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1、第三章第三章 简单能简单能级跃迁产生的级跃迁产生的颜色颜色l 3.1 白炽产白炽产生的颜色生的颜色l3.1.1 黑体辐射黑体辐射l3.1.2白炽与白炽光源白炽与白炽光源l1. 白炽白炽l物体仅由其温度高到一定程度而产生物体仅由其温度高到一定程度而产生的光的光,称为白炽称为白炽.l温度的升高来自于发光物体能量的增加。温度的升高来自于发光物体能量的增加。l高温下高温下,组成物质的原子与分子发射出它组成物质的原子与分子发射出它们的部分能量成为光子。们的部分能量成为光子。l随温度的升高随温度的升高,产生的焰色序列为产生的焰色序列为 : 红红 , 橙橙,黄黄, 白白 ,蓝白色。蓝白色。2. 白炽光源白炽
2、光源l(1) .烛光烛光l蜡的主要成分是硬脂酸蜡的主要成分是硬脂酸 (C17H35COOH)与蜜蜡的混合物。与蜜蜡的混合物。l烛心处不完全燃烧，产生直径烛心处不完全燃烧，产生直径30nm的的碳粒子，外焰燃烧的热使其变为白炽，碳粒子，外焰燃烧的热使其变为白炽，发射出黄色的烛光，最终产物是发射出黄色的烛光，最终产物是CO2 与与H2 O。l（2）煤气灯）煤气灯l（3）电石灯）电石灯l（4）石灰光）石灰光l 1816年发现，当石灰受炽热火焰的加热年发现，当石灰受炽热火焰的加热时，会发射出非常辉煌的光。时，会发射出非常辉煌的光。l（5）白炽灯）白炽灯l 1878年年Edison与与Swan几乎同时发明
3、，钨几乎同时发明，钨具有高熔点（具有高熔点（3380 0C）和很低的蒸发率，和很低的蒸发率，掺入少量硅、铝、钾等可增加灯丝韧度。掺入少量硅、铝、钾等可增加灯丝韧度。l（6）水晶）水晶-卤素灯卤素灯l灯泡由石英制成，充满惰性气体，加灯泡由石英制成，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复均匀的厚度，增加寿命并使产生的光更接近白光。光更接近白光。3.1.3 色温的概念与应用色温的概念与应用l彩色感觉
4、既决定于人眼对可见光谱中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的不同成分有不同的视觉功能,又决又决定于光源所含的光谱成分以及景物反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。射和吸收其中某些成分的特性。l为便于比较光源的光谱成分和进行色为便于比较光源的光谱成分和进行色度计算，引入度计算，引入“色温色温”的概念。的概念。l1.色温的定义色温的定义:l某一光源辐射的光，与某一特定温度下某一光源辐射的光，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黑体的这一特定温度就定义为该光源的色温。色温
5、。l色温表示光源的色光成分。色温表示光源的色光成分。l色温越低，光线越带红色，色温越高，色温越低，光线越带红色，色温越高，光线越带蓝色。光线越带蓝色。l色温的单位是绝对温度色温的单位是绝对温度K。l2. 色温的性质色温的性质:l色温用来描述光源的光辐射特性色温用来描述光源的光辐射特性 , 或光或光源的色光成分。源的色光成分。l光谱成分影响物体的颜色却不是描述物光谱成分影响物体的颜色却不是描述物体的颜色。体的颜色。l色温表示的是光源的色光成分色温表示的是光源的色光成分,而不是光而不是光源本身的实际温度。源本身的实际温度。l太阳的色温不是恒定的，其表面温度达太阳的色温不是恒定的，其表面温度达570
6、0 0C，早晨色温约早晨色温约2000K，上午上午10时时和下午和下午4时色温约时色温约4800K，正午接近正午接近6000K。l3. 影响色温的因素影响色温的因素l(1)辐射物体的温度辐射物体的温度l温度越高温度越高,辐射物体的高频色光成分越辐射物体的高频色光成分越多多.l(2)辐射物体自身的特性辐射物体自身的特性l辐射物体的种类、结构、性能不同，辐辐射物体的种类、结构、性能不同，辐射光的情况差别很大。射光的情况差别很大。l4. 色温校正色温校正l校正色温一般用滤光镜。校正色温一般用滤光镜。l提高色温提高色温,用蓝色滤光镜用蓝色滤光镜;l降低色温降低色温,用黄色或橙色滤光镜。用黄色或橙色滤光
