发色的化学机理和色料
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第一章 光学材料
教四225 © 2012.03
1.2 发色的化学机理和色料
材料化学
1.2 发色的化学机理和色料
一、 原子激发和分子振动 1. 原子中电子激发跃迁
当一块固体物质加热时，物质不仅热辐射增加，而且辐射中短波成分 相对增加，逐渐地变红发光。
教四225 © 2012.03
材料化学
表2 加热温度和热辐射的颜色
Байду номын сангаас
教四225 © 2012.03
材料化学
教四225 © 2012.03
材料化学
教四225 © 2012.03
材料化学
教四225 © 2012.03
材料化学 阿根廷冰川国家公园
The blue green light of natural gas burning on a kitchen burner emitted by an oxygen-rich gas flame as seen on a kitchen range also involves such combination vibrational, rotational, and electronic excitations in the unstable molecules CH and C2.
教四225 © 2012.03
材料化学
元素 锂 钠 钾 钙 锶 钡
表3 火焰的颜色
颜色 深红 黄 紫 橙红 紫红 黄绿
发射波长/nm
601，671
589
405，767
423，559，616
408，461，606， 687
487，514，543， 553，578
一些金属的焰色
Li
Na
K
Cs
Rb
一些金属的焰色
教四225 © 2012.03
材料化学
过渡金属原子能级在配位场中的变化
带5个结晶水的硫酸铜（CuSO4•5H2O）呈蓝色，而无水硫酸铜晶体 （CuSO4）为无色物质，这是由于在这两种晶体中Cu2+的配位体和配位情况 不同。类似的状况在其他盐类中也常出现。
过渡金属原子能级在配位场中的变化
色彩绚丽的矿石、宝石、涂料和颜料等，其中许 多是由过渡金属化合物形成的。在化合物中，过渡金属 离子处于不同的配位场，由于配位的几何形式不同、配 位场的强弱不同，d轨道或f 轨道能级分裂的状况以及 能级中电子的排布不一样，电子在能级间跃迁所产生的 颜色就有差别。同样一种元素的原子，在不同条件下产 生不同的颜色。
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材料化学
Al2O3
Cr2O3
红宝石
过渡金属原子能级在配位场中的变化
例如，Cr2O3呈绿色，当把少量Cr2O3掺入刚玉（Al2O3，白色粉末）中， 由于Cr2O3和Al2O3结构相似，Cr3+置换Al3+时，Cr3+周围6个O原子的配位不变，但因 为Al3+比Cr3+略小一点，配位场强弱产生变化，呈现了红色，称为红宝石。通常将 这种掺Cr3+的刚玉用化学式Al2O3：Cr3+表示。
WHY IS WATER BLUE?
J. Chem. Edu., 1993, 70(8), 612
分子的振动和转动
分子中原子间的振动会导致颜色的出现。例如 水和冰中，分子之间有氢键连接。水的吸收光谱是很 复杂的，在红外区域有一系列强吸收带，在接近可见 光区域，很快减弱，但仍有吸收，这种红色吸收的余 色为蓝色。清澈见底的深水显淡蓝色，纯净的大块冰 的颜色也是淡蓝的。
温度 /℃
＜700
700
1700
2500
4500
＞ 10000
颜色 黑色 红色 橙色 黄色 白色 蓝白色
原子中电子激发跃迁
气态原子或分子受到激发，电子由基态跃迁到激发态。在激发态 不稳定又返回基态并发射出光。
当燃烧的物质中含有钠原子，受激至高能态再返回基态时发出波长为 589.6和589.0nm的黄光，火焰呈黄色。
Ca
Ba
Cu Sr
原子中电子激发跃迁
利用原子中电子跃迁发射出不同颜色的光，在化学中可通过焰 色识别化学成分。若定量地测定波长和强度的分布，则发展成原子发射光 谱分析。利用原子发射光的颜色，可制造色彩绚丽的焰火，增添节日的喜 庆气氛。
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材料化学
原子发射光谱分析
色彩绚丽的焰火
和双原子分子的振动和转动有关的吸收，也会 出现颜色，例如氯气的绿色和碘蒸气的紫色。
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材料化学
WHY IS WATER BLUE?
