顏色化學(xué) 第三、四章 簡(jiǎn)單能級(jí)躍遷產(chǎn)生的顏色 分子的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷產(chǎn)生顏色.ppt

1、第三章 簡(jiǎn)單能級(jí)躍遷產(chǎn)生的顏色,3.1 白熾產(chǎn)生的顏色 3.1.1 黑體輻射,3.1.2白熾與白熾光源 1. 白熾 物體僅由其溫度高到一定程度而產(chǎn)生的光,稱為白熾. 溫度的升高來(lái)自于發(fā)光物體能量的增加。 高溫下,組成物質(zhì)的原子與分子發(fā)射出它們的部分能量成為光子。 隨溫度的升高,產(chǎn)生的焰色序列為 : 紅 , 橙,黃, 白 ,藍(lán)白色。,2. 白熾光源,(1) .燭光 蠟的主要成分是硬脂酸 (C17H35COOH)與蜜蠟的混合物。 燭心處不完全燃燒，產(chǎn)生直徑30nm的碳粒子，外焰燃燒的熱使其變?yōu)榘谉?，發(fā)射出黃色的燭光，最終產(chǎn)物是CO2 與H2 O。,（2）煤氣燈 （3）電石燈 （4）石灰光 1816

2、年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石灰受熾熱火焰的加熱時(shí)，會(huì)發(fā)射出非常輝煌的光。 （5）白熾燈 1878年Edison與Swan幾乎同時(shí)發(fā)明，鎢具有高熔點(diǎn)（3380 0C）和很低的蒸發(fā)率，摻入少量硅、鋁、鉀等可增加燈絲韌度。,（6）水晶-鹵素?zé)?燈泡由石英制成，充滿惰性氣體，加入少量溴或碘。鹵素氣體在燈泡較冷的區(qū)域同蒸發(fā)出來(lái)的鎢反應(yīng)，把鎢遷回?zé)艚z最細(xì)部分，使鎢沉積，燈絲恢復(fù)均勻的厚度，增加壽命并使產(chǎn)生的光更接近白光。,3.1.3 色溫的概念與應(yīng)用,彩色感覺(jué)既決定于人眼對(duì)可見(jiàn)光譜中的不同成分有不同的視覺(jué)功能,又決定于光源所含的光譜成分以及景物反射和吸收其中某些成分的特性。 為便于比較光源的光譜成分和進(jìn)行色度計(jì)算，引入“

3、色溫”的概念。,1.色溫的定義: 某一光源輻射的光，與某一特定溫度下黑體輻射的光具有相同的特性，則絕對(duì)黑體的這一特定溫度就定義為該光源的色溫。 色溫表示光源的色光成分。 色溫越低，光線越帶紅色，色溫越高，光線越帶藍(lán)色。 色溫的單位是絕對(duì)溫度K。,2. 色溫的性質(zhì): 色溫用來(lái)描述光源的光輻射特性 , 或光源的色光成分。 光譜成分影響物體的顏色卻不是描述物體的顏色。 色溫表示的是光源的色光成分,而不是光源本身的實(shí)際溫度。 太陽(yáng)的色溫不是恒定的，其表面溫度達(dá)5700 0C，早晨色溫約2000K，上午10時(shí)和下午4時(shí)色溫約4800K，正午接近6000K。,3. 影響色溫的因素 (1)輻射物體的溫度 溫

4、度越高,輻射物體的高頻色光成分越多. (2)輻射物體自身的特性 輻射物體的種類、結(jié)構(gòu)、性能不同，輻射光的情況差別很大。,4. 色溫校正 校正色溫一般用濾光鏡。 提高色溫,用藍(lán)色濾光鏡; 降低色溫,用黃色或橙色濾光鏡。 其他: （1）棕鏡:能更好地突出日出和黃昏的氣氛，產(chǎn)生奇妙的藝術(shù)效果。 （2）增強(qiáng)鏡拍攝紅花、秋天的紅葉時(shí)使用，會(huì)使圖象產(chǎn)生嬌艷、迷人的色感。 （3）珊瑚色鏡主要用途是改善人物的膚色，,3.2 原子中簡(jiǎn)單激發(fā)產(chǎn)生的顏色,原子中電子能級(jí)之間躍遷產(chǎn)生光的概念,是氣體激發(fā)產(chǎn)生顏色的核心。 3.2.1 原子光譜簡(jiǎn)介 1. 原子光譜是獲得原子中電子層結(jié)構(gòu)的重要手段。 2. 躍遷選率 原子受

