Warum sind die meisten Metalle grau/silbern?

Warum erscheinen die meisten Metalle silberfarben, mit Ausnahme von Gold?

Es ist kaum überraschend, dass die Antwort auf diese Frage stark auf der Quantentheorie beruht, aber die meisten Menschen werden überrascht sein zu hören, dass die vollständige Antwort relativistische Überlegungen ins Bild bringt. Wir sprechen also von quantenrelativistischen Effekten.

Das Quantenbit der Geschichte sagt uns, dass die Farbe von Metallen wie Silber und Gold eine direkte Folge der Absorption von Photonen durch d-Elektronen ist. Diese Photonenabsorption führt dazu, dass d-Elektronen in s-Orbitale springen. Typischerweise und sicherlich für Silber weist der 4d→5s-Übergang eine große Energietrennung auf, die ultraviolette Photonen erfordert, um den Übergang zu ermöglichen. Daher haben Photonen mit Frequenzen im sichtbaren Band nicht genügend Energie, um absorbiert zu werden. Da alle sichtbaren Frequenzen reflektiert werden, hat Silber keine eigene Farbe: Es ist reflektierend, eine Erscheinung, die wir als „silbrig“ bezeichnen.

Jetzt der relativistische Teil. Es ist wichtig zu erkennen, dass Elektronen in den s-Orbitalen eine viel höhere Wahrscheinlichkeit haben, sich in der Nähe des Kerns zu befinden. Kernnähe bedeutet klassischerweise höhere Geschwindigkeiten (vgl. Geschwindigkeit der inneren Planeten im Sonnensystem mit der der äußeren Planeten).

Für Gold (mit der Ordnungszahl 79 und daher einem hochgeladenen Kern) übersetzt sich dieses klassische Bild in relativistische Geschwindigkeiten für Elektronen in s-Orbitalen. Infolgedessen gilt für die s-Orbitale von Gold eine relativistische Kontraktion, die dazu führt, dass sich ihre Energieniveaus näher an die der d-Orbitale verschieben (die vom Kern entfernt lokalisiert sind und klassischerweise geringere Geschwindigkeiten haben und daher weniger von der Relativitätstheorie beeinflusst werden). . Dadurch verschiebt sich die Lichtabsorption (bei Gold vor allem durch den 5d→6s-Übergang) vom ultravioletten in den niederfrequenteren blauen Bereich. Gold neigt also dazu, blaues Licht zu absorbieren, während es den Rest des sichtbaren Spektrums reflektiert. Dies verursacht den gelblichen Farbton, den wir „golden“ nennen.

Reflexionsvermögen als Funktion der Wellenlänge. Violettes/blaues Licht entspricht 400 - 500 nm, das rote Ende des sichtbaren Spektrums etwa 700 nm.

Siehe: die Farbe von Gold , relativistische Quantenchemie .

D-Elektronen in Metallen ermöglichen optische Übergänge im sichtbaren Bereich. Sichtbares Licht kann von Elementen mit ungebundenen Valenzelektronen in der d-Schale absorbiert werden. So

Chemie: optisch d->s$^2$Überleitung

• Eisen [Ar] 3d$^6$4s$^2$
• Zinn [Kr] 4d$^{10}$5 Sek$^2$5p$^2$(volle D-Schale)
• Aluminium [Ne] 3s$^2$3p$^1$(ist ein Sonderfall: keine d-Valenzelektronen, aber Aluminiumreflektivität . Ich habe keine andere Erklärung als die Berechnung von Fresnel-Gleichungen. Allerdings kann ich den Grund für diese Unterscheidung nicht verstehen.)
• Blei [Xe] 4f$^{14}$5d$^{10}$6s$^2$6p$^2$(volle D-Schale)
• Zink [Ar] 3d$^{10}$4s$^2$(volle D-Schale)
• Wolfram [Xe] 4f$^{14}$5d$^4$6s$^2$
• Nickel [Ar] 4s$^2$3d$^8$oder 4s$^2$3d$^9$
• Kupfer [Ar] 3$d^{10}$4s$^1$(eine s- und eine volle d-Schale)
• Gold [Xe] 4f$^{14}$5d$^{10}$6s$^1$(eine s- und eine volle d-Schale)

Die glänzenden Metalle, außer Aluminium, haben d-Elektronen. Ein einzelnes s-Elektron und eine volle d-Schale weisen auf ein wichtiges d zu s hin$^2$Orbitalübergang im sichtbaren Spektrum. Eine volle s-Schale wird energetisch bevorzugt. Für das farbige Aussehen von Gold und Kupfer scheint es außer einer ausgeprägten Elektronenkonfiguration keine Erklärung zu geben - zumindest gibt die Chemie keine Antwort.

Physik: Vorzeichenwechsel von$\epsilon(\lambda)$nahe blau

Wenn das absorbierte Licht für das gesamte sichtbare Spektrum reemittiert (eigentlich reflektiert) wird , erscheint das Metall glänzend wie ein Spiegel. Tatsächlich bestehen unsere Badezimmerspiegel aus rückseitig mit Aluminium beschichtetem Glas.

