玉,黄水晶,赤铁矿,部分绿玉,部分有色玻璃、荧光素、磷光物质。

    下图(Fig.7.10)是铬元素产生的颜色,上排自左起分别为紫翠玉、绿宝石、红宝石,中排为碳酸铬、氯化铬、氧化铬,这6个都是3价铬,属配位体效应产生颜色。下排是重铬酸铵、铬酸钾,它们是6价铬,属下面第7种电荷转移机理产生颜色的。

    第三组、分子轨道跃迁/Transition between molecular orbitals

    6. 有机化合物/Organic compounds

    部分染料、生物着色剂、荧光素、磷光物质和激光。

    下图(Fig.7.20)是四种荧光棒,属分子轨道效应产生颜色


    7. 电荷转移/Charge transfer

    蓝宝石,磁铁矿,天青石,群青,铬酸盐,彩砂,普鲁士蓝
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  • tutm

    第1楼2010/07/16

    第四组、能带跃迁/ Transitions involving energy bands

    8.
    金属

    铜,银,金,铁,青铜,红宝石玻璃(‘ruby’glass

    下面Fig.7.26是一个古代有色刻花玻璃瓶,上面黄色部分用银着色,红色用金着色,显色机理除了能带间隙理论,同时还包含金属胶体颗粒产生的Mie氏散射效应


    9.
    纯半导体材料/Pure semiconductors

    硅,方铅矿,硫化汞(朱砂),镉橙/镉黄,钻石

    10.
    掺杂半导体/Doped semiconductors

    蓝钻石/黄钻石,发光二极管,部分激光器、无机发光材料。

    下图(Fig.7.28)是合成钻石,无色的是不掺杂,黄色掺入载流子杂质氮,蓝色掺入空穴杂质硼,都属于能带跃迁产生颜色



    11.
    色心/Color centers

    紫水晶,烟水晶,部分荧光素、磷光物质和激光。

    (这个名词比较陌生,百度百科上查了:色心是指透明晶体中由点缺陷、点缺陷对或点缺陷群捕获电子或空穴而构成的一种缺陷……。这种材料中的色心可以被用来存储X射线的图像……。http://baike.baidu.com/view/920259.htm?fr=ala0_1


    第五组、几何与物理光学/ Geometrical and physical optics
    (这部分可能大家比较熟悉一些)


    12.
    分散性折射,偏振等/ Dispersive refraction,polarization, etc.

    彩虹,光晕,幻日(sun dogs),光弹应力(photoelastic stress analysis),“火宝石”?(‘fire’ in gemstones),棱镜光谱。

    13.
    散射/Scattering

    蓝天,红色夕阳,蓝月,月长石(大概是种矿物吧),拉曼散射,蓝眼睛,蓝色表皮(大概是指某些水果),蝴蝶,部分鸟的羽毛,部分生物体颜色。

    14.
    非衍射的光干涉/ Interference without diffraction

    水面的油膜,肥皂泡,照相机镜头上的镀膜层,部分生物体颜色(大概象金龟子一类甲虫吧)。


    15.
    衍射/Diffraction

    光轮/光环(Aureole,或glory,不知道与上面的“幻日“有啥区别),衍射光栅光谱,猫眼石,部分液晶生物色。

    ——————————————————————————————————————————

    以上内容涉及很多学科,好像应该这个版面的朋友更相关些,因此发在这儿,涉及具体的原理可能要看相关的专业书才能搞清。以上写的一些专业名词使用可能不一定准确,望各位指正。

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  • xing-xing

    第2楼2010/07/16

    好东西,基础也很深噢

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  • 祥子

    第3楼2010/07/16

    tutm老师的总结可以说是大家了解相关知识的敲山之石吧。

    忽然想起以前说过的,tutm老师是我的引路人了。

    ..........时间是最厉害的武器。

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  • tutm

    第4楼2010/07/16

    岂敢啊,这只是把书里一些可能对大家以后有用的内容理出来,很多词汇和概念我自己也不清楚啊。

    这些分类罗列出来倒是发觉很多平时不注意的现象,竟然还有那么细的理论解释。

    最出乎意料的是钻石的显色机理竟然归类在半导体中,大概它是原子晶体缘故吧。

    祥子(nemoium) 发表:tutm老师的总结可以说是大家了解相关知识的敲山之石吧。

    忽然想起以前说过的,tutm老师是我的引路人了。

    ..........时间是最厉害的武器。

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  • mzjdhejiang

    第7楼2010/07/17

    有机化合物(如染料、颜料)的发色机理没怎么说啊

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  • tutm

    第8楼2010/07/17

    这个最常见了,不会漏了,属于分子轨道跃迁中的,“6. 有机化合物/Organic compounds

    mzjdhejiang(mzjdhejiang) 发表:有机化合物(如染料、颜料)的发色机理没怎么说啊

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  • tutm

    第9楼2010/07/17

    其实学化学的,多少总了解过一些的。

    比如,酸碱指示剂显色原理,络合滴定显色原理等

    这里只不过分了一下类别,其中很多具体内容才是较深的呢

    xing-xing(xingzhenhai) 发表:好东西,基础也很深噢

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  • leelsy

    第10楼2010/07/18

    厉害厉害!很神奇!

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