顏色化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)與光學(xué)顏色PPT課件

1、 3.影響色散程度的因素：(I)材料種類 一些材料的色散值(nB-nG)冕牌玻璃 0.010石英 0.013藍(lán)寶石,紅寶石 0.018鋯石 0.039金剛石 0.044第1頁(yè)/共30頁(yè)(2)棱鏡頂角角度:對(duì)于Fraunhofer B線和G線, nB=1.50,nG=1.51的冕牌玻璃,棱鏡頂角為400,光線分開0.50 ;而頂角為600,光線分開0.90.對(duì)于nB=1.75,nG=1.79的重火石玻璃,棱鏡頂角400,兩條光線分開2.00 ,若頂角為600 ,兩線分離角增加到4.90.第2頁(yè)/共30頁(yè) (3)色散與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系 從色散的本質(zhì)看,不僅與物質(zhì)的種類、密度有關(guān)，更與化學(xué)鍵的強(qiáng)度密切

2、相關(guān),介質(zhì)內(nèi)粒子間的作用力越強(qiáng),色散越強(qiáng)。 例： 水中H-O-H間是共價(jià)鍵，水分子間是大量氫鍵，其折射率不大（1.33)； 紅寶石,藍(lán)寶石主要是Al-O之間的配位鍵,少量的Cr-O,Ti-O,Fe-O間的配位鍵,折射率較大(1.77); 金剛石中的C-C間則完全是共價(jià)鍵,雖密度并不大,但折射率最大(2.42),居常見物質(zhì)之冠.第3頁(yè)/共30頁(yè) 3.色散產(chǎn)生的顏色 (1)鉆石的光彩 標(biāo)準(zhǔn)圓鉆:57個(gè)刻面,大部分光通過折射后從不同的刻面多次被反射出來,產(chǎn)生奪目的光彩.第4頁(yè)/共30頁(yè)第5頁(yè)/共30頁(yè)第6頁(yè)/共30頁(yè) (2)露珠和彩虹 水的折射產(chǎn)生色散,紫光偏折410,紅光偏折430.太陽(yáng)光照射球形

3、水滴,晶瑩的露珠閃動(dòng)著多色的光彩. 一次彩虹,光線從水滴內(nèi)壁穿出,直接反射出來, 二次彩虹,光線射入水滴,經(jīng)兩次折射再發(fā)射出. 兩者不同之處是紫光與紅光的順序相反. 雨后彩虹:大量水滴的組合,形成合適的密度梯度,相當(dāng)于巨大的棱鏡,展現(xiàn)色散的效果 (3)星光閃爍 星星與地球之間有宇宙和大氣層,其組成、結(jié)構(gòu)的局部變化，影響密度、折射率的不斷變化，色散情況的改變，引起顏色、亮度和位置的不穩(wěn)定，即看到的“星星眨眼”第7頁(yè)/共30頁(yè)2.2光的散射與相關(guān)的顏色 2.2.1 光的散射 現(xiàn)象 介質(zhì)的均勻性受到破壞,光線會(huì)離開原來的傳播方向,向其它方向傳播,稱光的散射. 光的散射與顆粒大小有關(guān),較大顆粒前向散射

4、強(qiáng)于后向散射,而小顆粒的散射趨向于各向同性.第8頁(yè)/共30頁(yè) (1)瑞利散射 1871年,瑞利(Rayleigh)研究了細(xì)微質(zhì)點(diǎn)的散射,第一個(gè)用定量的方法得出 適用于折射率不同于其周圍介質(zhì)的任何粒子,唯一限制是 丁德爾(John Tyndall)效應(yīng): 丁德爾第一個(gè)研究了光束通過膠體溶液的乳光現(xiàn)象,膠粒與分散介質(zhì)產(chǎn)生的散射光振幅明顯不同,相互不能因干涉完全抵消,我們能觀察到相干后的散射現(xiàn)象.第9頁(yè)/共30頁(yè) (2)米(G.Mie)氏散射 較大顆粒對(duì)光的散射不遵從瑞利散射定律. 米(G.Mie)和德拜(P.Debye)以球形質(zhì)點(diǎn)為模型計(jì)算了電磁波的散射: 當(dāng)粒子直徑大于波長(zhǎng)時(shí),散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的依