Hier muss die Physik mehr erklären als nur „ist da ein Valenzelektron“. Ein zweiter eher physikalischer Grund beschreibt seinen Ursprung nicht: Reflektivität, aus den Fresnel-Gleichungen heraus

aus dem Drude-Modell für freie Elektronengase für Elektronen (und Elektronendichte).$n_e$) ist für diese Metalle über das gesamte sichtbare Spektrum hinweg hoch. Dieses Vorzeichen ändert sich um$\omega=\omega_p$, Plasmafrequenz ist der Grund für eine Veränderung$\epsilon_r$, also ein sich ändernder Brechungsindex$n$, aufgrund der Fresnel-Gleichungen, eine sich ändernde Reflektivität. Befindet sich diese Veränderung im sichtbaren Spektrum, dann gibt es farbige Reflexe wie Gold.

Blaue Absorption von Gold findet statt, weil für dieses schwere Element die spezielle Relativitätstheorie berücksichtigt werden muss. Siehe oberste Antwort. Kupfer und Gold haben kein hohes Reflexionsvermögen für Blau ($\approx 475\,$nm).

Entnommen aus http://www.webexhibits.org/causesofcolor/9.html

„Die Farbe von Metallen lässt sich durch die Bandtheorie erklären, die davon ausgeht, dass überlappende Energieniveaus Bänder bilden.

In metallischen Substanzen können leere Leitungsbänder mit elektronenhaltigen Valenzbändern überlappen. Die Elektronen eines bestimmten Atoms können sich mit wenig oder ohne zusätzliche Energie in einen Zustand höherer Ebene bewegen. Die äußeren Elektronen sollen „frei“ und bereit sein, sich in Gegenwart eines elektrischen Feldes zu bewegen.

Das höchste von Elektronen besetzte Energieniveau wird als Fermi-Energie, Fermi-Niveau oder Fermi-Fläche bezeichnet.

Oberhalb des Fermi-Niveaus sind Energieniveaus leer (leer am absoluten Nullpunkt) und können angeregte Elektronen aufnehmen. Die Oberfläche eines Metalls kann alle Wellenlängen des einfallenden Lichts absorbieren, und angeregte Elektronen springen auf ein höheres unbesetztes Energieniveau. Diese Elektronen können genauso gut (nach kurzer Zeit) auf das ursprüngliche Energieniveau fallen und ein Lichtphoton der gleichen Wellenlänge emittieren.

Das meiste einfallende Licht wird also sofort an der Oberfläche wieder emittiert und erzeugt den metallischen Glanz, den wir in Gold, Silber, Kupfer und anderen Metallen sehen. Aus diesem Grund sind die meisten Metalle weiß oder silbern, und eine glatte Oberfläche reflektiert stark, da Licht nicht tief eindringen kann.

Wenn die Effizienz von Absorption und Reemission bei allen optischen Energien ungefähr gleich ist, werden alle verschiedenen Farben im weißen Licht gleich gut reflektiert. Dies führt zu der silbernen Farbe von poliertem Eisen und silbernen Oberflächen.

Bei den meisten Metallen erstreckt sich ein einzelnes kontinuierliches Band von Valenzenergien zu „freien“ Energien. Die verfügbaren Elektronen füllen die Bandstruktur bis auf das Niveau der Fermi-Fläche.

Nimmt die Effizienz mit zunehmender Energie ab, wie es bei Gold und Kupfer der Fall ist, erzeugt die verringerte Reflektivität am blauen Ende des Spektrums gelbe und rötliche Farben.

Silber, Gold und Kupfer haben ähnliche Elektronenkonfigurationen, aber wir nehmen sie als ziemlich unterschiedliche Farben wahr .

Gold erfüllt alle Voraussetzungen für eine intensive Lichtabsorption mit einer Energie von 2,3 eV (vom 3d-Band bis über das Fermi-Niveau). Die Farbe, die wir sehen, ist gelb, da die entsprechenden Wellenlängen reemittiert werden.

Kupfer hat eine starke Absorption bei etwas niedrigerer Energie, wobei Orange am stärksten absorbiert und wieder emittiert wird.

Silber . Der Absorptionspeak liegt im ultravioletten Bereich bei etwa 4 eV. Infolgedessen behält Silber gleichmäßig über das sichtbare Spektrum ein hohes Reflexionsvermögen bei, und wir sehen es als reines Weiß. Die niedrigeren Energien, die dem gesamten sichtbaren Farbspektrum entsprechen, werden gleichermaßen absorbiert und wieder emittiert, was Silber zu einer guten Wahl für Spiegeloberflächen macht.

Diese Frage hat noch einen weiteren interessanten Aspekt, der mehr mit Neurowissenschaften als mit Physik zu tun hat: Warum nehmen wir Metalle mit einer neutralen Farbe (z. B. Silber) als grau wahr, warum glänzen sie sogar und spiegeln daher einfach die Farben ihrer Umgebung wider?

