Недавно я узнал, что золото приобретает желтый цвет, потому что электроны на 5d-орбитали поглощают «синие» фотоны и переходят на 6s-орбиталь. Падение синего конца визуального спектра делает отраженный свет желтым.
Это хорошо, но вызывает ряд вопросов, на которые я не смог найти ответы. Я продолжу использовать золото в качестве рабочего примера, но полагаю, что есть более общие последствия:
Орбиталь 6s может удерживать 2 электрона, но одно место уже занято в основном состоянии для золота. Значит, каждый атом золота может эффективно поглотить один «синий» фотон, да? Так что же происходит, когда появляется следующий «синий» фотон?
Когда электрон в 6s переходит в свое основное состояние в 5d, он должен излучать фотон. Какая длина волны у этого фотона? Разве он не должен быть довольно близок к «голубому» фотону, который его возбудил? Разве это не должно свести на нет эффект на общий цвет золота?
Какая связь между (1) и (2) выше? Как быстро электрон возвращается в основное состояние и сколько «голубых» фотонов может поглотить атом золота в секунду?
6S-орбиталь внешней оболочки значительно больше, чем другие, и внешние орбитали соседних атомов гибридизуются, образуя полосу с непрерывным распределением энергий, сосредоточенную вокруг энергии 6S-орбитали изолированного атома Au. Эта наполовину заполненная зона (наполовину заполненная, потому что в основном состоянии изолированного атома есть один 6S-электрон) делает золото проводником. Зона проводимости описывает проводящее море электронов, которые рассредоточены между ядрами атомов Au и которые, как правило, не связаны прочно с каким-либо одним ядром Au.
Это означает, что в образце золота макроскопического размера существует континуум доступных состояний, в которые могут быть возбуждены 5D-электроны, и поэтому существует диапазон синего света, который может быть поглощен, а не только одна изолированная длина волны. Не весь синий свет, падающий на кусок золота, поглощается, но поглощается достаточное его количество, чтобы истощить эту часть спектра, оставляя после себя золотой цвет отраженного света.
В этом процессе данный фотон не должен взаимодействовать ни с одним атомом, на который он направлен. Длина волны света намного больше межатомного расстояния, поэтому даже очень узкий импульс синего света все равно попадет на область, содержащую много атомов. Если бы 5D-электрон от каждого отдельного приповерхностного атома был переведен в зону проводимости 6S, то поглощение действительно прекратилось бы, но если вы не подвергаете Au чрезвычайно интенсивному свету, этого, по существу, никогда не происходит, потому что электроны в полосе 6S падают. быстро вернуться на 5D-орбитали.
Иногда этот переход обратно в состояние 5D сопровождается испусканием синего фотона, который существенно компенсирует предшествующее поглощение. Если бы каждый переход обратно в состояние 5D излучался таким образом, то вы не получили бы чистого золотого цвета, поскольку поглощенные и переизлученные фотоны быстро уравновесились бы. Однако электроны 6S-диапазона также могут быть девозбуждены другими способами. В частности, электроны могут столкнуться с ядром атома и возбудить колебание в ядерной решетке (фонон). (Тот факт, что 6S-орбитали рассредоточены по полосе, на самом деле также помогает облегчить такого рода столкновительное снятие возбуждения.) При таком процессе чистая передача энергии происходит от исходного синего фотона в колебания решетки. , или тепло.