颜色化学第二章物质的结构状态与光学颜色课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 物质的结构状态与光学颜色,光束通过物质其传播受到两种影响:,(1)强度减弱 (2) 光速变小,强度减弱的原因是吸收和散射;,光速变小则产生色散。,色散、散射、折射、衍射等许多物理效应能产生颜色，除光本身的特性外，离不开产生这些现象的物质，或者说颜色是物质的特殊结构引起的光学效果。,2.1 光的色散与相关的颜色,2.1.1 光色色散,1.正常色散与反常色散,区别在于对光的吸收,2.色散产生的原理,白光通过棱镜分为七色光,是因为不同频率的光在棱镜中的光速不同,折射率不同,发生了色散,产生了光谱.,3.影响色散程度的因素：,(I)材料种类,一些材料的色散值(n,B,-n,G,),冕牌玻璃 0.010,石英 0.013,蓝宝石,红宝石 0.018,锆石 0.039,金刚石 0.044,(2)棱镜顶角角度:,对于Fraunhofer B线和G线, n,B,=1.50,n,G,=1.51的冕牌玻璃,棱镜顶角为40,0,光线分开0.5,0,;,而顶角为60,0,光线分开0.9,0,.,对于n,B,=1.75,n,G,=1.79的重火石玻璃,棱镜顶角40,0,两条光线分开2.0,0,若顶角为60,0,两线分离角增加到4.9,0,.,(3)色散与物质结构的关系,从色散的本质看,不仅与物质的种类、密度有关，更与化学键的强度密切相关,介质,内粒子,间的作用力越强,色散越强。,例：,水中H-O-H间是共价键，水分子间是大量氢键，其折射率不大（1.33)；,红宝石,蓝宝石主要是Al-O之间的配位键,少量的Cr-O,Ti-O,Fe-O间的配位键,折射率较大(1.77);,金刚石中的C-C间则完全是共价键,虽密度并不大,但折射率最大(2.42),居常见物质之,冠.,3.色散产生的颜色,(1)钻石的光彩,标准圆钻:57个刻面,大部分光通过折射后从不同的刻面多次被反射出来,产生夺目的光彩.,(2)露珠和彩虹,水的折射产生色散,紫光偏折41,0,红光偏折43,0,.太阳光照射球形水滴,晶莹的露珠闪动着多色的光彩.,一次彩虹,光线从水滴内壁穿出,直接反射出来,二次彩虹,光线射入水滴,经两次折射再发射出.,两者不同之处是紫光与红光的顺序相反.,雨后彩虹:大量水滴的组合,形成合适的密度梯度,相当于巨大的棱镜,展现色散的效果,(3)星光闪烁,星星与地球之间有宇宙和大气层,其组成、结构的局部变化，影响密度、折射率的不断变化，色散情况的改变，引起颜色、亮度和位置的不稳定，即看到的“星星眨眼”,2.2光的散射与相关的颜色,2.2.1 光的散射,现象,介质的均匀性受到破坏,光线会离开原来的传播方向,向其它方向传播,称光的散射.,光的散射与颗粒大小有关,较大颗粒前向散射强于后向散射,而小颗粒的散射趋向于各向同性.,(1)瑞利散射,1871年,瑞利(Rayleigh)研究了细微质点的散射,第一个用定量的方法得出,散射光强度与,4,成反比的定律.,适用于折射率不同于其周围介质的任何粒子,唯一限制是,粒子直径必须远小于波长.,丁德尔(John Tyndall)效应:,丁德尔第一个研究了光束通过胶体溶液的乳光现象,胶粒与分散介质产生的散射光振幅明显不同,相互不能因干涉完全抵消,我们能观察到相干后的散射现象.,(2)米(G.Mie)氏散射,较大颗粒对光的散射不遵从瑞利散射定律.,米(G.Mie)和德拜(P.Debye)以球形质点为模型计算了电磁波的散射:,只有直径d0.3,/,2时,瑞利散射正确.,当粒子直径大于波长时,散射强度与波长的依赖关系不十分明显.,瑞利散射微粒常呈现蓝色,而米氏散射常产生白色.,2.2.2散射产生的颜色,1.