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1、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
2、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
3、,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
4、(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 Tynd
5、all)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
6、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(沙尘暴下的日
7、光灯)没有大气,太阳光得不到各种分子、微粒的散射天空一片黑暗，只看到夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。3.丁德尔蓝动物中的蓝色、大多数绿色以及紫色中的蓝色成分，都是由散射产生的。基本的生物散射单元由小散射粒子组成，包括覆盖黑色素的组织气囊、脂肪、蛋白质、角质微粒或鸟嘌呤晶体。,不为粒子散射的光被黑色素吸收，产生蓝色；若黄色被黑色素层反射，产生绿色；弱红色反射，产生紫色。较低级动物中，丁德尔蓝较少，但海蛰、章鱼、昆虫（蜻蜓和某些蝴蝶），某些鱼类、爬行动物、变色龙、蜥蜴、蛇等存在。鸟羽的蓝色和绿色，火鸡的蓝色颈皮。,例：蓝鹊羽毛的结构与散射10m外层是无色透明的角质；下面是一层箱状细胞或蜂窝状组织（气
8、囊，3050nm大小），是活性散射组织；含有黑色素细胞的黑色层。完整的散射结构使蓝鹊的羽毛呈现蓝色。若用酒精浸泡：气囊空间充满液体，失去散射作用，只能看到黑色。蒸干，显出蓝色。若用锤敲打破坏气囊，散射消失，只显黑色。若用H2O2漂白黑色素，蓝色消失，在羽支背面涂上黑色，蓝色恢复。,绿色鸟羽是由于含有叶红素，若萃取出叶红素，羽毛依然显蓝色。哺乳类动物中的丁德尔蓝：猴子的面部、臀部有蓝色和紫色，蓝色由散射形成，紫色是皮肤下血管中的血红蛋白的红色反射与蓝色散射结合的结果。天冷，血管收缩，肤色发青。死亡后失去血红蛋白的作用，紫色变成蓝色。溺水人皮肤经浸泡，散射结构破坏，变白。静脉蓝色，因为它们对表面散
9、射提供了深色的背景；白皮肤的人刮完落腮胡子出现青蓝色，是表层下的黑色须毛的背景提供了散射的条件。,猫或人眼中的淡蓝色是发生在白眼球中的散射所致，随着年龄增大，散射粒子长大，由于米氏散射产生白色，蓝色消失。年老时则出现昏黄。黑色素为散射提供背景，若缺少，眼睛会由于血管中血红蛋白的反衬（掩盖了蓝色）呈现粉红色。香烟吸入即吐出，在光下是丁德尔蓝色，若在肺中停留几秒在吐出，显灰白色。因有水汽凝结，变为米氏散射。,4.宝石中的散射效应(1)月长石正长石与钠长石混熔,内含小粒子,散射.仿制品:富铝尖晶石晶体MgAl10O16,热处理时过量的Al2O3作为一种很精细的能给出强烈闪光的粒子析出.(2)星状刚玉
10、Al2O3中(纯净或含着色杂质)含有精细的金红石TiO2针状物,以1200互相分开、排列,当以圆形或椭圆形拱凸小室的形式切割成半弧面形，三种针状物的反射产生一种六向辐射的星，反射光在小室外交叉，星状图形在表面上漂浮。,(3)星红宝石(氧化铬,配位场效应)星蓝宝石(铁钛元素,电荷转移)红宝石玻璃(胶体金,直径10nm,米氏散射),2.3干涉、衍射与相关颜色,2.3.1干涉效应及其产生的颜色,1.干涉满足一定条件的两个或两个以上的光波,在它们相交的区域,各点光的强度有的加强,有的减弱(甚至抵消为零)这种现象称为光的干涉.,2.薄膜干涉产生的颜色牛顿研究了不同光程差间干涉产生的颜色,程差低于100n
11、m时,所有颜色都被删除,呈现黑色;随着光程差的增大,出现一系列色彩.560nm的程差为一序列,序末为带浅红的颜色.颜色都不是光谱纯的.,大多数虹彩色来自薄膜干涉。单层薄膜干涉:水面油膜，蜻蜓、蝇类、甲虫透明的薄翼；多层薄膜干涉：贝壳、鱼鳞、蛇皮、眼睛、毛发、指甲。背面通常为黑色素层，能吸收非反射光而增强了颜色。大多数非虹彩色来自散射。,2.3.2衍射效应及其产生的颜色,1.衍射由于圆孔、狭缝等限制光波的波阵面，使点（线）光源发出的光波不能按几何光学呈现明晰的影象，光强分布不均匀，出现边缘的弥散现象，称为光的衍射。2.衍射产生的颜色(1)甲虫绒金龟显微镜观察,鞘翅上有一些深约100nm,间隔约1
12、000nm的平行钩纹,光垂直照射时,在360处看到第一级红色光谱.,(2)蛇光照在乌黑发亮的蛇皮上,可看到强烈的彩虹色反射.覆盖表皮的每一鳞片上有稍微凸起的波纹线,平行于中心,凸起之间相距2500nm,垂直方向为900nm.光垂直照射时,第一级红色光谱的角度分别为160和510,相当于在两个方向上间距不同的二维光栅.(3)宝石蛋白石蛋白石是一种大小相等的球体的三维规则排列,球体的活性成分是含有少量水的无定形SiO2,粘和在一起,球体与粘接剂之间存在小的折射率差,固定的排列产生衍射效应颜色晃动.,干涉与衍射产生的颜色主要有两点不同，其一是衍射颜色象衍射光栅那样，决定于层间距离，而干涉的颜色决定于
13、膜的厚度；其二是衍射发生的色彩随方向变化而强烈地变化，色彩仅在直射光中看到，表现为虹彩色，而干涉产生的颜色其色彩随方向变化适度地变化，一般也表现为虹彩色，但变化不剧烈。大多数非虹彩色来自散射。3.彩色珍珠加入氮化铌，可以使珍珠呈黑色；加氮化钛可呈金黄色，加氧化铬可呈绿色。,制作彩色珍珠不正当的方法:浸泡添加方法：浸入高锰酸中形成棕色；浸入碱与钴盐混合液中形成红色；浸入红染料的酒精溶液中形成玫瑰色；化学反应法 TiCl4+CH4 TiC（碳化钛，金黄色）化学镀色法 Cu2（OH）2CO3（碱式碳酸铜，浅绿色）白珍珠浸入稀硝酸银和氨水溶液中，然后在硫化氢气体中使之变黑。辐射法 用Co60放射的射线
14、照射20分钟，变为蓝灰色。,成色不好的珍珠也可以通过化学方法漂白，常用的漂白剂有过氧化氢（H2O2），将珍珠浸泡在过氧化氢液中几天到十几天，维持400C，同时暴露在阳光下经紫外线照射，会变成银白色。4.多彩的欧泊欧泊的主要成分是含水的二氧化硅（SiO2）集合体，欧泊内部存在着球状的SiO2，它们的直径大约150nm400nm之间。能观察到变彩效应的欧泊，其直径在175300nm。SiO2采用密堆积结构,孔隙中是水分子的栖居场所，欧泊的含水量可由3%到18%,5.宝石的猫眼效应矿物内部存在大量细小、密集、平行排列的丝状金红石矿物包裹体，丝状物的排列方向平行于金红石宝石矿物晶胞C轴方向,类似衍射光栅的作用,产生特殊的衍射效果。,