5、賴關(guān)系不十分明顯.第10頁(yè)/共30頁(yè)2.2.2散射產(chǎn)生的顏色 1.蔚藍(lán)的天空 可見光譜中波長(zhǎng)較短的藍(lán)紫光的散射比波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光強(qiáng),大約是的關(guān)系. 晴朗的天空,陽(yáng)光普照,大氣對(duì)各種波長(zhǎng)的光散射的綜合結(jié)果,使天空呈現(xiàn)美麗的蔚藍(lán)色. 小水滴的線度比可見光波長(zhǎng)大的多,各種波長(zhǎng)的光幾乎有相同的散射,產(chǎn)生白色的云和霧. 大氣污染,顆粒比空氣分子大,天空灰蒙蒙. 藍(lán)脊山脈第11頁(yè)/共30頁(yè) 2.紅色的朝陽(yáng)、落日 太陽(yáng)的顏色與散射程度有關(guān). 早晨日出或夕陽(yáng)西下時(shí),光線穿過厚的多的大氣層,太陽(yáng)光中除了波長(zhǎng)最長(zhǎng)的紅光外,幾乎都被散射掉,所以朝陽(yáng)、落日格外紅. 正午,陽(yáng)光通過大氣的路程較短,各色光的散射都不強(qiáng),觀看

6、太陽(yáng)接近白色. 下午，灰塵、煙霧增多，散射效應(yīng)增強(qiáng)，太陽(yáng)的顏色逐漸變黃。 火山爆發(fā)時(shí),大量細(xì)小粒子進(jìn)入較高層大氣,散射效果明顯,出現(xiàn)異常深紅的落日.第12頁(yè)/共30頁(yè) 霧滴尺寸為左右，通過薄霧看到太陽(yáng)或月亮顯示出綠色或藍(lán)色(沙塵暴下的日光燈) 沒有大氣,太陽(yáng)光得不到各種分子、微粒的散射天空一片黑暗，只看到奪目的太陽(yáng)懸掛在漆黑的背景中。 3.丁德爾藍(lán) 動(dòng)物中的藍(lán)色、大多數(shù)綠色以及紫色中的藍(lán)色成分，都是由散射產(chǎn)生的。 基本的生物散射單元由小散射粒子組成，包括 覆蓋黑色素的組織氣囊、脂肪、蛋白質(zhì)、角質(zhì)微?；蝤B嘌呤晶體。第13頁(yè)/共30頁(yè) 不為粒子散射的光被黑色素吸收，產(chǎn)生藍(lán)色； 若黃色被黑色素層反射

7、，產(chǎn)生綠色； 弱紅色反射，產(chǎn)生紫色。 較低級(jí)動(dòng)物中，丁德爾藍(lán)較少，但海蟄、章魚、昆蟲（蜻蜓和某些蝴蝶），某些魚類、爬行動(dòng)物、變色龍、蜥蜴、蛇等存在。 鳥羽的藍(lán)色和綠色，火雞的藍(lán)色頸皮。第14頁(yè)/共30頁(yè) 例：藍(lán)鵲羽毛的結(jié)構(gòu)與散射 10 m外層是無色透明的角質(zhì)； 下面是一層箱狀細(xì)胞或蜂窩狀組織（氣囊，3050nm大?。腔钚陨⑸浣M織； 含有黑色素細(xì)胞的黑色層。 完整的散射結(jié)構(gòu)使藍(lán)鵲的羽毛呈現(xiàn)藍(lán)色。 若用酒精浸泡：氣囊空間充滿液體，失去散射作用，只能看到黑色。蒸干，顯出藍(lán)色。 若用錘敲打破壞氣囊，散射消失，只顯黑色。 若用H2O2漂白黑色素，藍(lán)色消失，在羽支背面涂上黑色，藍(lán)色恢復(fù)。第15頁(yè)/共3

