Почему большинство металлов серые/серебристые?

Почему большинство металлов имеют серебристый цвет, за исключением золота?

Неудивительно, что ответ на этот вопрос в значительной степени зависит от квантовой теории, но большинство людей будут удивлены, узнав, что полный ответ привносит в картину релятивистские соображения. Итак, мы говорим о квантовых релятивистских эффектах.

Квантовая часть истории говорит нам, что цвет металлов, таких как серебро и золото, является прямым следствием поглощения фотонов d-электронами. Это поглощение фотонов приводит к тому, что d-электроны перескакивают на s-орбитали. Как правило, и определенно для серебра, переход 4d → 5s имеет большое энергетическое разделение, требующее ультрафиолетовых фотонов для обеспечения перехода. Следовательно, фотоны с частотами в видимом диапазоне имеют недостаточную энергию для поглощения. При отражении всех видимых частот серебро не имеет собственного цвета: оно отражающее, внешний вид, который мы называем «серебристым».

Теперь релятивистский бит. Важно понимать, что электроны на s-орбиталях имеют гораздо более высокую вероятность оказаться по соседству с ядром. Классически говоря, близость к ядру означает более высокие скорости (сравните скорость внутренних планет в Солнечной системе со скоростью внешних планет).

Для золота (с атомным номером 79 и, следовательно, сильно заряженным ядром) эта классическая картина выражается в релятивистских скоростях электронов на s-орбиталях. В результате к s-орбиталям золота применяется релятивистское сжатие, из-за чего их энергетические уровни смещаются ближе к уровням d-орбиталей (которые локализованы вдали от ядра и, говоря классическим языком, имеют более низкие скорости и, следовательно, меньше подвержены влиянию теории относительности). . Это смещает поглощение света (для золота в первую очередь за счет перехода 5d→6s) из ультрафиолетового диапазона вниз в низкочастотный синий диапазон. Таким образом, золото имеет тенденцию поглощать синий свет и отражать остальную часть видимого спектра. Это вызывает желтоватый оттенок, который мы называем «золотым».

Отражательная способность как функция длины волны. Фиолетовый/синий свет соответствует длине волны 400–500 нм, красный конец видимого спектра — около 700 нм.

См.: цвет золота , релятивистская квантовая химия .

D-электроны в металлах допускают оптические переходы в видимом диапазоне. Видимый свет может поглощаться элементами, имеющими несвязанные валентные электроны в d-оболочке. Так

Химия: оптическая d->s$^2$переход

• Железо [Ар] 3d$^6$4 с$^2$
• Олово [Kr] 4d$^{10}$5 с$^2$5р$^2$(полная оболочка d)
• Алюминий [Ne] 3s$^2$3р$^1$(это особый случай: нет валентных электронов d, но есть отражательная способность алюминия . У меня нет другого объяснения, кроме расчета уравнений Френеля. Однако я не могу понять причину этого различия.)
• Ведущий [Xe] 4f$^{14}$5д$^{10}$6 с$^2$6р$^2$(полная оболочка d)
• Цинк [Ar] 3d$^{10}$4 с$^2$(полная оболочка d)
• Вольфрам [Xe] 4f$^{14}$5д$^4$6 с$^2$
• Никель [Ar] 4s$^2$3д$^8$или 4с$^2$3д$^9$
• Медь [Ar] 3$d^{10}$4 с$^1$(одна оболочка s и полная оболочка d)
• Золото [Xe] 4f$^{14}$5д$^{10}$6 с$^1$(одна оболочка s и полная оболочка d)

Блестящие металлы, кроме алюминия, имеют d-электроны. Единственный s-электрон и полная d-оболочка намекают на важную связь между d и s.$^2$орбитальный переход в видимом спектре. Полная оболочка энергетически предпочтительнее. По-видимому, нет другого объяснения окрашенному внешнему виду золота и меди, кроме отличительной электронной конфигурации — по крайней мере, химия не дает ответа.

Физика: смена знака$\epsilon(\lambda)$почти синий

Если поглощенный свет переизлучается (фактически отражается) для всего видимого спектра , металл кажется блестящим, как зеркало. На самом деле, наши зеркала для ванных комнат изготовлены из стекла с алюминиевым покрытием с тыльной стороны.