7、镜。l其他其他:l（1）棕镜）棕镜:能更好地突出日出和黄昏的气氛，能更好地突出日出和黄昏的气氛，产生奇妙的艺术效果。产生奇妙的艺术效果。 l（2）增强镜拍摄红花、秋天的红叶时使用，）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。会使图象产生娇艳、迷人的色感。l（3）珊瑚色镜主要用途是改善人物的肤色，）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简单激发产生的颜色l原子中电子能级之间跃迁产生光的概念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。是气体激发产生颜色的核心。l3.2.1 原子光谱简介原子光谱简介l1. 原子光谱是获得原子
8、中电子层结构的原子光谱是获得原子中电子层结构的重要手段。重要手段。l2. 跃迁选率跃迁选率l原子受激发原子受激发,并非任何两个能级之间都可并非任何两个能级之间都可以发生跃迁以发生跃迁, 根据原子光谱项根据原子光谱项,要满足一要满足一定的选律定的选律:3.2.2 气体放电与相关颜色气体放电与相关颜色l1. 气体放电气体放电l18世纪发现世纪发现,气压计中水银柱上方的真空气压计中水银柱上方的真空区域能看到绿色辉光区域能看到绿色辉光,这是水银蒸汽原子这是水银蒸汽原子产生的静电激发、放电；产生的静电激发、放电；l1835年年Faraday，1860年年Geissler都发现：都发现：接近真空的管子中有
9、电导并发光，颜色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。取决于管中残余气体的性质。l2.广告霓虹灯广告霓虹灯l稀有气体放电稀有气体放电l1910年年,法国人法国人Claode把把Geissler管发管发展成氖管展成氖管,中心区域很窄以限制其放中心区域很窄以限制其放电并增加亮度。电并增加亮度。 l l氖或氖或 氖与少量氩产生红光；氖与少量氩产生红光；l氩或氩与水银产生蓝光；氩或氩与水银产生蓝光；l氦产生黄光氦产生黄光l氪产生浅紫光氪产生浅紫光 价格昂贵价格昂贵l氙产生蓝氙产生蓝 利用有色灯泡利用有色灯泡,还可以改变颜色。还可以改变颜色。l3. 稀土卤化物灯稀土卤化物灯l灯泡内
10、除放电气体外还有稀土碘化物灯泡内除放电气体外还有稀土碘化物,如镝钬碘化物如镝钬碘化物(称镝钬灯称镝钬灯).l气体高压放电时气体高压放电时,碘化物分解出镝、钬碘化物分解出镝、钬原子并被激发至高能态，返回基态是发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，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。用于外景拍摄及大面积照明。l4. 金属蒸汽灯金属蒸汽灯l(1) 钠蒸汽灯钠蒸汽灯l钠光中一半为黄色钠光中一半为黄色.加入少量氖气加入少量氖气,气体气体放电放电,促使钠气化钠灯的颜色从氖的粉促使
11、钠气化钠灯的颜色从氖的粉红变为钠的黄色红变为钠的黄色,增加钠的温度与压力增加钠的温度与压力,使用氧化铝管使用氧化铝管,可得到近于白色的光。可得到近于白色的光。l(2)水银蒸汽灯水银蒸汽灯l纯水银灯发出黄、绿、紫光，不可见紫纯水银灯发出黄、绿、紫光，不可见紫外线几乎占总发射量的外线几乎占总发射量的50%，改善方法，改善方法是灯内涂以磷光体，使其吸收紫光与紫是灯内涂以磷光体，使其吸收紫光与紫外光，并转变成可见光。外光，并转变成可见光。3.2.3 太阳光谱中的太阳光谱中的Fraunhofer谱线谱线l太阳是光的发射体，太阳输出的能量最初太阳是光的发射体，太阳输出的能量最初始的起源在太阳内部。始的起源