8、0頁(yè) 綠色鳥羽是由于含有葉紅素，若萃取出葉紅素，羽毛依然顯藍(lán)色。 哺乳類動(dòng)物中的丁德爾藍(lán)： 猴子的面部、臀部有藍(lán)色和紫色，藍(lán)色由散射形成，紫色是皮膚下血管中的血紅蛋白的紅色反射與藍(lán)色散射結(jié)合的結(jié)果。天冷，血管收縮，膚色發(fā)青。 死亡后失去血紅蛋白的作用，紫色變成藍(lán)色。溺水人皮膚經(jīng)浸泡，散射結(jié)構(gòu)破壞，變白。 靜脈藍(lán)色，因?yàn)樗鼈儗?duì)表面散射提供了深色的背景；白皮膚的人刮完落腮胡子出現(xiàn)青藍(lán)色，是表層下的黑色須毛的背景提供了散射的條件。第16頁(yè)/共30頁(yè) 貓或人眼中的淡藍(lán)色是發(fā)生在白眼球中的散射所致，隨著年齡增大，散射粒子長(zhǎng)大，由于米氏散射產(chǎn)生白色，藍(lán)色消失。年老時(shí)則出現(xiàn)昏黃。 黑色素為散射提供背景，若缺

9、少，眼睛會(huì)由于血管中血紅蛋白的反襯（掩蓋了藍(lán)色）呈現(xiàn)粉紅色。 香煙吸入即吐出，在光下是丁德爾藍(lán)色，若在肺中停留幾秒在吐出，顯灰白色。因有水汽凝結(jié)，變?yōu)槊资仙⑸?。?7頁(yè)/共30頁(yè) 4.寶石中的散射效應(yīng) (1)月長(zhǎng)石 正長(zhǎng)石與鈉長(zhǎng)石混熔,內(nèi)含小粒子,散射. 仿制品:富鋁尖晶石晶體MgAl10O16,熱處理時(shí)過量的Al2O3作為一種很精細(xì)的能給出強(qiáng)烈閃光的粒子析出. (2)星狀剛玉 Al2O3中(純凈或含著色雜質(zhì))含有精細(xì)的金紅石TiO2針狀物,以1200互相分開、排列,當(dāng)以圓形或橢圓形拱凸小室的形式切割成半弧面形，三種針狀物的反射產(chǎn)生一種六向輻射的星，反射光在小室外交叉，星狀圖形在表面上漂浮。第

10、18頁(yè)/共30頁(yè) 第19頁(yè)/共30頁(yè) (3)星紅寶石(氧化鉻,配位場(chǎng)效應(yīng)) 星藍(lán)寶石(鐵鈦元素,電荷轉(zhuǎn)移) 紅寶石玻璃(膠體金,直徑10nm,米氏散射)2.3干涉、衍射與相關(guān)顏色2.3.1干涉效應(yīng)及其產(chǎn)生的顏色1.干涉滿足一定條件的兩個(gè)或兩個(gè)以上的光波,在它們相交的區(qū)域,各點(diǎn)光的強(qiáng)度有的加強(qiáng),有的減弱(甚至抵消為零)這種現(xiàn)象稱為光的干涉.第20頁(yè)/共30頁(yè) 2.薄膜干涉產(chǎn)生的顏色 牛頓研究了不同光程差間干涉產(chǎn)生的顏色,程差低于100nm時(shí),所有顏色都被刪除,呈現(xiàn)黑色;隨著光程差的增大,出現(xiàn)一系列色彩.560nm的程差為一序列,序末為帶淺紅的顏色. 顏色都不是光譜純的.第21頁(yè)/共30頁(yè) 大多數(shù)

