閆玉強(qiáng) 馬將

光線為世界染色

各種物體自身本來沒有顏色。在白天，人們卻可以看到物體呈現(xiàn)出的各種顏色，五彩繽紛;而到了沒有光線的漆黑夜晚，這些物體隱匿于黑暗中，它們的顏色也顯現(xiàn)不出來。原來只有在有陽光的時(shí)候，在有其他光源照射或物體自身發(fā)光的時(shí)候，物體才能呈現(xiàn)出顏色?？梢哉f，沒有光，就沒有顏色。顏色是由物體發(fā)射、反射的光通過人眼視覺所感知到的信息。簡(jiǎn)單地說：有色物體本身并沒有顏色，而是具有吸收某種光，反射另一種光的性能，從而呈現(xiàn)出反射光的顏色。發(fā)光的物體因?yàn)榘l(fā)出特定的光譜，因而也呈現(xiàn)這種光的顏色。

光是什么？簡(jiǎn)單來說光是一種電磁波，我們平時(shí)生活中所謂的“光”，其實(shí)是指可見光，是電磁波譜中人眼可以感知的部分，可見光譜沒有精確的范圍;一般人的眼睛可以感知的電磁波的波長(zhǎng)在400～760納米之間，光是由光子為基本粒子組成的，具有粒子性與波動(dòng)性。光可以在真空、空氣、水等透明的物質(zhì)中傳播。光的波長(zhǎng)不同，具有的顏色就不同。白光是由各種單色光組成的復(fù)色光，使用三棱鏡可以將白光中混合的各種顏色分解出來。光從三棱鏡的一個(gè)側(cè)面射入，從另一個(gè)側(cè)面射出，由于同一種介質(zhì)對(duì)不同色光的折射率不同，不同色光在同一介質(zhì)中傳播的速度也不同。如同體育賽跑，大家都在同一起跑線上，由于各自的速度不同，慢慢就拉開距離，依次到達(dá)終點(diǎn)。

1666年，英國(guó)物理學(xué)家牛頓做了一次非常著名的實(shí)驗(yàn)，他用三棱鏡將太陽白光分解為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫的七色色帶。彩虹就是陽光通過許多小水滴的色散形成的。紅色的波長(zhǎng)大約在660納米，所以發(fā)光物體如燈泡發(fā)出波長(zhǎng)為660納米電磁波時(shí)，我們就能看到紅色的燈泡;如果可見光照射在一張紙上，被吸收之后反射出660納米的電磁波，那我們就看到紅顏色的紙。

黃金的別樣色彩

我們知道了光和顏色的關(guān)系，就可以更容易地理解金子為什么有漂亮的金黃色。首先，你知道為什么大多數(shù)其他金屬只有單調(diào)的銀白色嗎？這是由于金屬是由金屬原子以金屬鍵構(gòu)成，金屬原子周圍束縛著很多電子，它們按照能量高低分層排布在不同軌道，最外層的電子決定了原子的大部分物理化學(xué)性質(zhì)，金屬原子容易失去最外層的電子，于是金屬晶體內(nèi)部形成了一個(gè)自由電子的汪洋大海，可以與電磁波相互作用，所以當(dāng)光線投射到它的表面上時(shí)，自由電子可以吸收所有頻率的可見光，然后極快地放出可見光，這就使絕大多數(shù)金屬呈現(xiàn)鋼灰色或銀白色光澤。

而金原子有較多的電子層，最外層的電子也就具有極高的能量，這個(gè)電子因此變得“懶惰”，這給黃金帶來了相當(dāng)穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。所以在自然界中，黃金可以以單質(zhì)形態(tài)出現(xiàn)。不僅如此，這個(gè)電子的“懶惰”還帶來了更小的軌道半徑，使得金原子的外層電子在吸收光的能量后更加容易躍遷到其他軌道上。體現(xiàn)在宏觀上，就是金會(huì)吸收藍(lán)紫光的能量。由于顏色的互補(bǔ)原理，金子就展現(xiàn)出了藍(lán)紫光的互補(bǔ)色—鮮艷的橙黃色。同樣，純銅呈現(xiàn)的顏色是入射光被銅吸收后對(duì)應(yīng)的補(bǔ)色，純銅的吸收光譜在500～550納米區(qū)間，這一波段的光為綠色，于是純銅就展現(xiàn)出紫紅色的外觀。