5、激發(fā),并非任何兩個(gè)能級(jí)之間都可以發(fā)生躍遷, 根據(jù)原子光譜項(xiàng),要滿足一定的選律:,3.2.2 氣體放電與相關(guān)顏色,1. 氣體放電 18世紀(jì)發(fā)現(xiàn),氣壓計(jì)中水銀柱上方的真空區(qū)域能看到綠色輝光,這是水銀蒸汽原子產(chǎn)生的靜電激發(fā)、放電； 1835年Faraday，1860年Geissler都發(fā)現(xiàn)：接近真空的管子中有電導(dǎo)并發(fā)光，顏色取決于管中殘余氣體的性質(zhì)。,2.廣告霓虹燈 稀有氣體放電 1910年,法國(guó)人Claode把Geissler管發(fā)展成氖管,中心區(qū)域很窄以限制其放電并增加亮度。,氖或 氖與少量氬產(chǎn)生紅光； 氬或氬與水銀產(chǎn)生藍(lán)光； 氦產(chǎn)生黃光 氪產(chǎn)生淺紫光 價(jià)格昂貴 氙產(chǎn)生藍(lán),利用有色燈泡,還可以改變

6、顏色。,3. 稀土鹵化物燈 燈泡內(nèi)除放電氣體外還有稀土碘化物,如鏑鈥碘化物(稱鏑鈥燈). 氣體高壓放電時(shí),碘化物分解出鏑、鈥原子并被激發(fā)至高能態(tài)，返回基態(tài)是發(fā)出各種顏色的光，這些光的組合構(gòu)成了接近日光的燈光，光效高，傳色性能好，用于外景拍攝及大面積照明。,4. 金屬蒸汽燈 (1) 鈉蒸汽燈 鈉光中一半為黃色.加入少量氖氣,氣體放電,促使鈉氣化鈉燈的顏色從氖的粉紅變?yōu)殁c的黃色,增加鈉的溫度與壓力,使用氧化鋁管,可得到近于白色的光。 (2)水銀蒸汽燈 純水銀燈發(fā)出黃、綠、紫光，不可見(jiàn)紫外線幾乎占總發(fā)射量的50%，改善方法是燈內(nèi)涂以磷光體，使其吸收紫光與紫外光，并轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光。,3.2.3 太陽(yáng)光譜

7、中的Fraunhofer譜線,太陽(yáng)是光的發(fā)射體，太陽(yáng)輸出的能量最初始的起源在太陽(yáng)內(nèi)部。 太陽(yáng)每秒鐘的輻射能是3.81026J,相當(dāng)于6.1108噸的氫原子核參加的核聚變反應(yīng)(太陽(yáng)的總質(zhì)量是1.991027噸)。 1000克氫原子核完全參加聚變反應(yīng)釋放能量為6.3 1014J,相當(dāng)于把150萬(wàn)噸0 0C的水加熱到100 0C所需的熱能。,1814年，F(xiàn)raunhofer用窄的縫隙仔細(xì)研究了太陽(yáng)的光譜，發(fā)現(xiàn)一些細(xì)銳的暗線，即太陽(yáng)的某些光被吸收掉了。 太陽(yáng)發(fā)射的輻射能應(yīng)是連續(xù)光譜，通過(guò)氣態(tài)物質(zhì)時(shí)，由于特征吸收產(chǎn)生了暗線，稱為 Fraunhofer譜線。暗線對(duì)應(yīng)的是某些物質(zhì)特定能級(jí)間的躍遷。 最早發(fā)現(xiàn)