Здесь физика должна объяснить больше, чем просто «существует ли авалентный электрон». Вторая, более физическая причина, не описывает ее происхождение: отражательная способность из уравнений Френеля с использованием

из модели свободного электронного газа Друде для электронов (и плотности электронов$n_e$), является высоким во всем видимом спектре для этих металлов. Это изменение знака в$\omega=\omega_p$, плазменная частота является причиной изменения$\epsilon_r$, поэтому изменяющийся показатель преломления$n$, из-за уравнений Френеля, изменяющейся отражательной способности. Если это изменение происходит в видимом спектре, то появляются цветные отражения, подобные золоту.

Происходит синее поглощение золота, потому что для этого тяжелого элемента необходимо учитывать специальную теорию относительности. Смотрите верхний ответ. Медь и золото не обладают высокой отражательной способностью для синего ($\approx 475\,$нм).

Взято с http://www.webexhibits.org/causesofcolor/9.html

«Цвет металлов можно объяснить зонной теорией, которая предполагает, что перекрывающиеся энергетические уровни образуют полосы.

В металлических веществах пустые зоны проводимости могут перекрываться с валентными зонами, содержащими электроны. Электроны определенных атомов способны переходить в состояние более высокого уровня практически без дополнительной энергии. О внешних электронах говорят, что они «свободны» и готовы двигаться в присутствии электрического поля.

Высший энергетический уровень, занимаемый электронами, называется энергией Ферми, уровнем Ферми или поверхностью Ферми.

Выше уровня Ферми энергетические уровни пусты (пусты при абсолютном нуле) и могут принимать возбужденные электроны. Поверхность металла может поглощать все длины волн падающего света, и возбужденные электроны переходят на более высокий незанятый энергетический уровень. Эти электроны могут так же легко упасть на исходный энергетический уровень (через короткое время) и испустить фотон света той же длины волны.

Таким образом, большая часть падающего света немедленно переизлучается на поверхность, создавая металлический блеск, который мы видим в золоте, серебре, меди и других металлах. Вот почему большинство металлов белые или серебристые, а гладкая поверхность будет хорошо отражать свет, поскольку она не позволяет свету проникать глубоко.

Если эффективность поглощения и переизлучения примерно одинакова при всех оптических энергиях, то все разные цвета белого света будут отражаться одинаково хорошо. Это приводит к серебристому цвету полированного железа и серебряных поверхностей.

Для большинства металлов единственная непрерывная полоса простирается от валентных энергий до «свободных» энергий. Имеющиеся электроны заполняют зонную структуру до уровня поверхности Ферми.

Если эффективность уменьшается с увеличением энергии, как в случае с золотом и медью, уменьшенная отражательная способность на синем конце спектра дает желтый и красноватый цвета.

Серебро, золото и медь имеют сходные электронные конфигурации, но мы воспринимаем их как имеющие совершенно разные цвета .

Золото удовлетворяет всем требованиям по интенсивному поглощению света с энергией 2,3 эВ (от 3d-полосы до уровня выше уровня Ферми). Цвет, который мы видим, желтый, поскольку соответствующие длины волн переизлучаются.

Медь имеет сильное поглощение при немного более низкой энергии, при этом оранжевый цвет наиболее сильно поглощается и переизлучается.

Серебро . Пик поглощения лежит в ультрафиолетовой области, около 4 эВ. В результате серебро сохраняет высокую отражательную способность равномерно по всему видимому спектру, и мы видим его чисто белым. Низкие энергии, соответствующие всему видимому спектру цветов, одинаково поглощаются и переизлучаются, что делает серебро хорошим выбором для зеркальных поверхностей.

У этого вопроса есть еще один интересный аспект, относящийся больше к нейронауке, чем к физике: почему мы воспринимаем металлы нейтрального цвета (например, серебро) как серые, даже почему они блестящие и поэтому просто отражают цвета своего окружения?

