颜色化学第二章物质的结构状态与光学颜色
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• 鸟羽的蓝色和绿色，火鸡的蓝色颈皮。
• 例：蓝鹊羽毛的结构与散射 • 10m外层是无色透明的角质； • 下面是一层箱状细胞或蜂窝状组织（气囊，30~50nm大小），是活性散射组织； • 含有黑色素细胞的黑色层。 • 完整的散射结构使蓝鹊的羽毛呈现蓝色。
• 若用酒精浸泡：气囊空间充满液体，失去散射作用，只能看到黑色。蒸干，显 出蓝色。
• 若用锤敲打破坏气囊，散射消失，只显黑色。 • 若用H2O2漂白黑色素，蓝色消失，在羽支背面涂上黑色，蓝色恢复。
• 绿色鸟羽是由于含有叶红素，若萃取出叶红素，羽毛依然显蓝色。 • 哺乳类动物中的丁德尔蓝： • 猴子的面部、臀部有蓝色和紫色，蓝色由散射形成，紫色是皮肤下血管中的血红
第二章 物质的结构状态与光学颜色
• 光束通过物质其传播受到两种影响: • (1)强度减弱 (2) 光速变小 • 强度减弱的原因是吸收和散射; • 光速变小则产生色散。 • 色散、散射、折射、衍射等许多物理效应能产生颜色，除光本身的特性外，
离不开产生这些现象的物质，或者说颜色是物质的特殊结构引起的光学效果。
• 基本的生物散射单元由小散射粒子组成，包括
• 覆盖黑色素的组织气囊、脂肪、蛋白质、角质微粒或鸟嘌呤晶体 。
• 不为粒子散射的光被黑色素吸收，产生蓝色； • 若黄色被黑色素层反射，产生绿色； • 弱红色反射，产生紫色。
• 较低级动物中，丁德尔蓝较少，但海蛰、章鱼、昆虫（蜻蜓和某些蝴蝶），某些 鱼类、爬行动物、变色龙、蜥蜴、蛇等存在。
蓝色. • 小水滴的线度比可见光波长大的多,各种波长的光几乎有相同的散射,产生白色的
云和雾. • 大气污染,颗粒比空气分子大,天空灰蒙蒙. • 蓝脊山脉
• 2.红色的朝阳、落日 • 太阳的颜色与散射程度有关. • 早晨日出或夕阳西下时,光线穿过厚的多的大气层,太阳光中除了波长最长的红光
外,几乎都被散射掉,所以朝阳、落日格外红. • 正午,阳光通过大气的路程较短,各色光的散射都不强,观看太阳接近白色. • 下午，灰尘、烟雾增多，散射效应增强，太阳的颜色逐渐变黄。
• 2.1 光的色散与相关的颜色
• 2.1.1 光色色散
• 1.正常色散与反常色散 • 区别在于对光的吸收
• 2.色散产生的原理 • 白光通过棱镜分为七色光,是因为不同频
率的光在棱镜中的光速不同,折射率不同, 发生了色散,产生了光谱.
• 3.影响色散程度的因素：
• (I)材料种类
•
一些材料的色散值(nB-nG)
大(1.77); • 金刚石中的C-C间则完全是共价键,虽密度并不大,但折射率最大(2.42),居常见物质之冠.
ห้องสมุดไป่ตู้ 3.色散产生的颜色
• (1)钻石的光彩
• 标准圆钻:57个刻面,大部分光通 过折射后从不同的刻面多次被 反射出来,产生夺目的光彩.
• (2)露珠和彩虹
• 水的折射产生色散,紫光偏折410,红光偏折430.太阳光 照射球形水滴,晶莹的露珠闪动着多色的光彩.
2.2光的散射与相关的颜色
• 2.2.1 光的散射 • 现象 • 介质的均匀性受到破坏,光线会离开原来的传播方向,向其它方向传播,称光的
散射. • 光的散射与颗粒大小有关,较大颗粒前向散射强于后向散射,而小颗粒的散射趋
向于各向同性.
• (1)瑞利散射
• 1871年,瑞利(Rayleigh)研究了细微质点的散射,第一个用定量的方法得出散射光强 度与4成反比的定律.
/ • 只有直径d<0.3 2时,瑞利散射正确.
• 当粒子直径大于波长时,散射强度与波长的依赖关系不十分明显. • 瑞利散射微粒常呈现蓝色,而米氏散射常产生白色.
2.2.2散射产生的颜色
• 1.蔚蓝的天空 • 可见光谱中波长较短的蓝紫光的散射比波长较长的红光强,大约是十倍的关系. • 晴朗的天空,阳光普照,大气对各种波长的光散射的综合结果,使天空呈现美丽的蔚
• 冕牌玻璃
0.010
• 石英
0.013
• 蓝宝石,红宝石
0.018
• 锆石
0.039
• 金刚石
0.044
• (2)棱镜顶角角度: • 对于Fraunhofer B线和G线,
nB=1.50,nG=1.51的冕牌玻璃,棱镜顶角为 400,光线分开0.50 ; • 而顶角为600,光线分开0.90. • 对于nB=1.75,nG=1.79的重火石玻璃,棱镜 顶角400,两条光线分开2.00 , • 若顶角为600 ,两线分离角增加到4.90.