The bent water molecule H2O in the free state has three fundamental vibrations: (a) the symmetrical stretch, (b) the symmetrical bend, (c) the antisymmetrical bend.
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材料化学
红宝石
红宝石的英文名称为Ruby，源于拉丁 文Ruber，意思是红色。红宝石的矿物名称 为刚玉。
红宝石的化学成分为三氧化二铝，因 含微量元素铬（Cr3+ ）而成红至粉红色。 属三方晶系。晶体形态常呈桶状、短柱状、板状等。集合体多为粒 状或致密块状。透明至半透明，玻璃光泽。折光率1.76-1.77，双 折射率0.008-0.010。二色性明显，非均质体。有时具有特殊的光 学效应-星光效应，在光线的照射下会反射出 迷人的六射星光，俗称“六道线”。硬度为9， 密度3.95-4.10克/立方厘米 。无解理，裂理 发育。红宝石在长、短波紫外线照射下发红色 及暗红色荧光。
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材料化学
可含微量的Fe、
刚玉
刚玉的化学成分为Al2O3，
Ti或Cr等元素，晶体属三方晶系的氧化物矿物。
晶体一般为蓝灰、黄灰、红和绿色，含少量的铬
呈红色，含少量的铁和钛呈蓝色，红宝石和蓝宝
石是透明的红色和蓝色宝石级刚玉的别称。单晶
多呈桶状双锥形，或双锥与底板面的聚形，较少为厚板状，晶面上
常有斜纹或横纹。集合体呈粒状或致密块状。玻璃光泽，无解理，
裂理发育，摩氏硬度9，比重3.98。
刚玉常世界著名产地有俄国的乌拉尔山脉、南非的德兰士瓦、
加拿大的安大略、土耳其的士麦那、希腊的纳克索斯。而宝石级的
砂矿刚玉主要产于缅甸、斯里兰卡、泰国、坦桑尼亚、美国蒙大拿
州。
刚玉可作为研磨材料及制造精密仪器的轴承，颜色鲜艳透明者
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1.2 发色的化学机理和色料
材料化学
1.2 发色的化学机理和色料
一、 原子激发和分子振动 1. 原子中电子激发跃迁
当一块固体物质加热时，物质不仅热辐射增加，而且辐射中短波成分 相对增加，逐渐地变红发光。
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材料化学
表2 加热温度和热辐射的颜色
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材料化学
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材料化学 阿根廷冰川国家公园
The blue green light of natural gas burning on a kitchen burner emitted by an oxygen-rich gas flame as seen on a kitchen range also involves such combination vibrational, rotational, and electronic excitations in the unstable molecules CH and C2.
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材料化学
元素 锂 钠 钾 钙 锶 钡
表3 火焰的颜色
颜色 深红 黄 紫 橙红 紫红 黄绿
发射波长/nm
601，671
589
405，767
423，559，616
408，461，606， 687
487，514，543， 553，578
一些金属的焰色
Li
Na
K
Cs
Rb
一些金属的焰色
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材料化学
过渡金属原子能级在配位场中的变化
带5个结晶水的硫酸铜（CuSO4•5H2O）呈蓝色，而无水硫酸铜晶体 （CuSO4）为无色物质，这是由于在这两种晶体中Cu2+的配位体和配位情况 不同。类似的状况在其他盐类中也常出现。
过渡金属原子能级在配位场中的变化
色彩绚丽的矿石、宝石、涂料和颜料等，其中许 多是由过渡金属化合物形成的。在化合物中，过渡金属 离子处于不同的配位场，由于配位的几何形式不同、配 位场的强弱不同，d轨道或f 轨道能级分裂的状况以及 能级中电子的排布不一样，电子在能级间跃迁所产生的 颜色就有差别。同样一种元素的原子，在不同条件下产 生不同的颜色。
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材料化学
Al2O3
Cr2O3
红宝石
过渡金属原子能级在配位场中的变化
例如，Cr2O3呈绿色，当把少量Cr2O3掺入刚玉（Al2O3，白色粉末）中， 由于Cr2O3和Al2O3结构相似，Cr3+置换Al3+时，Cr3+周围6个O原子的配位不变，但因 为Al3+比Cr3+略小一点，配位场强弱产生变化，呈现了红色，称为红宝石。通常将 这种掺Cr3+的刚玉用化学式Al2O3：Cr3+表示。
WHY IS WATER BLUE?
