1、第三章 简单能级跃迁产生的颜色,3.1 白炽产生的颜色3.1.1 黑体辐射,3.1.2白炽与白炽光源1. 白炽物体仅由其温度高到一定程度而产生的光,称为白炽.温度的升高来自于发光物体能量的增加。高温下,组成物质的原子与分子发射出它们的部分能量成为光子。随温度的升高,产生的焰色序列为 : 红 , 橙,黄, 白 ,蓝白色。,2. 白炽光源,(1) .烛光蜡的主要成分是硬脂酸 (C17H35COOH)与蜜蜡的混合物。烛心处不完全燃烧，产生直径30nm的碳粒子，外焰燃烧的热使其变为白炽，发射出黄色的烛光，最终产物是CO2 与H2 O。,（2）煤气灯（3）电石灯（4）石灰光 1816年发现，当石灰受炽热
2、火焰的加热时，会发射出非常辉煌的光。（5）白炽灯 1878年Edison与Swan几乎同时发明，钨具有高熔点（3380 0C）和很低的蒸发率，掺入少量硅、铝、钾等可增加灯丝韧度。,（6）水晶-卤素灯灯泡由石英制成，充满惰性气体，加入少量溴或碘。卤素气体在灯泡较冷的区域同蒸发出来的钨反应，把钨迁回灯丝最细部分，使钨沉积，灯丝恢复均匀的厚度，增加寿命并使产生的光更接近白光。,3.1.3 色温的概念与应用,彩色感觉既决定于人眼对可见光谱中的不同成分有不同的视觉功能,又决定于光源所含的光谱成分以及景物反射和吸收其中某些成分的特性。为便于比较光源的光谱成分和进行色度计算，引入“色温”的概念。,1.色温的
3、定义:某一光源辐射的光，与某一特定温度下黑体辐射的光具有相同的特性，则绝对黑体的这一特定温度就定义为该光源的色温。色温表示光源的色光成分。色温越低，光线越带红色，色温越高，光线越带蓝色。色温的单位是绝对温度K。,2. 色温的性质:色温用来描述光源的光辐射特性 , 或光源的色光成分。光谱成分影响物体的颜色却不是描述物体的颜色。色温表示的是光源的色光成分,而不是光源本身的实际温度。太阳的色温不是恒定的，其表面温度达5700 0C，早晨色温约2000K，上午10时和下午4时色温约4800K，正午接近6000K。,3. 影响色温的因素(1)辐射物体的温度温度越高,辐射物体的高频色光成分越多.(2)辐射
4、物体自身的特性辐射物体的种类、结构、性能不同，辐射光的情况差别很大。,4. 色温校正校正色温一般用滤光镜。提高色温,用蓝色滤光镜;降低色温,用黄色或橙色滤光镜。其他:（1）棕镜:能更好地突出日出和黄昏的气氛，产生奇妙的艺术效果。 （2）增强镜拍摄红花、秋天的红叶时使用，会使图象产生娇艳、迷人的色感。（3）珊瑚色镜主要用途是改善人物的肤色，,3.2 原子中简单激发产生的颜色,原子中电子能级之间跃迁产生光的概念,是气体激发产生颜色的核心。3.2.1 原子光谱简介1. 原子光谱是获得原子中电子层结构的重要手段。2. 跃迁选率原子受激发,并非任何两个能级之间都可以发生跃迁, 根据原子光谱项,要满足一定
5、的选律:,3.2.2 气体放电与相关颜色,1. 气体放电18世纪发现,气压计中水银柱上方的真空区域能看到绿色辉光,这是水银蒸汽原子产生的静电激发、放电；1835年Faraday，1860年Geissler都发现：接近真空的管子中有电导并发光，颜色取决于管中残余气体的性质。,2.广告霓虹灯稀有气体放电1910年,法国人Claode把Geissler管发展成氖管,中心区域很窄以限制其放电并增加亮度。,氖或 氖与少量氩产生红光；氩或氩与水银产生蓝光；氦产生黄光氪产生浅紫光 价格昂贵氙产生蓝,利用有色灯泡,还可以改变颜色。,3. 稀土卤化物灯灯泡内除放电气体外还有稀土碘化物,如镝钬碘化物(称镝钬灯).
