Почему материалы меняют цвет при длительном воздействии солнца?

Термин «твердые объекты» является довольно расплывчатым определением. Я постараюсь разбить его на категории и постараюсь ответить индивидуально. Но с самого начала я могу сказать, что изменение цвета, наблюдаемое в материалах, в основном является результатом химических изменений, вызванных ультрафиолетовым излучением солнца. Под химическими изменениями я подразумеваю три основных механизма; разрыв химических связей, образование радикалов или свет, являющийся катализатором определенных реакций. Общая область, которая может ответить на все вопросы такого рода, называется фотохимией .

Металлы: один только солнечный свет не может сильно влиять на чистые металлы. Конечно, если металл окрашен (как и большинство металлов, которые мы видим в нашей повседневной жизни), пигменты в краске могут деградировать (изменить свою химическую структуру) под воздействием солнечного света, что может вызвать изменение цвета.

Люди : (при условии, что люди являются «твердыми объектами») Большинство людей меняют цвет на солнце в качестве защитного механизма тела. Ультрафиолетовый свет вреден для кожи (обжигает кожу), поэтому человеческая кожа, подвергающаяся воздействию солнца, вырабатывает пигменты, которые поглощают свет и защищают кожу от ожогов. Произведенные пигменты приводят к изменению цвета.

Пластмассы: Пластмассы являются одним из наиболее сильно подверженных воздействию солнечного света материалов. Они могут не только изменить цвет, но и потерять некоторые другие свойства материалов, например эластичность, из-за разрыва химических связей полимеров под действием УФ-излучения. Воздействие солнечного света на пластик может быть настолько сильным, что даже может вызвать проблемы со здоровьем. На большинстве напитков, хранящихся в пластиковых бутылках, есть наклейка с надписью «избегать попадания прямых солнечных лучей», потому что химические реакции, вызванные ультрафиолетовым светом, могут привести к выделению в жидкость некоторых токсичных компонентов (или продуктов фотохимической реакции).

Бумага : Бумага изготавливается из древесины, которая в основном состоит из целлюлозы. Целлюлоза в принципе бесцветна, но из-за своей непрозрачности выглядит белой. По-видимому, целлюлоза в бумаге может разлагаться в результате различных химических реакций (окисление и взаимодействие с кислотами в бумаге) и изменять цвет. Но также обнаружено, что целлюлоза поглощает УФ-свет и поэтому разлагается. Однако изменение химической структуры целлюлозы является лишь одной из причин изменения цвета бумаги. Разные типы бумаги содержат разные примеси (результат меньших усилий по очистке), одним из наиболее распространенных является лингин, еще один компонент древесины. Лингин придает коричневатый цвет газетной бумаге и более подвержен разложению по сравнению с целлюлозой, поэтому коричневая бумага быстрее меняет цвет по сравнению с белой бумагой.

Примечание о ткани : поскольку целлюлоза также является основным компонентом хлопка, который широко используется в текстильном производстве, можно ожидать, что одежда из хлопка подвергается воздействию солнечного света.

РЕДАКЦИИ: Увидев, что сообщество оценило мой ответ, я решил провести небольшое исследование о причине изменения цвета бумаги и добавил свои выводы к моему ответу.

Я узнал, что есть по крайней мере один ученый, который посвятил значительное количество своего времени изучению изменения цвета бумаги. Вот одна из его основных публикаций.

Также обнаружил, что на подобный вопрос есть ответ в Chemistry Stackexchange.

Концепция фотодеградации , которая в основном представляет собой окисление и гидролиз из-за сочетания света и воздуха. Опять же, «Проданный объект» — это расплывчатое описание, поскольку причиной могут быть также инфракрасные лучи и тепло.

Это связано с фотохимией

Большинство «твердых объектов» содержат некоторые красители или пигменты, которые придают им цвет, или их основные компоненты состоят из веществ, которые окрашиваются. Цветные предметы по определению поглощают свет. Это основная причина ухудшения качества фотографии, которая приводит к изменению цвета при воздействии света.

Причиной цвета является взаимодействие между фотонами солнечного света и электронами в окрашенном соединении. Некоторые электроны живут на молекулярных орбиталях и могут быть переброшены на более высокие энергетические орбитали, если с ними взаимодействует фотон нужной энергии. Это создает цвет, если поглощенная энергия неравномерна по спектру света. Если поглощение сильное во всем видимом спектре, то материал будет серым или черным.

Что важно для деградации фото, так это то, что происходит после поглощения фотонов. Электроны на более высоких энергетических уровнях не останутся там. Они будут распадаться обратно в более низкое энергетическое состояние посредством ряда процессов. Иногда этот распад бывает простым, и электроны возвращаются в исходное основное состояние и больше ни на что в веществе не влияют. Но во многих веществах существуют маловероятные пути рассеивания дополнительной энергии, что приводит к некоторым химическим изменениям в окрашенном веществе. Для большинства красителей и пигментов вероятность таких переходов очень мала, иначе они были бы фотохимическими веществами, а не красителями или пигментами. Но вероятность путей, вызывающих химические изменения, редко равна нулю.Это основная причина ухудшения качества фотографий и изменения цвета при воздействии солнечных лучей. Когда происходит химическое изменение, новое химическое вещество редко будет того же цвета, что и исходное химическое вещество, а длительное воздействие солнечного света создает множество возможностей для возникновения путей даже с низкой вероятностью.

Усугубляющий фактор связан с солнечным светом, потому что солнечный свет содержит много ультрафиолетового света (где фотоны имеют больше энергии, чем фотоны видимого света). Большинство химических веществ, которые поглощают в видимом диапазоне, также будут иметь значительное поглощение в УФ-диапазоне. Это создает электроны в еще более высоких энергетических состояниях. У них может быть больше способов распада, которые приводят к значительным химическим изменениям в веществе. Но механизм тот же. Энергия поглощается за счет перевода электронов в более высокие энергетические состояния, и их распад может происходить таким образом, что вызывает химические изменения в веществе. Даже если эти пути, вызывающие химические изменения, имеют очень низкую вероятность, большой поток фотонов в солнечном свете может вызвать значительное количество химических изменений, ведущих к изменению цвета вещества.