12、在太阳内部。l太阳每秒钟的辐射能是太阳每秒钟的辐射能是3.8 1026J,相当于相当于6.1 108吨的氢原子核参加的核聚变反应吨的氢原子核参加的核聚变反应(太阳的总质量是太阳的总质量是1.99 1027吨吨)。l1000克氢原子核完全参加聚变反应释放能克氢原子核完全参加聚变反应释放能量为量为6.3 1014J,相当于把相当于把150万吨万吨0 0C的水的水加热到加热到100 0C所需的热能。所需的热能。l1814年，年，Fraunhofer用窄的缝隙仔细研究了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。的某些光被吸收掉了
13、。l太阳发射的辐射能应是连续光谱，通过气态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谱线。暗线对应的是某些物质特定能级间的跃迁。定能级间的跃迁。l最早发现的是最早发现的是D1，D2谱线，相当于钠的黄色谱线，相当于钠的黄色谱线谱线,即钠原子即钠原子3P（2P1/2，2P3/2）3S（2S1/2)发生的跃迁。发生的跃迁。l以这种方式，在太阳表面已识别出以这种方式，在太阳表面已识别出60多种多种元素。元素。l1868年日食时刻，发现黄色年日食时刻，发现黄色D3谱线，它不谱线，它不是钠
14、的跃迁，也不是已知元素的谱线，是是钠的跃迁，也不是已知元素的谱线，是一种新的元素一种新的元素氦。氦。l物理学家分析光谱、光谱线，可以得到光物理学家分析光谱、光谱线，可以得到光源处物质的温度、密度、化学成分、磁场，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。获取光源物质运动的信息。l日食时，日食时，Fraunhofer谱线以明亮谱线出现。谱线以明亮谱线出现。3.2.4 太阳色球与日冕太阳色球与日冕l色球层是太阳大气的中层，日冕是太阳最色球层是太阳大气的中层，日冕是太阳最外面的大气。外面的大气。l日冕气体是磁化的高温等离子体。日冕气体是磁化的高温等离子体。l太阳色球层最强的辐射是
15、：太阳色球层最强的辐射是：l氢原子发射的波长为氢原子发射的波长为656.28nm的红光的红光,称称色球的色球的H 谱线辐射谱线辐射;l发射深紫光的是钙电离发射深紫光的是钙电离393.37nm的的K谱线谱线;和波长和波长396.85nmH谱线谱线.l与日冕对应的谱线主要是与日冕对应的谱线主要是:l铁、钙、镍等原子失去铁、钙、镍等原子失去914个电子成为高个电子成为高次电离离子之后发射的，最亮的是：次电离离子之后发射的，最亮的是：l铁原子第铁原子第13次电离次电离(失失13个电子个电子)波长波长530.3nm的绿线的绿线;l其次是铁原子第其次是铁原子第9次电离次电离,波长为波长为637.4nm的的
16、红线红线;l还有波长为还有波长为596.4nm的黄线。的黄线。3.2.5 太阳风和极光太阳风和极光l由于日冕的高温由于日冕的高温,太阳的重力不足以把日太阳的重力不足以把日冕气体吸引在太阳周围冕气体吸引在太阳周围,形成静止的大气形成静止的大气层层,于是日冕气体要连续地向外膨胀于是日冕气体要连续地向外膨胀,成为成为太阳风。太阳风。l太阳风主要由电子和质子组成太阳风主要由电子和质子组成,也含有一也含有一些离子。些离子。l南北极附近有极光发生南北极附近有极光发生,呈壮观的光弧呈壮观的光弧,带带状或帷幕状状或帷幕状,长度为几千公里长度为几千公里,高度几至几高度几至几百公里百公里,厚度只有几百米厚度只有几
17、百米,出现在海拔出现在海拔100到到1000公里的高度。公里的高度。l最常观察到的极光的颜色是几种深浅不同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。的红色、淡绿色、黄色与极浅的绿色。l具有具有1000到到10000eV能量的电子与高达能量的电子与高达100000eV的质子，沿地球磁场向北极或南的质子，沿地球磁场向北极或南极螺旋式前进。极螺旋式前进。l它们同大气高处的气体原子与分子发生相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受到激发与电离，产生激发态的原子或分子，