6、气体高压放电时,碘化物分解出镝、钬原子并被激发至高能态，返回基态是发出各种颜色的光，这些光的组合构成了接近日光的灯光，光效高，传色性能好，用于外景拍摄及大面积照明。,4. 金属蒸汽灯(1) 钠蒸汽灯钠光中一半为黄色.加入少量氖气,气体放电,促使钠气化钠灯的颜色从氖的粉红变为钠的黄色,增加钠的温度与压力,使用氧化铝管,可得到近于白色的光。(2)水银蒸汽灯纯水银灯发出黄、绿、紫光，不可见紫外线几乎占总发射量的50%，改善方法是灯内涂以磷光体，使其吸收紫光与紫外光，并转变成可见光。,3.2.3 太阳光谱中的Fraunhofer谱线,太阳是光的发射体，太阳输出的能量最初始的起源在太阳内部。太阳每秒钟的
7、辐射能是3.81026J,相当于6.1108吨的氢原子核参加的核聚变反应(太阳的总质量是1.991027吨)。1000克氢原子核完全参加聚变反应释放能量为6.3 1014J,相当于把150万吨0 0C的水加热到100 0C所需的热能。,1814年，Fraunhofer用窄的缝隙仔细研究了太阳的光谱，发现一些细锐的暗线，即太阳的某些光被吸收掉了。太阳发射的辐射能应是连续光谱，通过气态物质时，由于特征吸收产生了暗线，称为 Fraunhofer谱线。暗线对应的是某些物质特定能级间的跃迁。最早发现的是D1，D2谱线，相当于钠的黄色谱线,即钠原子3P（2P1/2，2P3/2）3S（2S1/2)发生的跃迁
8、。,以这种方式，在太阳表面已识别出60多种元素。1868年日食时刻，发现黄色D3谱线，它不是钠的跃迁，也不是已知元素的谱线，是一种新的元素氦。物理学家分析光谱、光谱线，可以得到光源处物质的温度、密度、化学成分、磁场，获取光源物质运动的信息。日食时，Fraunhofer谱线以明亮谱线出现。,3.2.4 太阳色球与日冕,色球层是太阳大气的中层，日冕是太阳最外面的大气。日冕气体是磁化的高温等离子体。太阳色球层最强的辐射是：氢原子发射的波长为656.28nm的红光,称色球的H谱线辐射;发射深紫光的是钙电离393.37nm的K谱线;和波长396.85nmH谱线.,与日冕对应的谱线主要是:铁、钙、镍等原子
9、失去914个电子成为高次电离离子之后发射的，最亮的是：铁原子第13次电离(失13个电子)波长530.3nm的绿线;其次是铁原子第9次电离,波长为637.4nm的红线;还有波长为596.4nm的黄线。,3.2.5 太阳风和极光,由于日冕的高温,太阳的重力不足以把日冕气体吸引在太阳周围,形成静止的大气层,于是日冕气体要连续地向外膨胀,成为太阳风。太阳风主要由电子和质子组成,也含有一些离子。南北极附近有极光发生,呈壮观的光弧,带状或帷幕状,长度为几千公里,高度几至几百公里,厚度只有几百米,出现在海拔100到1000公里的高度。,最常观察到的极光的颜色是几种深浅不同的红色、淡绿色、黄色与极浅的绿色。具
10、有1000到10000eV能量的电子与高达100000eV的质子，沿地球磁场向北极或南极螺旋式前进。它们同大气高处的气体原子与分子发生相互作用，碰撞使氮分子、氧分子、氧原子受到激发与电离，产生激发态的原子或分子，发射出多种颜色的光。,氮分子N2同电子碰撞，形成激发态的氮分子离子，释放出来高能的电子，N2+不稳定，易结合电子发出紫外光，紫光与蓝光：N2 + e- N2+ + e- +e- *N2+ + e- N2* + 光 被激发的N2*变成普通氮分子，同时发出粉红色光：N2* N2 + 光,高能电子使氧原子处于激发态，退激时发出浅绿色或深红色的光：O + e- * O* + e-O* O +
11、光,3.2.6元素的特征焰色,盐酸与盐类的粉末反应生成氯化物,在火焰上很容易蒸发,并被激发到高能态上,在返回基态时,一些元素便发射出 特征焰色。可用于烟花制作。,4分子的结构状态与振动与转动跃迁产生颜色,4.1分子光谱简介1. 分子光谱类型(1)电子光谱由分子中价电子的跃迁产生的光谱称之为电子光谱,一般在紫外-可见光区,用紫外-可见分光光度计分析.对物质的颜色起主要的决定作用.,(2)振动-转动光谱由分子的振动-转动能级跃迁产生的光谱,一般在红外区,用红外或拉曼光谱仪研究.(3)转动光谱由分子的转动能级跃迁产生的光谱,一般在微波区,用微波波谱仪研究.,4.2 振动-转动能级跃迁产生的颜色,1.