Один из ответов заключается в том, что такие металлы всегда имеют некоторую шероховатость и, следовательно, рассеивают свет под разными углами, и эти лучи обычно имеют диапазон длин волн. Смешение этих длин волн имеет тенденцию обесцвечивать воспринимаемый цвет и приближать его к нейтральному тону. Однако некоторые простые эксперименты показывают, что дело не только в этом. Даже когда поверхность отражает один доминирующий цвет, наше восприятие цвета поверхности — серый.

Причина этого связана с тем, как мозг обрабатывает цветовую информацию. Постоянство цвета гарантирует, что наше восприятие приспосабливается к смещению цвета в условиях окружающего освещения: мы склонны воспринимать собственный цвет объекта, а не цвет отраженного от него света. Кажущаяся серость металлических поверхностей (как блестящих, так и матовых) представляется интересным вариантом этого явления.

Давайте начнем с того, что в основном означает фраза «эта штуковина цвета Х»:

Вы замечаете, что серебро не является одним из цветов здесь. Тем не менее, серебро ОЧЕНЬ похоже на белое, как мы увидим через секунду.

Существует еще один фактор, называемый зеркальным и диффузным отражением.

Белый диффузно отражает все длины волн (отраженные лучи идут в разные стороны). Серебро (например, зеркало) зеркально отражает все длины волн (отраженные лучи хорошо отражаются).

Теперь металлы не обязательно всегда выглядят как зеркала — они часто более неровные, поэтому их отражение немного диффузное, а не полностью зеркальное.

В любом случае, дело в том, что «серебристый цвет» означает «отражает все длины волн зеркально (более или менее)».

Почему эти металлы отражают большую часть видимого света? Потому что у них много свободных электронов (именно поэтому они хорошие проводники). Когда свет (электромагнитное излучение) попадает на поверхность металла, он поглощается электронами, вращающимися вокруг атомов металла, и переизлучается, когда электроны возвращаются к более стабильной конфигурации. Размер запрещенной зоны определяет, какие частоты поглощаются и излучаются.

Цветной металл, такой как золото, обладает большинством из этих свойств, но он поглощает лишь небольшое количество излучения в зелено-сине-фиолетовой области. Таким образом, все, что он отражает, имеет немного удаленного зелено-голубого света, и результат выглядит (путем вычитания) желтовато-красным.

Такой металл, как свинец, также обладает большинством этих свойств, но он поглощает чуть больше всего спектра, поэтому выглядит серым.

PS Этот ответ предоставлен «Яном Поллоком, научным и философским дилетантом» на quora.com .

Металлическая ленточная структура позволяет поглощать и переизлучать свет, как показано на этом сайте.

Металлы окрашены, потому что поглощение и переизлучение света зависят от длины волны. Золото и медь имеют низкую отражательную способность на коротких волнах, а желтый и красный цвета преимущественно отражаются. Серебро имеет хорошую отражательную способность, которая не зависит от длины волны, и поэтому кажется очень близкой к белому.

Электрон может возбудиться на более высокий энергетический уровень либо за счет поглощения фотона, либо за счет колебательной кинетической энергии самого атома, либо за счет резонансной передачи энергии от соседнего возбужденного атома. Электрон в возбужденном состоянии может вернуться в свое основное состояние путем обратного любого из вышеперечисленных процессов.

В металлах фотоны могут рассеиваться после столкновения с электронами или поглощаться ими, переводя их на более высокие энергетические уровни. В металлах с белым металлическим блеском фотоны в видимом спектре поглощаются электронами в зоне проводимости и немедленно излучаются. Однако в таких металлах, как золото, синие фотоны (это плохой способ обозначить фотоны, но потерпите меня здесь) обладают достаточной энергией, чтобы обеспечить переход электронов из d-зоны в зону проводимости. И некоторые из этих электронов возвращаются в свое основное состояние, не испуская обратно синие фотоны. Таким образом, отраженный свет пропускает часть падающих синих фотонов, что приводит к желтоватому оттенку золота. В таких металлах, как серебро, ds-переход не может быть вызван ни одним из видимых фотонов, а только ультрафиолетовыми фотонами, отсутствие которых может