8、的是D1，D2譜線，相當(dāng)于鈉的黃色譜線,即鈉原子3P（2P1/2，2P3/2）3S（2S1/2)發(fā)生的躍遷。,以這種方式，在太陽(yáng)表面已識(shí)別出60多種元素。 1868年日食時(shí)刻，發(fā)現(xiàn)黃色D3譜線，它不是鈉的躍遷，也不是已知元素的譜線，是一種新的元素氦。 物理學(xué)家分析光譜、光譜線，可以得到光源處物質(zhì)的溫度、密度、化學(xué)成分、磁場(chǎng)，獲取光源物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的信息。 日食時(shí)，F(xiàn)raunhofer譜線以明亮譜線出現(xiàn)。,3.2.4 太陽(yáng)色球與日冕,色球?qū)邮翘?yáng)大氣的中層，日冕是太陽(yáng)最外面的大氣。 日冕氣體是磁化的高溫等離子體。 太陽(yáng)色球?qū)幼顝?qiáng)的輻射是： 氫原子發(fā)射的波長(zhǎng)為656.28nm的紅光,稱色球的H譜線輻射;

9、 發(fā)射深紫光的是鈣電離393.37nm的K譜線;和波長(zhǎng)396.85nmH譜線.,與日冕對(duì)應(yīng)的譜線主要是: 鐵、鈣、鎳等原子失去914個(gè)電子成為高次電離離子之后發(fā)射的，最亮的是： 鐵原子第13次電離(失13個(gè)電子)波長(zhǎng)530.3nm的綠線; 其次是鐵原子第9次電離,波長(zhǎng)為637.4nm的紅線; 還有波長(zhǎng)為596.4nm的黃線。,3.2.5 太陽(yáng)風(fēng)和極光,由于日冕的高溫,太陽(yáng)的重力不足以把日冕氣體吸引在太陽(yáng)周圍,形成靜止的大氣層,于是日冕氣體要連續(xù)地向外膨脹,成為太陽(yáng)風(fēng)。 太陽(yáng)風(fēng)主要由電子和質(zhì)子組成,也含有一些離子。 南北極附近有極光發(fā)生,呈壯觀的光弧,帶狀或帷幕狀,長(zhǎng)度為幾千公里,高度幾至幾百公

10、里,厚度只有幾百米,出現(xiàn)在海拔100到1000公里的高度。,最常觀察到的極光的顏色是幾種深淺不同的紅色、淡綠色、黃色與極淺的綠色。 具有1000到10000eV能量的電子與高達(dá)100000eV的質(zhì)子，沿地球磁場(chǎng)向北極或南極螺旋式前進(jìn)。 它們同大氣高處的氣體原子與分子發(fā)生相互作用，碰撞使氮分子、氧分子、氧原子受到激發(fā)與電離，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的原子或分子，發(fā)射出多種顏色的光。,氮分子N2同電子碰撞，形成激發(fā)態(tài)的氮分子離子，釋放出來(lái)高能的電子，N2+不穩(wěn)定，易結(jié)合電子發(fā)出紫外光，紫光與藍(lán)光： N2 + e- N2+ + e- +e- * N2+ + e- N2* + 光 被激發(fā)的N2*變成普通氮分子，同時(shí)

11、發(fā)出粉紅色光： N2* N2 + 光,高能電子使氧原子處于激發(fā)態(tài)，退激時(shí)發(fā)出淺綠色或深紅色的光： O + e- * O* + e- O* O + 光,3.2.6元素的特征焰色,鹽酸與鹽類的粉末反應(yīng)生成氯化物,在火焰上很容易蒸發(fā),并被激發(fā)到高能態(tài)上,在返回基態(tài)時(shí),一些元素便發(fā)射出 特征焰色。 可用于煙花制作。,4分子的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷產(chǎn)生顏色,4.1分子光譜簡(jiǎn)介 1. 分子光譜類型 (1)電子光譜 由分子中價(jià)電子的躍遷產(chǎn)生的光譜稱之為電子光譜,一般在紫外-可見(jiàn)光區(qū),用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)分析. 對(duì)物質(zhì)的顏色起主要的決定作用.,(2)振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜 由分子的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生的光譜,一

12、般在紅外區(qū),用紅外或拉曼光譜儀研究. (3)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜 由分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生的光譜,一般在微波區(qū),用微波波譜儀研究.,4.2 振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生的顏色,1.氫鍵與水和冰的結(jié)構(gòu) 氫鍵以XYY表示。 氣態(tài)時(shí)，單個(gè)水分子的結(jié)構(gòu)是OH鍵長(zhǎng)95.72pm, HOH夾角104.50，在冰、水或水化物晶體中，H2O分子為按四面體方向分布的電荷體系。,常壓下，六方晶系的冰-Ih ，晶胞參數(shù)為：a=452.27pm, c=736.71pm晶胞中含4個(gè)水分子,密度0.9168g/cm3。 冰融化為水，空曠的氫鍵體系瓦解，密度增加，隨溫度升高，熱膨脹使密度降低，所以，40C時(shí)，水的密度最大。 冰融化時(shí)，15%

