金属一定有金属光泽吗(金属为什么有金属光泽)
金属一定有金属光泽吗(金属为什么有金属光泽)宏观物体有一个固有频率,只与物体自身有关,而与外力无关,比如无论怎么敲打玻璃杯,玻璃杯发出的声音频率都一样;等离子受高频电磁波扰动而振荡时也会有一个固有频率,称为「等离子体频率」,它只与等离子体中的自由电子密度有关,而与电磁波的强度无关——但接下来的事情就与宏观世界非常不同了。 首先的,光也是电磁波,一组交互变换的电场和磁场。当它抵达金属表面上的时候,电场部分就会在自由电子的汪洋中掀起一波涟漪,并在此过程中消耗能量——如果用术语描述,就是「电磁波激起了等离子体振荡」。 比如大理石地板抛光后足以映出人的倒影,却仍然一派幽黑;陶瓷也可以做到细腻光滑,却从来不能闪烁银光;而一口破铝锅哪怕用钢丝球磨得一塌糊涂也仍能泛出白花花的光晕——所以显而易见的,材料特性也是影响光反射的重要因素。 中学化学教育我们,金属元素的最外层电子通常较少,易于丢失,表现为强烈的还原性。而在金属晶体内部,这几个外层电子
这既是一个物理问题,也是一个化学问题,但归根结底是个物理问题。
实际上,金属光泽就是强烈的镜面反射,只要能将大量入射光线集中地反射回来,就会产生金属光泽,水面上的油渍甚至昆虫的外骨骼都有这样能力。然而相比其它各种材料,金属的镜面反射能力就格外值得一提了。
这是一只吉丁虫的鞘翅、胸板和盾片。甲虫的外骨骼常常格外光滑,能产生金属的质感
镜面反射大概算得上是中学物理最简单的概念,我们对它的理解往往集中于“反射面非常光滑”这一点上。然而简单想一想,并非所有材料经过抛光都能像金属那样熠熠生辉:
比如大理石地板抛光后足以映出人的倒影,却仍然一派幽黑;陶瓷也可以做到细腻光滑,却从来不能闪烁银光;而一口破铝锅哪怕用钢丝球磨得一塌糊涂也仍能泛出白花花的光晕——所以显而易见的,材料特性也是影响光反射的重要因素。
中学化学教育我们,金属元素的最外层电子通常较少,易于丢失,表现为强烈的还原性。而在金属晶体内部,这几个外层电子会被金属原子「放弃」,在整个晶体内部构成一个自由电子的汪洋,相当于一个弥漫的等离子体——这不仅给金属带来了良好的导电性,还带来了对可见光强大的反射能力。前者比较简单,在中学课上就已经讲过;而要理解它们对可见光的反射,就需要一些额外的扩展知识了。
金属晶体中自由电子的示意图——它们在常温下做无规则运动,但是在外加电场下可以定向运动,形成电流
首先的,光也是电磁波,一组交互变换的电场和磁场。当它抵达金属表面上的时候,电场部分就会在自由电子的汪洋中掀起一波涟漪,并在此过程中消耗能量——如果用术语描述,就是「电磁波激起了等离子体振荡」。
宏观物体有一个固有频率,只与物体自身有关,而与外力无关,比如无论怎么敲打玻璃杯,玻璃杯发出的声音频率都一样;等离子受高频电磁波扰动而振荡时也会有一个固有频率,称为「等离子体频率」,它只与等离子体中的自由电子密度有关,而与电磁波的强度无关——但接下来的事情就与宏观世界非常不同了。
在我们的经验里,外力施加给振子,无论大小都能让振子运动起来,只是振幅不同;但是在微观世界里,量子效应就会表现出来:电磁波既是波也是粒子,这种粒子就是光子,它的能量由电磁波的频率唯一决定。
一个光子进入等离子体,必须消耗能量激发一个等离子体频率的等离子振荡,剩下的能量才会继续传播;而如果一个光子的能量不足以激发这样一个振荡,就会被原封不动地弹开,无论多少光子都没有区别,不像宏观世界里那样可以累积起来。
换句话说,一个光子轰击在金属表面上,当且仅当它的频率大于等离子体频率才能被吸收,否则就会反射走。然而等离子体中的自由电子密度相当大,这就让金属中的等离子体频率相当高,通常要达到紫外线波段,频率更低的可见光就会被强烈反射——所以在同样的光滑程度下,金属对可见光的反射能力就比一般材料高出数倍。
几种金属对不同波段电磁波的反射能力,在 0.4 微米到 0.7 微米的可见光范围都有很高的反射率
但是出于另外一些更加复杂的机制,有些金属还能吸收某些特定波段的可见光,于是显出特有的颜色。
比如金出于相对论效应,可以吸收蓝紫色光,显出明亮的黄色;铜由于两个亚电子层之间的电子跃迁,可以吸收蓝色到黄绿色的光,表现出端庄的红色,而且比其它的金属暗一些——像这样有颜色的金属单质还有银金色的铯和蓝色的锇。
人工结晶的 99.99%高纯度金晶体
天然铜是铜的单质矿物
所以可以预料,其它含有大量自由电子的材料也可能显出金属光泽,比如石墨由于独特的蜂窝状片层结构,每个碳原子都有一个富余的电子,这些电子几乎是自由的,所以煤炭铅笔芯都有一种闪闪发光的色泽。
而对于那些非常缺乏自由电子的材料,比如各种绝缘体,电磁波就不会遭遇这样的等离子体振荡,直接作用于材料的价电子,引起电子跃迁,消耗一部分能量,在宏观上通常表现为某些频率的可见光被吸收了——这不但让这些材料反光率更低,也让这些材料的颜色较金属更加丰富。
另外,还有一些材料,比如玻璃和许多晶体,能通过一系列的耦合作用,把光子传递到材料的另一侧,就表现为透明——这将涉及更加复杂的物理过程,这里就不再赘述了。
堇青石是一种硅酸盐晶体,有很强的透光性,而且对不同偏振方向的光有不同的折射率,所以在不同的方向