18、发射出多种颜色的光。子，发射出多种颜色的光。l氮分子氮分子N2同电子碰撞，同电子碰撞，形成激发态的氮分子离形成激发态的氮分子离子，释放出来高能的电子，释放出来高能的电子，子，N2+不稳定，易结不稳定，易结合电子发出紫外光，紫合电子发出紫外光，紫光与蓝光：光与蓝光：lN2 + e- N2+ + e- +e- *lN2+ + e- N2* + 光光 l被激发的被激发的N2*变成普通氮变成普通氮分子，同时发出粉红色分子，同时发出粉红色光：光：lN2* N2 + 光光 l高能电子使氧原子处于激发态，退激时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：发出浅绿色或深红色的光：lO + e-
19、* O* + e-lO* O + 光光3.2.6元素的特征焰色元素的特征焰色l盐酸与盐类的粉末反应生成氯化物盐酸与盐类的粉末反应生成氯化物,在火在火焰上很容易蒸发焰上很容易蒸发,并被激发到高能态上并被激发到高能态上,在在返回基态时返回基态时,一些元素便发射出一些元素便发射出 特征焰色。特征焰色。l可用于烟花制作。可用于烟花制作。4分子的结构状态与振动与转动跃分子的结构状态与振动与转动跃迁产生颜色迁产生颜色l4.1分子光谱简介分子光谱简介l1. 分子光谱类型分子光谱类型l(1)电子光谱电子光谱l由分子中价电子的跃迁产生的光谱称之由分子中价电子的跃迁产生的光谱称之为电子光谱为电子光谱,一般在紫外一
20、般在紫外-可见光区可见光区,用紫用紫外外-可见分光光度计分析可见分光光度计分析.l对物质的颜色起主要的决定作用对物质的颜色起主要的决定作用.l(2)振动振动-转动光谱转动光谱l由分子的振动由分子的振动-转动能级跃迁产生的光谱转动能级跃迁产生的光谱,一般在红外区一般在红外区,用红外或拉曼光谱仪研究用红外或拉曼光谱仪研究.l(3)转动光谱转动光谱l由分子的转动能级跃迁产生的光谱由分子的转动能级跃迁产生的光谱,一般一般在微波区在微波区,用微波波谱仪研究用微波波谱仪研究.4.2 振动振动-转动能级跃迁产生的颜色转动能级跃迁产生的颜色l1.氢键与水和冰的结构氢键与水和冰的结构l氢键以氢键以XY Y表示。
21、表示。l气态时，单个水分子的结构是气态时，单个水分子的结构是OH键键长长95.72pm, HOH夹角夹角104.50，在冰、，在冰、水或水化物晶体中，水或水化物晶体中，H2O分子为按四面分子为按四面体方向分布的电荷体系。体方向分布的电荷体系。l常压下，六方晶系的冰常压下，六方晶系的冰-Ih ，晶胞参数为：晶胞参数为：a=452.27pm, c=736.71pm晶胞中含晶胞中含4个水个水分子分子,密度密度0.9168g/cm3。l冰融化为水，空旷的氢键体系瓦解，密冰融化为水，空旷的氢键体系瓦解，密度增加，随温度升高，热膨胀使密度降度增加，随温度升高，热膨胀使密度降低，所以，低，所以，40C时，水
22、的密度最大。时，水的密度最大。l冰融化时，冰融化时，15%的氢键断裂，的氢键断裂，200C时水时水中氢键的数目约为同量冰中的一半，沸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。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大量水与大块冰的颜色l轻的原子和较强的键是提高振动频率的必轻的原子和较强的键是提高振动频率的必要条件，使吸收向可见光移动。要条件，使吸收向可见光移动。l水的吸收光谱很复杂，在红外区包括一系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强度快
23、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，表现出它的补光谱的红端有少量的吸收，表现出它的补色色淡淡的蓝色。淡淡的蓝色。l冰中的氢键比水中多，纯净的大块冰也是冰中的氢键比水中多，纯净的大块冰也是淡蓝色的。淡蓝色的。l含有氢键的其它液体与固体也有淡蓝色。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小分子的振动与绿柱石的颜色l硅酸铍铝硅酸铍铝(Be3Al2Si6O12),无色矿物绿柱石无色矿物绿柱石仅有的吸收出现在低频的远红外区仅有的吸收出现在低频的远红外区,相当相当于晶格振动。于晶格振动。l由于原子质量不小由于原子质量不小,键强度不大键强度不大,振动频振动频率很低