J. Chem. Edu., 1993, 70(8), 612
分子的振动和转动
分子中原子间的振动会导致颜色的出现。例如 水和冰中，分子之间有氢键连接。水的吸收光谱是很 复杂的，在红外区域有一系列强吸收带，在接近可见 光区域，很快减弱，但仍有吸收，这种红色吸收的余 色为蓝色。清澈见底的深水显淡蓝色，纯净的大块冰 的颜色也是淡蓝的。
温度 /℃
＜700
700
1700
2500
4500
＞ 10000
颜色 黑色 红色 橙色 黄色 白色 蓝白色
原子中电子激发跃迁
气态原子或分子受到激发，电子由基态跃迁到激发态。在激发态 不稳定又返回基态并发射出光。
当燃烧的物质中含有钠原子，受激至高能态再返回基态时发出波长为 589.6和589.0nm的黄光，火焰呈黄色。
Ca
Ba
Cu Sr
原子中电子激发跃迁
利用原子中电子跃迁发射出不同颜色的光，在化学中可通过焰 色识别化学成分。若定量地测定波长和强度的分布，则发展成原子发射光 谱分析。利用原子发射光的颜色，可制造色彩绚丽的焰火，增添节日的喜 庆气氛。
教四225 © 2012.03
材料化学
原子发射光谱分析
色彩绚丽的焰火
和双原子分子的振动和转动有关的吸收，也会 出现颜色，例如氯气的绿色和碘蒸气的紫色。
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材料化学
WHY IS WATER BLUE?
The bent water molecule H2O in the free state has three fundamental vibrations: (a) the symmetrical stretch, (b) the symmetrical bend, (c) the antisymmetrical bend.
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材料化学
红宝石
红宝石的英文名称为Ruby，源于拉丁 文Ruber，意思是红色。红宝石的矿物名称 为刚玉。
红宝石的化学成分为三氧化二铝，因 含微量元素铬（Cr3+ ）而成红至粉红色。 属三方晶系。晶体形态常呈桶状、短柱状、板状等。集合体多为粒 状或致密块状。透明至半透明，玻璃光泽。折光率1.76-1.77，双 折射率0.008-0.010。二色性明显，非均质体。有时具有特殊的光 学效应-星光效应，在光线的照射下会反射出 迷人的六射星光，俗称“六道线”。硬度为9， 密度3.95-4.10克/立方厘米 。无解理，裂理 发育。红宝石在长、短波紫外线照射下发红色 及暗红色荧光。
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材料化学
可含微量的Fe、
刚玉
刚玉的化学成分为Al2O3，
Ti或Cr等元素，晶体属三方晶系的氧化物矿物。
晶体一般为蓝灰、黄灰、红和绿色，含少量的铬
呈红色，含少量的铁和钛呈蓝色，红宝石和蓝宝
石是透明的红色和蓝色宝石级刚玉的别称。单晶
多呈桶状双锥形，或双锥与底板面的聚形，较少为厚板状，晶面上
常有斜纹或横纹。集合体呈粒状或致密块状。玻璃光泽，无解理，
裂理发育，摩氏硬度9，比重3.98。
刚玉常世界著名产地有俄国的乌拉尔山脉、南非的德兰士瓦、
加拿大的安大略、土耳其的士麦那、希腊的纳克索斯。而宝石级的
砂矿刚玉主要产于缅甸、斯里兰卡、泰国、坦桑尼亚、美国蒙大拿
州。
刚玉可作为研磨材料及制造精密仪器的轴承，颜色鲜艳透明者