蔚蓝的天空,可见光谱中波长较短的蓝紫光的散射比波长较长的红光强,大约是,十倍,的关系.,晴朗的天空,阳光普照,大气对各种波长的光散射的综合结果,使天空呈现美丽的蔚蓝色.,小水滴的线度比可见光波长大的多,各种波长的光几乎有相同的散射,产生白色的云和雾.,大气污染,颗粒比空气分子大,天空灰蒙蒙.,蓝脊山脉,2.红色的朝阳、落日,太阳的颜色与散射程度有关.,早晨日出或夕阳西下时,光线穿过厚的多的大气层,太阳光中除了波长最长的红光外,几乎都被散射掉,所以朝阳、落日格外红.,正午,阳光通过大气的路程较短,各色光的散射都不强,观看太阳接近白色.,下午，灰尘、烟雾增多，散射效应增强，太阳的颜色逐渐变黄。,火山爆发时,大量细小粒子进入较高层大气,散射效果明显,出现异常深红的落日.,雾滴尺寸为,500nm,左右，通过薄雾看到太阳或月亮显示出绿色或蓝色(沙尘暴下的日光灯),没有大气,太阳光得不到各种分子、微粒的散射天空一片黑暗，只看到夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。,3.丁德尔蓝,动物中的蓝色、大多数绿色以及紫色中的蓝色成分，都是由散射产生的。,基本的生物散射单元由小散射粒子组成，包括,覆盖黑色素的组织气囊、脂肪、蛋白质,、,角质微粒或鸟嘌呤晶体。,不为粒子散射的光被黑色素吸收，产生蓝色；,若黄色被黑色素层反射，产生绿色；,弱红色反射，产生紫色。,较低级动物中，丁德尔蓝较少，但海蛰、章鱼、昆虫（蜻蜓和某些蝴蝶），某些鱼类、爬行动物、变色龙、蜥蜴、蛇等存在。,鸟羽的蓝色和绿色，火鸡的蓝色颈皮。,例：蓝鹊羽毛的结构与散射,10,m,外层是无色透明的角质；,下面是一层箱状细胞或蜂窝状组织（气囊，3050nm大小），是活性散射组织；,含有黑色素细胞的黑色层。,完整的散射结构使蓝鹊的羽毛呈现蓝色。,若用酒精浸泡：气囊空间充满液体，失去散射作用，只能看到黑色。蒸干，显出蓝色。,若用锤敲打破坏气囊，散射消失，只显黑色。,若用H,2,O,2,漂白黑色素，蓝色消失，在羽支背面涂上黑色，蓝色恢复。,绿色鸟羽是由于含有叶红素，若萃取出叶红素，羽毛依然显蓝色。,哺乳类动物中的丁德尔蓝：,猴子的面部、臀部有蓝色和紫色，蓝色由散射形成，紫色是皮肤下血管中的血红蛋白的红色反射与蓝色散射结合的结果。天冷，血管收缩，肤色发青。,死亡后失去血红蛋白的作用，紫色变成蓝色。溺水人皮肤经浸泡，散射结构破坏，变白。,静脉蓝色，因为它们对表面散射提供了深色的背景；白皮肤的人刮完落腮胡子出现青蓝色,，,是表层下的黑色须毛的背景提供了散射的条件。,猫或人眼中的淡蓝色是发生在白眼球中的散射所致，随着年龄增大，散射粒子长大，由于米氏散射产生白色，蓝色消失。年老时则出现昏黄。,黑色素为散射提供背景，若缺少，眼睛会由于血管中血红蛋白的反衬（掩盖了蓝色）呈现粉红色。,香烟吸入即吐出，在光下是丁德尔蓝色，若在肺中停留几秒在吐出，显灰白色。因有水汽凝结，变为米氏散射。,4.宝石中的散射效应,(1)月长石,正长石与钠长石混熔,内含小粒子,散射.,仿制品:富铝尖晶石晶体MgAl,10,O,16,热处理时过量的Al,2,O,3,作为一种很精细的能给出强烈闪光的粒子析出.,(2)星状刚玉,Al,2,O,3,中(纯净或含着色杂质)含有精细的金红石TiO,2,针状物,以120,0,互相分开、排列,当以圆形或椭圆形拱凸小室的形式切割成半弧面形，三种针状物的反射产生一种六向辐射的星，反射光在小室外交叉，星状图形在表面上漂浮。