Ich habe kürzlich erfahren, dass Gold seine gelbe Farbe erhält, weil Elektronen im 5d-Orbital „blaue“ Photonen absorbieren und in das 6s-Orbital übergehen. Der Abfall am blauen Ende des visuellen Spektrums lässt das reflektierte Licht gelb erscheinen.
Das ist in Ordnung, wirft aber eine Reihe von Fragen auf, auf die ich keine Antworten finden konnte. Ich werde weiterhin Gold als laufendes Beispiel verwenden, aber ich kann mir vorstellen, dass es allgemeinere Implikationen gibt:
Das 6s-Orbital kann 2 Elektronen aufnehmen, aber ein Platz ist bereits im Grundzustand für Gold belegt. Jedes Goldatom kann also effektiv ein "blaues" Photon absorbieren, ja? Was passiert also, wenn das nächste „blaue“ Photon daherkommt?
Wenn das Elektron in 6s in seinen Grundzustand in 5d zerfällt, muss es ein Photon emittieren. Welche Wellenlänge hat dieses Photon? Sollte es nicht ziemlich nah an dem "blauen" Photon sein, das es ursprünglich angeregt hat? Sollte dies nicht den Effekt auf die Gesamtfarbe von Gold zunichte machen?
Was ist die Beziehung zwischen (1) und (2) oben? Wie schnell kehrt ein Elektron in den Grundzustand zurück und wie viele „blaue“ Photonen kann ein Goldatom pro Sekunde aufnehmen?
Das 6S-Orbital der äußeren Schale ist deutlich größer als die anderen, und die äußeren Orbitale benachbarter Atome hybridisieren, um ein Band mit einer kontinuierlichen Energieverteilung zu bilden, das um die Energie des 6S-Orbitals eines isolierten Au-Atoms zentriert ist. Dieses halb gefüllte Band (halb gefüllt, weil der Grundzustand eines isolierten Atoms ein 6S-Elektron hat) macht Au zu einem Leiter. Das Leitungsband beschreibt das leitfähige Meer von Elektronen, die sich zwischen den Au-Atomkernen ausbreiten und im Allgemeinen nicht fest an einen Au-Kern gebunden sind.
Dies bedeutet, dass es in einer makroskopisch großen Au-Probe ein Kontinuum verfügbarer Zustände gibt, in die die 5D-Elektronen angeregt werden können, und so gibt es einen Bereich von blauem Licht, das absorbiert werden kann, nicht nur eine einzelne isolierte Wellenlänge. Nicht das gesamte blaue Licht, das auf ein Stück Au auftrifft, wird absorbiert, aber genug davon wird absorbiert, um diesen Teil des Spektrums zu erschöpfen, wodurch die goldene Farbe des reflektierten Lichts zurückbleibt.
Bei diesem Prozess muss ein bestimmtes Photon nicht mit einem einzelnen Atom interagieren, auf das es abzielt. Die Wellenlänge des Lichts ist viel länger als der Abstand zwischen den Atomen, sodass selbst ein sehr schmaler blauer Lichtpuls immer noch auf eine Region fällt, die viele Atome enthält. Wenn ein 5D-Elektron von jedem einzelnen oberflächennahen Atom in das 6S-Leitungsband befördert würde, würde die Absorption tatsächlich aufhören, aber wenn Sie das Au nicht extrem intensivem Licht aussetzen, tritt dies im Wesentlichen nie auf, da die Elektronen im 6S-Band fallen schnell zurück in die 5D-Orbitale.
Manchmal wird dieser Übergang zurück in den 5D-Zustand von der Emission eines blauen Photons begleitet, das die zuvor aufgetretene Absorption im Wesentlichen aufhebt. Wenn jeder Übergang zurück in den 5D-Zustand auf diese Weise ausgestrahlt würde, würden Sie keine goldene Nettofarbe erhalten, da sich die absorbierten und reemittierten Photonen schnell ausgleichen würden. Es ist jedoch auch möglich, die Elektronen im 6S-Band auf andere Weise abzuregen. Insbesondere kann ein Elektron mit einem Atomkern kollidieren und eine Schwingung im Kerngitter (ein Phonon) anregen. (Die Tatsache, dass die 6S-Orbitale in einem Band verteilt sind, trägt tatsächlich auch dazu bei, diese Art der Kollisionsentregung zu erleichtern.) Bei dieser Art von Prozess erfolgt die Nettoenergieübertragung vom ursprünglichen blauen Photon in Gitterschwingungen , oder Hitze.