Was über eine Oberfläche bestimmt ihre Farbe?

Diese Frage ist zu weit gefasst. Es betrifft ALLE Objekte im Universum, die eine Oberfläche haben, also alles. Ich werde es vermeiden, hier einen Vortrag zu halten.

In einigen Flüssigkeiten und den meisten Gasen reicht die elektronische Struktur jedes einzelnen Atoms oder Moleküls aus, um ihre Spektren zu beschreiben.

Die gesuchte „Eigenschaft“ bei Festkörpern ist die Bandstruktur . Sehen Sie sich diese Seite für eine gute Einführung an, insbesondere den Abschnitt über Isolatoren und Dotierungen. Man kam an den Punkt, an dem man das Spektrum von Festkörpern durch (makroskopische) Parameter anstelle der Atom- und Bandübergänge beschreiben musste (dabei muss man manchmal relativistische Korrekturen berücksichtigen): Absorption und Streuung oder Fluoreszenz . Siehe diese Seite für eine kürzere Erklärung, beachten Sie, dass dies nicht nur für sichtbares Licht gilt. Bei normalem Einfall ist Rückwärtsstreuung "Reflexion", während Vorwärtsstreuung "Übertragung" ist. Die Farbe, die Sie sehen, hängt auch von der Ebenheit der Oberfläche ab, aber dies beeinflusst die Physik der Lichtstreuung nicht.

Eine interessante Tatsache ist, dass Sie sehen konnten (eigentlich können Sie das nicht, dies gilt für Röntgenstrahlen), dass Licht aufgrund des Braggschen Gesetzes an mehr als einem Punkt "reflektiert" wird .

Schließlich könnten Sie gemäß Ihrem OP-Titel mehr über Gitter lesen , bei denen die Oberfläche bearbeitet wird, um Farben gezielt zu manipulieren.

In mehreren Antworten hier wird bereits ausführlich darüber gesprochen, wie sich Elektronenorbitale darauf auswirken, ob ein Photon absorbiert wird oder nicht, aber dies ist nicht die ganze Geschichte. Die Farbe der reflektierten Strahlung ist in der Tat der einzige Faktor, wenn die Oberfläche vollständig flach und perfekt reflektierend ist, mit Ausnahme der Schwarzkörperstrahlung, aber die meisten Oberflächen sind es nicht.

Nehmen Sie zum Beispiel all die lebendigen Farben in einem Pfauenschwanz. Sie können in einer Vielzahl von Grün-, Blau- und anderen Farben erscheinen. Wenn Sie nun dieselben Federn betrachten, nachdem Sie die Oberfläche abgeflacht haben, werden Sie sehen, dass die Pigmente in den Federn tatsächlich braun sind. Diese Art der Färbung ergibt sich aus der Wechselwirkung der mikroskopischen Strukturen mit der Strahlung und wird als Strukturfärbung bezeichnet. Beispielsweise erzeugt eine gitterähnliche Struktur ein Farbmuster, das zum Verlauf des Regenbogens passt, genau wie bei einem richtigen Beugungsgitter-Experiment. Dieselbe Art von Effekt kann auch von Unterschieden in der Reflexionstiefe herrühren, wie es bei Ölverschmutzungen der Fall ist, wodurch sie ebenfalls ein regenbogenartiges Muster reflektieren.

Es gibt auch Schwarzkörperstrahlung, die mit der Temperatur des Objekts verbunden ist. Dieser Effekt bewirkt, dass heißere Objekte einen Teil ihrer Temperaturenergie so abstrahlen, dass heißere Objekte heller und mit einer zu höheren Wellenlängen verschobenen Spitze leuchten.

Interessante Frage. Ich glaube, es muss an den Energieniveaus der Atome der Oberfläche liegen. Ich nehme an, Sie verstehen das Konzept der Atomorbitale - Wenn Licht auf eine Oberfläche trifft, sind die absorbierten Wellenlängen diejenigen, die die richtige Energiemenge enthalten, um Elektronen zum nächsten Orbital zu bewegen.

... Bei einer Google-Suche: Wenn die Energiedifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden möglichen Orbitalzuständen ΔE ist, dann haben die absorbierten Photonen die Frequenz ν = (2πΔE) / h, wobei h die Plancksche Konstante ist.