12、氢键与水和冰的结构氢键以XYY表示。气态时，单个水分子的结构是OH键长95.72pm, HOH夹角104.50，在冰、水或水化物晶体中，H2O分子为按四面体方向分布的电荷体系。,常压下，六方晶系的冰-Ih ，晶胞参数为：a=452.27pm, c=736.71pm晶胞中含4个水分子,密度0.9168g/cm3。冰融化为水，空旷的氢键体系瓦解，密度增加，随温度升高，热膨胀使密度降低，所以，40C时，水的密度最大。冰融化时，15%的氢键断裂，200C时水中氢键的数目约为同量冰中的一半，沸点时，液态水中依然有相当数量的氢键。,2.大量水与大块冰的颜色,轻的原子和较强的键是提高振动频率的必要条件，使吸
13、收向可见光移动。水的吸收光谱很复杂，在红外区包括一系列窄的强吸收带，接近可见光区域，吸收强度快速减弱，从红外到可见光区过渡的光谱的红端有少量的吸收，表现出它的补色淡淡的蓝色。冰中的氢键比水中多，纯净的大块冰也是淡蓝色的。含有氢键的其它液体与固体也有淡蓝色。,3.小分子的振动与绿柱石的颜色,硅酸铍铝(Be3Al2Si6O12),无色矿物绿柱石仅有的吸收出现在低频的远红外区,相当于晶格振动。由于原子质量不小,键强度不大,振动频率很低,近红外区为一条平平的几乎没有吸收的直线。所以纯净的、结构紧密的绿柱石无色。,但结构不够紧密的硅酸铍铝，少量的H2O，CO2等小分子被俘获在缝隙之中。由于小分子比较自由
14、的振动，以及不同形式的振动组合，使得在远红外区、近红外区出现了一系列细锐的吸收，并一直扩展到可见光区的边缘，在光谱的红端有少量的吸收，使无色的绿柱石产生了浅绿色。,4.卤素的颜色,1.碘的颜色分子的价电子能级发生跃迁时,常伴随振动能级和转动能级的跃迁,因而其能级差不是一个确定的数,而是表现为多个彼此相差很小的数值。碘遇到高能辐照时，在449nm以外出现连续吸收，固体碘几乎为黑色。,2. 氯和溴的颜色分子的共价键长Cl-Cl Br-Br I-I,键能较大的氯气分子吸收高能量的蓝紫色光,显黄绿色,而键能稍小的溴分子吸收蓝绿色光，分子状的溴蒸气表现为淡红棕色。氯、溴以液态存在时，分子间距离减小，范德
15、华力增加，颜色加深。,5.荧光与磷光,(1)荧光原子或分子吸收光子被激发到高能级的激发态,经多种辐射失活而回到基态,失去的能量相当于非辐射跃迁或内部转换跃迁,因而发射具有较长波长的光,称为荧光。荧光发射过程中没有多重度的改变。,(2)磷光原子或分子吸收光被激发到高能激发态(如单重激发态S1)后,该分子在激发态S1与基态S0之间还有三重激发态,则激发态分子跃迁回基态时,需经过介稳定的三重态(T1)再返回基态(S0),发生的辐射跃迁称作磷光。磷光是不同多重度间的辐射跃迁。磷光的波长比荧光的长,其强度比荧光弱。,6.萤火虫的发光机理(冷光)萤火虫化学发光的本质:由于荧光素酶的帮助,分子状的氧粘附于荧光素上,形成二氧杂环乙烷,它在脱出CO2时,生成了激发态脱羧基荧光素的荧光素酶络合物,发出光子使萤火虫发光。二氧杂环乙烷开环过程中,分子内部HOMO-LUMO间轨道相互作用,实现了电子流动,促使键的断裂及CO2离去,形成激发态荧光素酶络合物。荧光素酶种类不同,萤火虫发光颜色不同。,