11、虹彩色來自薄膜干涉。 單層薄膜干涉:水面油膜，蜻蜓、蠅類、甲蟲透明的薄翼； 多層薄膜干涉：貝殼、魚鱗、蛇皮、眼睛、毛發(fā)、指甲。背面通常為黑色素層，能吸收非反射光而增強(qiáng)了顏色。 大多數(shù)非虹彩色來自散射。第22頁(yè)/共30頁(yè)2.3.2衍射效應(yīng)及其產(chǎn)生的顏色 1.衍射 由于圓孔、狹縫等限制光波的波陣面，使點(diǎn)（線）光源發(fā)出的光波不能按幾何光學(xué)呈現(xiàn)明晰的影象，光強(qiáng)分布不均勻，出現(xiàn)邊緣的彌散現(xiàn)象，稱為光的衍射。 2.衍射產(chǎn)生的顏色 (1)甲蟲絨金龜 顯微鏡觀察,鞘翅上有一些深約100nm,間隔約1000nm的平行鉤紋,光垂直照射時(shí),在360處看到第一級(jí)紅色光譜.第23頁(yè)/共30頁(yè) (2)蛇 光照在烏黑發(fā)亮的

12、蛇皮上,可看到強(qiáng)烈的彩虹色反射.覆蓋表皮的每一鱗片上有稍微凸起的波紋線,平行于中心,凸起之間相距2500nm,垂直方向?yàn)?00nm.光垂直照射時(shí),第一級(jí)紅色光譜的角度分別為160和510,相當(dāng)于在兩個(gè)方向上間距不同的二維光柵. (3)寶石蛋白石 蛋白石是一種大小相等的球體的三維規(guī)則排列,球體的活性成分是含有少量水的無定形SiO2,粘和在一起,球體與粘接劑之間存在小的折射率差,固定的排列產(chǎn)生衍射效應(yīng)顏色晃動(dòng).第24頁(yè)/共30頁(yè) 干涉與衍射產(chǎn)生的顏色主要有兩點(diǎn)不同，其一是衍射顏色象衍射光柵那樣，決定于層間距離，而干涉的顏色決定于膜的厚度；其二是衍射發(fā)生的色彩隨方向變化而強(qiáng)烈地變化，色彩僅在直射光中

13、看到，表現(xiàn)為虹彩色，而干涉產(chǎn)生的顏色其色彩隨方向變化適度地變化，一般也表現(xiàn)為虹彩色，但變化不劇烈。大多數(shù)非虹彩色來自散射。 3.彩色珍珠 加入氮化鈮，可以使珍珠呈黑色；加氮化鈦可呈金黃色，加氧化鉻可呈綠色。 第25頁(yè)/共30頁(yè) 制作彩色珍珠不正當(dāng)?shù)姆椒? 浸泡添加方法： 浸入高錳酸中形成棕色； 浸入堿與鈷鹽混合液中形成紅色； 浸入紅染料的酒精溶液中形成玫瑰色； 化學(xué)反應(yīng)法 TiCl4 + CH4 TiC（碳化鈦，金黃色） 化學(xué)鍍色法 Cu2（OH）2CO3（堿式碳酸銅，淺綠色） 白珍珠浸入稀硝酸銀和氨水溶液中，然后在硫化氫氣體中使之變黑。 輻射法 用Co60放射的射線照射20分鐘，變?yōu)樗{(lán)灰色。 第26頁(yè)/共30頁(yè)成色不好的珍珠也可以通過化學(xué)方法漂白，常用的漂白劑有過氧化氫（H2O2），將珍珠浸泡在過氧化氫液中幾天到十幾天，維持400C，同時(shí)暴露在陽(yáng)光下經(jīng)紫外線照射，會(huì)變成銀白色。 4.多彩的歐泊歐泊的主要成分是含水的二氧化硅（SiO2）集合體，歐泊內(nèi)部存在著球狀的SiO2，它們的直