除此以外，當(dāng)75%的金、22.25%的銅和2.75%的銀按比例混合之后就可以得到玫瑰金色。三者之間不同的比例可以調(diào)出不同的色彩，由金、銅、鐵、鎳等多種元素按比例混合還可以得到經(jīng)常見到的紫金。而將銅和鋅混合可以得到與黃金同色的黃銅合金，這些金屬混合發(fā)生合金化后，表面結(jié)構(gòu)改變了對(duì)光線的吸收反射，微量的變化就可以帶來色彩的改變，如同美術(shù)調(diào)色一般。

除此以外，物體的尺寸也可以帶來外觀顏色的改變，塊體金是黃色，當(dāng)尺寸減小，膠體金顆粒可以呈現(xiàn)不同的顏色，而尺寸小于光波的金顆粒就變?yōu)榱撕谏＿@是因?yàn)椴煌叽缧蚊驳慕饘?duì)可見光有選擇性吸收，吸收了某個(gè)波長(zhǎng)的光后，將沒有吸收的光反射出去，我們看到的就是反射的光的顏色。納米尺寸的金結(jié)構(gòu)影響了光線的吸收反射，如沒有或極少量的反射時(shí)，我們看到的納米金就是黑色。

因?yàn)榻鹉z體溶液中金的粒子尺寸一般在1～100納米之間，因此會(huì)隨粒徑和形貌的變化呈現(xiàn)不同的顏色。這是由于可見光入射到金顆粒表面和溶液介質(zhì)的界面層時(shí)，當(dāng)滿足了所有邊界條件，將會(huì)激發(fā)金屬顆粒表面價(jià)電子的集體振蕩，由于共振使電子吸收了可見光的能量，從而使反射光在一定角度內(nèi)減弱，表現(xiàn)出金納米膠體溶液隨著金顆粒形狀和尺寸的不同呈現(xiàn)出多種顏色。這在生物探針和醫(yī)療檢測(cè)方面有很大的應(yīng)用價(jià)值。

珠寶美麗有門道

除了金子這些名貴金屬具有美麗的顏色外，金屬的化合物也會(huì)給我們帶來豐富的顏色，比如不同色彩的寶石。這一切的顏色都來源于各種化合物豐富多彩的顏色組合，尤其是過渡金屬離子的貢獻(xiàn)。過渡金屬是元素周期表中一組特別的金屬，我們熟悉的鐵就是其中一員。由于過渡金屬離子受到光照時(shí)，電子會(huì)吸收光的能量，發(fā)生躍遷，離開本來所在的軌道，當(dāng)然躍遷的電子也可以回到原始狀態(tài)，而過渡金屬離子吸收或放出的光的能量剛好在可見光范圍內(nèi)，因此就會(huì)發(fā)射出不同顏色的電磁波。

鉆石是在地球深部高壓、高溫條件下形成的一種由碳元素構(gòu)成，具有立方結(jié)構(gòu)的天然白色晶體，純凈的鉆石無色透明。而紅寶石的主要成分是氧化鋁，氧化鋁是無色的，在合適的外界條件下，外來的鉻原子就代替了部分鋁原子。當(dāng)受到可見光照射時(shí)，鉻原子的電子可以吸收光的能量，躍遷到其他軌道中，因?yàn)槲盏哪芰糠謩e相當(dāng)于紫光和黃綠光，此后，被吸收后的白光殘余部分就形成了紅色，故而成了紅寶石。

祖母綠寶石具有鮮艷欲滴的綠色，它的成因也是因?yàn)楹秀t元素。為什么鉻的存在讓一種寶石變成紅色，另一種卻變成了綠色呢？原來，在祖母綠寶石中，還多了鈹和硅兩種離子，多種離子的綜合作用，才形成了祖母綠的綠色。

除了寶石外，一些金屬離子化合物還可以將普通玻璃制成有色玻璃，如玻璃中加入二氧化錳可以呈現(xiàn)紫色，加入氧化鈷、三氧化二鈷可以燒成紫紅色，加入氧化亞鐵、鉻酸鉀可以燒成綠色，加入硫化鎘、氧化鐵可以燒成黃色。