金属的光泽从哪里来?

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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。

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海洋,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。

金属的光泽从哪里来?

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海洋中掀起一波涟漪,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。

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。

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。

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