Ein Material zeigt eine Farbe, wenn Licht von einer Oberfläche reflektiert wird. Wenn eine bestimmte Wellenlänge eine Oberfläche erreicht, wird die Energie$E=\frac{hc}{\lambda}$des Photons der Differenz zweier elektronischer Zustände entsprechen, dann wird es mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit absorbiert. Die Wahrscheinlichkeit, absorbiert zu werden, hängt natürlich von der Dichte der elektronischen Zustände ab.

Wenn ein Photon nicht absorbiert wird, geht es durch das Material. Dieses Material wird dann als transparent für seine Wellenlänge bezeichnet$\lambda$.

Wenn das Photon absorbiert wird, wird es in keine bestimmte Richtung reemittiert. Aber wenn es ins Innere des Materials emittiert wird, wird es wieder absorbiert, daher wird die Richtung zum Äußeren des Materials bevorzugt (weil in dieser Richtung die Photonen nicht absorbiert werden). Diese Wellenlängen werden reflektiert.

Wenn Sie das Material betrachten, sehen Sie ein Spektrum, das aus allen reflektierten Wellenlängen besteht, und das ergibt seine Farbe.

Paul G. Hewitt hat in seinem Buch Conceptual Physics eine großartige, nicht mathematische Beschreibung davon.

Schlagen Sie auf eine Stimmgabel und sie vibriert mit einer charakteristischen Frequenz, ihrer Eigenfrequenz. Die Stimmgabel gibt möglicherweise andere Frequenzen aus, die jedoch schneller gedämpft werden als die Zielfrequenz. Die Dämpfung entzieht der Vibration Energie und wird thermisch, wenn sie nicht zu Schall wird.

Sie können sich viele Dinge vorstellen, die aus winzigen Stimmgabeln bestehen. Auf Metall zu schlagen klingt also anders als auf Holz zu schlagen.

Die Steifigkeit einer Feder kann die Frequenz ihrer Schwingungen bestimmen. Auch hier hat es eine Eigenfrequenz.

Wie diese Beispiele können Sie sich Atome und Moleküle als winzige optische Stimmgabeln vorstellen, die einen Teil des Lichts wieder aussenden und den Rest absorbieren. Etwas Licht geht durch.

Die Farbe, die Sie sehen, hängt von verschiedenen Merkmalen der atomaren und molekularen Wechselwirkungen ab. Wie stark beispielsweise ein Elektron an sein Mutteratom gebunden ist, entspricht in etwa der Steifigkeit einer Feder.

Schwingungen im Allgemeinen können oft durch die Analyse der einfachen harmonischen Bewegung angenähert werden.

Aus diesem Grund konnte Planck die Wechselwirkung der Schwarzkörperstrahlung mit Materie analysieren, indem er annahm, dass die Strahlung mit winzigen "harmonischen Oszillatoren" in der Oberfläche des Schwarzen Körpers wechselwirkt.

Gute Frage - sie eröffnet eine Menge Physik. Mein Lieblingsbeispiel ist: „Warum sehen einige leitende Metalle gold/kupfer/etc. statt grau aus?“ Es stellt sich heraus, dass dies auf relativistische Effekte zurückzuführen ist, die auf die Orbitale der verschiedenen Elektronen wirken.

Dann gibt es den Blauhäher, dessen blaue Farbe eher interferometrisch als absorbierend/reflektierend ist.

und mehr :-)

Bearbeitet, um Informationen über Quantenmechanismen für Farbe in Metallen bereitzustellen. Zitat aus Wikipedia-Seiten,

Die charakteristische Farbe von Kupfer ergibt sich aus den elektronischen Übergängen zwischen den gefüllten 3d- und halbleeren 4s-Atomhüllen – der Energieunterschied zwischen diesen Hüllen ist so groß, dass er orangefarbenem Licht entspricht.

(Referenzen auf der Seite "Kupfer" verfügbar)

Während die meisten anderen reinen Metalle grau oder silbrig weiß sind, ist Gold leicht rotgelb. Diese Farbe wird durch die Dichte locker gebundener (Valenz-)Elektronen bestimmt; diese Elektronen oszillieren als kollektives „Plasma“-Medium, das in Begriffen eines Quasiteilchens namens Plasmon beschrieben wird. Die Frequenz dieser Oszillationen liegt bei den meisten Metallen im ultravioletten Bereich, bei Gold fällt sie jedoch in den sichtbaren Bereich, da subtile relativistische Effekte die Orbitale um Goldatome beeinflussen. Ähnliche Effekte verleihen metallischem Cäsium einen goldenen Farbton.

Zu den Referenzen gehören diese Seite sowie verschiedene Bücher.