金子的金色來自於電子的相對論效應。
對於可見光來說,黃光和藍光是互補的,金子顯黃色,說明當可見光照射在金子上時,藍光被吸收而黃光被反射進入我們的眼睛。所以問題就變成了:為什麼金子會吸收藍光。
光子會激發金屬中的電子躍遷,但電子躍遷的能量不是連續的,只有達到軌道間的能量差才能使躍遷發生。當光子的能量消耗在電子躍遷這個過程中時,宏觀上我們看到的就是某種可見光被吸收。在銀原子中,電子躍遷發生在4d到5s軌道間,這個能量差落在紫外區域,所以肉眼是感覺不到的,於是銀子對可見光幾乎沒有吸收,白光進,白光返,所以銀子是白色的。但是對於金子來說,電子的躍遷發生在5d到6s軌道中間,這個能量差落在低能量的可見光區域,且等於藍光光子的能量,所以金原子對可見光是白光進,藍光吸,黃光返。
感謝 @叛逆者 提醒,這裡放一張金屬的反射譜更加直觀。我特意標註了可見光的波長範圍,可見金原子在這個範圍內的吸收率有多高。
但是為什麼金子的5d到6s軌道間的能量差會更小,以至於落在了可見光區域呢?這就要考慮相對論效應了。s軌道是非常緊貼原子核的軌道,因為s軌道上的電子在原子核附近的機率密度比其他如p,d,f軌道都大。因此,s軌道上的電子必須以極大的速度執行,以免“掉入”原子核中,這個速度有多大呢?幾乎超過了光速的一半!愛因斯坦的相對論告訴我們隨著運動速度的增加,質量就會增加。因此電子質量增加而導致軌道半徑縮短,導致s軌道的能量變低;並且,隨著s軌道的收縮,d和f軌道被向外推導致能量升高。綜合來說就是:在金原子中,6s軌道由於軌道收縮效應能量變低而5d軌道由於遮蔽效應能量變高,一來一回使兩個軌道間的能量差變小,導致了紅移,因此落在了可見光藍光的範圍內。
那麼相對論效應為什麼在金原子中這麼顯著而在銀原子中就不顯著了呢?這是因為原子序數 。波爾第一軌道速度可以用一個簡易方程表示:
其中137是用原子序數歸一後的光速。銀的原子序數為47,算出來的速度為47/137 = 34%光速,而金的原子序數為79,算出來的速度為79/137 = 58%光速。所以相對論效應非常顯著。
事實上,金並非是唯一顯黃色的金屬,對於原子序數比較大的金屬這種相對論效應都會體現。比如金屬銫( = 55),也是黃的。
金子的金色來自於電子的相對論效應。
對於可見光來說,黃光和藍光是互補的,金子顯黃色,說明當可見光照射在金子上時,藍光被吸收而黃光被反射進入我們的眼睛。所以問題就變成了:為什麼金子會吸收藍光。
光子會激發金屬中的電子躍遷,但電子躍遷的能量不是連續的,只有達到軌道間的能量差才能使躍遷發生。當光子的能量消耗在電子躍遷這個過程中時,宏觀上我們看到的就是某種可見光被吸收。在銀原子中,電子躍遷發生在4d到5s軌道間,這個能量差落在紫外區域,所以肉眼是感覺不到的,於是銀子對可見光幾乎沒有吸收,白光進,白光返,所以銀子是白色的。但是對於金子來說,電子的躍遷發生在5d到6s軌道中間,這個能量差落在低能量的可見光區域,且等於藍光光子的能量,所以金原子對可見光是白光進,藍光吸,黃光返。
感謝 @叛逆者 提醒,這裡放一張金屬的反射譜更加直觀。我特意標註了可見光的波長範圍,可見金原子在這個範圍內的吸收率有多高。
但是為什麼金子的5d到6s軌道間的能量差會更小,以至於落在了可見光區域呢?這就要考慮相對論效應了。s軌道是非常緊貼原子核的軌道,因為s軌道上的電子在原子核附近的機率密度比其他如p,d,f軌道都大。因此,s軌道上的電子必須以極大的速度執行,以免“掉入”原子核中,這個速度有多大呢?幾乎超過了光速的一半!愛因斯坦的相對論告訴我們隨著運動速度的增加,質量就會增加。因此電子質量增加而導致軌道半徑縮短,導致s軌道的能量變低;並且,隨著s軌道的收縮,d和f軌道被向外推導致能量升高。綜合來說就是:在金原子中,6s軌道由於軌道收縮效應能量變低而5d軌道由於遮蔽效應能量變高,一來一回使兩個軌道間的能量差變小,導致了紅移,因此落在了可見光藍光的範圍內。
那麼相對論效應為什麼在金原子中這麼顯著而在銀原子中就不顯著了呢?這是因為原子序數 。波爾第一軌道速度可以用一個簡易方程表示:
其中137是用原子序數歸一後的光速。銀的原子序數為47,算出來的速度為47/137 = 34%光速,而金的原子序數為79,算出來的速度為79/137 = 58%光速。所以相對論效應非常顯著。
事實上,金並非是唯一顯黃色的金屬,對於原子序數比較大的金屬這種相對論效應都會體現。比如金屬銫( = 55),也是黃的。