颜色化学 第二章 物质的结构状态与光学颜色.ppt

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(nB-nG) 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, nB=1.50,nG=1.51的冕牌玻璃,棱镜顶角为400,光线分开0.50 ; 而顶角为600,光线分开0.90. 对于nB=1.75,nG=1.79的重火石玻璃,棱镜顶角400,两条光线分开2.00 , 若顶角为600 ,两线分离角增加到4.90. (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410,红光偏折430.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