13、的氫鍵斷裂，200C時(shí)水中氫鍵的數(shù)目約為同量冰中的一半，沸點(diǎn)時(shí)，液態(tài)水中依然有相當(dāng)數(shù)量的氫鍵。,2.大量水與大塊冰的顏色,輕的原子和較強(qiáng)的鍵是提高振動(dòng)頻率的必要條件，使吸收向可見(jiàn)光移動(dòng)。 水的吸收光譜很復(fù)雜，在紅外區(qū)包括一系列窄的強(qiáng)吸收帶，接近可見(jiàn)光區(qū)域，吸收強(qiáng)度快速減弱，從紅外到可見(jiàn)光區(qū)過(guò)渡的光譜的紅端有少量的吸收，表現(xiàn)出它的補(bǔ)色淡淡的藍(lán)色。 冰中的氫鍵比水中多，純凈的大塊冰也是淡藍(lán)色的。 含有氫鍵的其它液體與固體也有淡藍(lán)色。,3.小分子的振動(dòng)與綠柱石的顏色,硅酸鈹鋁(Be3Al2Si6O12),無(wú)色礦物綠柱石僅有的吸收出現(xiàn)在低頻的遠(yuǎn)紅外區(qū),相當(dāng)于晶格振動(dòng)。 由于原子質(zhì)量不小,鍵強(qiáng)度不大,振

14、動(dòng)頻率很低,近紅外區(qū)為一條平平的幾乎沒(méi)有吸收的直線。 所以純凈的、結(jié)構(gòu)緊密的綠柱石無(wú)色。,但結(jié)構(gòu)不夠緊密的硅酸鈹鋁，少量的H2O，CO2等小分子被俘獲在縫隙之中。 由于小分子比較自由的振動(dòng)，以及不同形式的振動(dòng)組合，使得在遠(yuǎn)紅外區(qū)、近紅外區(qū)出現(xiàn)了一系列細(xì)銳的吸收，并一直擴(kuò)展到可見(jiàn)光區(qū)的邊緣，在光譜的紅端有少量的吸收，使無(wú)色的綠柱石產(chǎn)生了淺綠色。,4.鹵素的顏色,1.碘的顏色 分子的價(jià)電子能級(jí)發(fā)生躍遷時(shí),常伴隨振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷,因而其能級(jí)差不是一個(gè)確定的數(shù),而是表現(xiàn)為多個(gè)彼此相差很小的數(shù)值。 碘遇到高能輻照時(shí)，在449nm以外出現(xiàn)連續(xù)吸收，固體碘幾乎為黑色。,2. 氯和溴的顏色 分子的共價(jià)

15、鍵長(zhǎng)Cl-Cl Br-Br I-I, 鍵能較大的氯氣分子吸收高能量的藍(lán)紫色光,顯黃綠色,而鍵能稍小的溴分子吸收藍(lán)綠色光，分子狀的溴蒸氣表現(xiàn)為淡紅棕色。 氯、溴以液態(tài)存在時(shí)，分子間距離減小，范德華力增加，顏色加深。,5.熒光與磷光,(1)熒光 原子或分子吸收光子被激發(fā)到高能級(jí)的激發(fā)態(tài),經(jīng)多種輻射失活而回到基態(tài),失去的能量相當(dāng)于非輻射躍遷或內(nèi)部轉(zhuǎn)換躍遷,因而發(fā)射具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光,稱為熒光。 熒光發(fā)射過(guò)程中沒(méi)有多重度的改變。,(2)磷光 原子或分子吸收光被激發(fā)到高能激發(fā)態(tài)(如單重激發(fā)態(tài)S1)后,該分子在激發(fā)態(tài)S1與基態(tài)S0之間還有三重激發(fā)態(tài),則激發(fā)態(tài)分子躍遷回基態(tài)時(shí),需經(jīng)過(guò)介穩(wěn)定的三重態(tài)(T1)再返回基態(tài)(S0),