24、率很低,近红外区为一条平平的几乎没有近红外区为一条平平的几乎没有吸收的直线。吸收的直线。l所以纯净的、结构紧密的绿柱石无色。所以纯净的、结构紧密的绿柱石无色。 l但结构不够紧密的硅酸铍铝，少量的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。等小分子被俘获在缝隙之中。l由于小分子比较自由的振动，以及不同由于小分子比较自由的振动，以及不同形式的振动组合，使得在远红外区、近形式的振动组合，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
25、端有少量的吸收，使无色的绿柱石产生了浅绿色。了浅绿色。4.卤素的颜色卤素的颜色l1.碘的颜色碘的颜色l分子的价电子能级发生跃迁时分子的价电子能级发生跃迁时,常伴随振常伴随振动能级和转动能级的跃迁动能级和转动能级的跃迁,因而其能级差因而其能级差不是一个确定的数不是一个确定的数,而是表现为多个彼此而是表现为多个彼此相差很小的数值。相差很小的数值。l碘遇到高能辐照时，在碘遇到高能辐照时，在449nm以外出现连续吸以外出现连续吸收，固体碘几乎为黑色。收，固体碘几乎为黑色。l2. 氯和溴的颜色氯和溴的颜色l分子的共价键长分子的共价键长Cl-Cl Br-Br Br-Br I-I,l键能较大的氯气分子吸收高
26、能量的蓝紫键能较大的氯气分子吸收高能量的蓝紫色光色光,显黄绿色显黄绿色,而键能稍小的溴分子吸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收蓝绿色光，分子状的溴蒸气表现为淡红棕色。红棕色。l氯、溴以液态存在时，分子间距离减小，氯、溴以液态存在时，分子间距离减小，范德华力增加，颜色加深。范德华力增加，颜色加深。5.荧光与磷光荧光与磷光l(1)荧光荧光l原子或分子吸收光子被激发到高能级原子或分子吸收光子被激发到高能级的激发态的激发态,经多种辐射失活而回到基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失去的能量相当于非辐射跃迁或内部转换跃迁转换跃迁,因而发射具有较长波长的光因
27、而发射具有较长波长的光,称为荧光。称为荧光。l荧光发射过程中没有多重度的改变。荧光发射过程中没有多重度的改变。l(2)磷光磷光l原子或分子吸收光被激发到高能激发态原子或分子吸收光被激发到高能激发态(如单重激发态如单重激发态S1)后后,该分子在激发态该分子在激发态S1与基态与基态S0之间还有三重激发态之间还有三重激发态,则激发态则激发态分子跃迁回基态时分子跃迁回基态时,需经过介稳定的三重需经过介稳定的三重态态(T1)再返回基态再返回基态(S0),发生的辐射跃迁发生的辐射跃迁称作磷光。称作磷光。l磷光是不同多重度间的辐射跃迁。磷光是不同多重度间的辐射跃迁。l磷光的波长比荧光的长磷光的波长比荧光的长
28、,其强度比荧光弱。其强度比荧光弱。l6.萤火虫的发光机理萤火虫的发光机理(冷光冷光)l萤火虫化学发光的本质萤火虫化学发光的本质:由于荧光素酶的帮由于荧光素酶的帮助助,分子状的氧粘附于荧光素上分子状的氧粘附于荧光素上,形成二氧形成二氧杂环乙烷杂环乙烷,它在脱出它在脱出CO2时时,生成了激发态脱生成了激发态脱羧基荧光素的荧光素酶络合物羧基荧光素的荧光素酶络合物,发出光子使发出光子使萤火虫发光。萤火虫发光。l二氧杂环乙烷开环过程中二氧杂环乙烷开环过程中,分子内部分子内部HOMO-LUMO间轨道相互作用间轨道相互作用,实现了电实现了电子流动子流动,促使键的断裂及促使键的断裂及CO2离去离去,形成激发形成激发态荧光素酶络合物。态荧光素酶络合物。l荧光素酶种类不同荧光素酶种类不同,萤火虫发光颜色不同。萤火虫发光颜色不同。