Eine Antwort ist, dass solche Metalle immer eine gewisse Rauheit aufweisen und daher Licht aus verschiedenen Winkeln streuen, und diese Strahlen typischerweise einen Bereich von Wellenlängen haben. Das Mischen dieser Wellenlängen neigt dazu, die wahrgenommene Farbe zu entsättigen und bewegt sie in Richtung eines neutralen Tons. Einige einfache Experimente deuten jedoch darauf hin, dass mehr dahintersteckt. Selbst wenn die Oberfläche eine dominante Farbe reflektiert, ist unsere Wahrnehmung der Oberflächenfarbe grau.

Der Grund dafür hängt mit der Art und Weise zusammen, wie das Gehirn Farbinformationen verarbeitet. Die Farbkonstanz sorgt dafür, dass sich unsere Wahrnehmung an die Farbverzerrung der Umgebungslichtbedingungen anpasst: Wir neigen dazu, die Eigenfarbe eines Objekts wahrzunehmen, anstatt die Farbe des von ihm reflektierten Lichts. Das scheinbare Grau metallischer Oberflächen (sowohl glänzend als auch matt) scheint eine interessante Variante dieses Phänomens zu sein.

Beginnen wir damit, was "das Ding ist X in Farbe" im Grunde bedeutet:

Sie bemerken, dass Silber hier keine der Farben ist. Allerdings ist Silber VIEL wie Weiß, wie wir gleich sehen werden.

Es gibt einen weiteren Faktor, der als spiegelnde vs. diffuse Reflexion bezeichnet wird.

Weiß reflektiert alle Wellenlängen diffus (die reflektierten Strahlen gehen in alle Richtungen). Silber (z. B. ein Spiegel) reflektiert alle Wellenlängen spiegelnd (die reflektierten Strahlen prallen gut ab).

Nun, Metalle sehen nicht unbedingt immer wie Spiegel aus – sie sind oft holpriger als das, daher ist ihre Reflexion ein wenig diffus im Gegensatz zu vollständig spiegelnd.

Wie auch immer, der Punkt ist, dass "Silberfarbe" bedeutet, dass "alle Wellenlängen (mehr oder weniger) spiegelnd reflektiert werden".

Warum reflektieren diese Metalle das meiste sichtbare Licht? Weil sie viele freie Elektronen haben (das ist auch der Grund, warum sie gute Leiter sind). Wenn Licht (elektromagnetische Strahlung) auf die Oberfläche eines Metalls trifft, wird es von Elektronen absorbiert, die die Metallatome umkreisen, und wieder emittiert, wenn die Elektronen in eine stabilere Konfiguration zurückfallen. Die Größe der Bandlücken bestimmt, welche Frequenzen absorbiert und emittiert werden.

Ein farbiges Metall wie Gold hat die meisten dieser Eigenschaften, absorbiert aber nur wenig Strahlung im grün-blau-violetten Bereich. Was auch immer es reflektiert, es wird ein bisschen grün-blaues Licht entfernt und das Ergebnis sieht (durch Subtraktion) gelblich-rot aus.

Ein Metall wie Blei hat ebenfalls die meisten dieser Eigenschaften, aber es absorbiert etwas mehr vom gesamten Spektrum, sodass es grau aussieht.

PS Diese Antwort wird von "Ian Pollock, Sci/Phil dilettante" auf quora.com bereitgestellt .

Die Metallbandstruktur ermöglicht die Absorption und Reemission von Licht, wie auf dieser Seite dargestellt.

Metalle sind gefärbt, weil die Absorption und Reemission von Licht wellenlängenabhängig sind. Gold und Kupfer haben ein geringes Reflexionsvermögen bei kurzen Wellenlängen, und Gelb und Rot werden bevorzugt reflektiert. Silber hat ein gutes Reflexionsvermögen, das sich nicht mit der Wellenlänge ändert, und erscheint daher sehr nah an Weiß.

Ein Elektron kann entweder durch Absorption eines Photons oder durch die kinetische Schwingungsenergie des Atoms selbst oder durch Resonanzenergieübertragung von einem benachbarten angeregten Atom auf ein höheres Energieniveau angeregt werden. Ein Elektron in einem angeregten Zustand kann durch die Umkehrung eines der obigen Prozesse in seinen Grundzustand zurückkehren.

In Metallen können Photonen nach der Kollision mit Elektronen gestreut oder von ihnen absorbiert werden, wodurch sie auf höhere Energieniveaus versetzt werden. Bei Metallen mit weißem Metallglanz werden die Photonen im sichtbaren Spektrum von Elektronen im Leitungsband absorbiert und sofort emittiert. In Metallen wie Gold haben die blauen Photonen (was eine schlechte Art ist, Photonen zu kennzeichnen, aber hier mit mir zu tragen) gerade genug Energie, um auch den Übergang von Elektronen vom d-Band zum Leitungsband zu ermöglichen. Und einige dieser Elektronen kehren in ihren Grundzustand zurück, ohne die blauen Photonen zurück zu emittieren. Daher werden dem reflektierten Licht einige der einfallenden blauen Photonen entgehen, was zu einem gelblichen Farbton von Gold führt. In Metallen wie Silber kann der ds-Übergang nicht durch sichtbare Photonen bewirkt werden, sondern nur durch ultraviolette Photonen, deren Abwesenheit dies bewirken kann.