,(3)星红宝石(氧化铬,配位场效应),星蓝宝石(铁钛元素,电荷转移),红宝石玻璃(胶体金,直径10nm,米氏散射),2.3干涉、衍射与相关颜色,2.3.1干涉效应及其产生的颜色,1.干涉,满足一定条件的两个或两个以上的光波,在它们相交的区域,各点光的强度有的加强,有的减弱(甚至抵消为零)这种现象称为光的干涉.,2.薄膜干涉产生的颜色,牛顿研究了不同光程差间干涉产生的颜色,程差低于100nm时,所有颜色都被删除,呈现黑色;随着光程差的增大,出现一系列色彩.560nm的程差为一序列,序末为带浅红的颜色.,颜色都不是光谱纯的.,大多数虹彩色来自薄膜干涉。,单层薄膜干涉:水面油膜，蜻蜓、蝇类、甲虫透明的薄翼；,多层薄膜干涉：贝壳、鱼鳞、蛇皮、眼睛、毛发、指甲。背面通常为黑色素层，能吸收非反射光而增强了颜色。,大多数非虹彩色来自散射。,2.3.2衍射效应及其产生的颜色,1.衍射,由于圆孔、狭缝等限制光波的波阵面，使点（线）光源发出的光波不能按几何光学呈现明晰的影象，光强分布不均匀，出现边缘的弥散现象，称为光的衍射。,2.衍射产生的颜色,(1)甲虫绒金龟,显微镜观察,鞘翅上有一些深约100nm,间隔约1000nm的平行钩纹,光垂直照射时,在36,0,处看到第一级红色光谱.,(2)蛇,光照在乌黑发亮的蛇皮上,可看到强烈的彩虹色反射.覆盖表皮的每一鳞片上有稍微凸起的波纹线,平行于中心,凸起之间相距2500nm,垂直方向为900nm.光垂直照射时,第一级红色光谱的角度分别为16,0,和51,0,相当于在两个方向上间距不同的二维光栅.,(3)宝石蛋白石,蛋白石是一种大小相等的球体的三维规则排列,球体的活性成分是含有少量水的无定形SiO,2,粘和在一起,球体与粘接剂之间存在小的折射率差,固定的排列产生衍射效应颜色晃动,.,干涉与衍射产生的颜色主要有两点不同，其一是衍射颜色象衍射光栅那样，决定于层间距离，而干涉的颜色决定于膜的厚度；其二是衍射发生的色彩随方向变化而强烈地变化，色彩仅在直射光中看到，表现为虹彩色，而干涉产生的颜色其色彩随方向变化适度地变化，一般也表现为虹彩色，但变化不剧烈。大多数非虹彩色来自散射。,3.彩色珍珠,加入氮化铌，可以使珍珠呈黑色；加氮化钛可呈金黄色，加氧化铬可呈绿色。,制作彩色珍珠不正当的方法:,浸泡添加方法： 浸入高锰酸中形成棕色；,浸入碱与钴盐混合液中形成红色；,浸入红染料的酒精溶液中形成玫瑰色；,化学反应法 TiCl,4,+ CH,4, TiC（碳化钛，金黄色）,化学镀色法 Cu,2,（OH）,2,CO,3,（碱式碳酸铜，浅绿色）,白珍珠浸入稀硝酸银和氨水溶液中，然后在硫化氢气体中使之变黑。,辐射法 用Co,60,放射的射线照射20分钟，变为蓝灰色。,成色不好的珍珠也可以通过化学方法漂白，常用的漂白剂有过氧化氢（H,2,O,2,），将珍珠浸泡在过氧化氢液中几天到十几天，维持40,0,C，同时暴露在阳光下经紫外线照射，会变成银白色。,4.多彩的欧泊,欧泊的主要成分是含水的二氧化硅（SiO,2,）集合体，欧泊内部存在着球状的SiO,2,，它们的直径大约150nm400nm之间 。能观察到变彩效应的欧泊，其直径在175300nm。,SiO,2,采用密堆积结构,孔隙中是水分子的栖居场所，欧泊的含水量可由3%到18%,5.宝石的猫眼效应,矿物内部存在大量细小、密集、平行排列的丝状金红石矿物包裹体，丝状物的排列方向平行于金红石宝石矿物晶胞C轴方向,类似衍射光栅的作用,产生特殊的衍射效果。,