• 一次彩虹,光线从水滴内壁穿出,直接反射出来,
• 二次彩虹,光线射入水滴,经两次折射再发射出.
• 两者不同之处是紫光与红光的顺序相反.
• 雨后彩虹:大量水滴的组合,形成合适的密度梯度,相当 于巨大的棱镜,展现色散的效果
• (3)星光闪烁
• 星星与地球之间有宇宙和大气层,其组成、结构的局 部变化，影响密度、折射率的不断变化，色散情况 的改变，引起颜色、亮度和位置的不稳定，即看到 的“星星眨眼”
• (3)色散与物质结构的关系 • 从色散的本质看,不仅与物质的种类、密度有关，更与化学键的强度密切相关,介质内
粒子间的作用力越强,色散越强。 • 例：
• 水中H-O-H间是共价键，水分子间是大量氢键，其折射率不大（1.33)； • 红宝石,蓝宝石主要是Al-O之间的配位键,少量的Cr-O,Ti-O,Fe-O间的配位键,折射率较
• 火山爆发时,大量细小粒子进入较高层大气,散射效果明显,出现异常深红的落日.
• 雾滴尺寸为500nm左右，通过薄雾看到太阳或月亮显示出绿色或蓝色(沙尘暴下的 日光灯)
• 没有大气,太阳光得不到各种分子、微粒的散射天空一片黑暗，只看到夺目的太阳 悬挂在漆黑的背景中。
• 3.丁德尔蓝 • 动物中的蓝色、大多数绿色以及紫色中的蓝色成分，都是由散射产生的。
• 适用于折射率不同于其周围介质的任何粒子,唯一限制是粒子直径必须远小于波 长.
• 丁德尔(John Tyndall)效应:
• 丁德尔第一个研究了光束通过胶体溶液的乳光现象,胶粒与分散介质产生的散射 光振幅明显不同,相互不能因干涉完全抵消,我们能观察到相干后的散射现象.
• (2)米(G.Mie)氏散射 • 较大颗粒对光的散射不遵从瑞利散射定律. • 米(G.Mie)和德拜(P.Debye)以球形质点为模型计算了电磁波的散射:
• 例：蓝鹊羽毛的结构与散射 • 10m外层是无色透明的角质； • 下面是一层箱状细胞或蜂窝状组织（气囊，30~50nm大小），是活性散射组织； • 含有黑色素细胞的黑色层。 • 完整的散射结构使蓝鹊的羽毛呈现蓝色。
• 若用酒精浸泡：气囊空间充满液体，失去散射作用，只能看到黑色。蒸干，显 出蓝色。
• 若用锤敲打破坏气囊，散射消失，只显黑色。 • 若用H2O2漂白黑色素，蓝色消失，在羽支背面涂上黑色，蓝色恢复。
• 绿色鸟羽是由于含有叶红素，若萃取出叶红素，羽毛依然显蓝色。 • 哺乳类动物中的丁德尔蓝： • 猴子的面部、臀部有蓝色和紫色，蓝色由散射形成，紫色是皮肤下血管中的血红
第二章 物质的结构状态与光学颜色
• 光束通过物质其传播受到两种影响: • (1)强度减弱 (2) 光速变小 • 强度减弱的原因是吸收和散射; • 光速变小则产生色散。 • 色散、散射、折射、衍射等许多物理效应能产生颜色，除光本身的特性外，
离不开产生这些现象的物质，或者说颜色是物质的特殊结构引起的光学效果。
• 基本的生物散射单元由小散射粒子组成，包括
• 覆盖黑色素的组织气囊、脂肪、蛋白质、角质微粒或鸟嘌呤晶体 。
• 不为粒子散射的光被黑色素吸收，产生蓝色； • 若黄色被黑色素层反射，产生绿色； • 弱红色反射，产生紫色。
• 较低级动物中，丁德尔蓝较少，但海蛰、章鱼、昆虫（蜻蜓和某些蝴蝶），某些 鱼类、爬行动物、变色龙、蜥蜴、蛇等存在。
蓝色. • 小水滴的线度比可见光波长大的多,各种波长的光几乎有相同的散射,产生白色的
云和雾. • 大气污染,颗粒比空气分子大,天空灰蒙蒙. • 蓝脊山脉
• 2.红色的朝阳、落日 • 太阳的颜色与散射程度有关. • 早晨日出或夕阳西下时,光线穿过厚的多的大气层,太阳光中除了波长最长的红光
外,几乎都被散射掉,所以朝阳、落日格外红. • 正午,阳光通过大气的路程较短,各色光的散射都不强,观看太阳接近白色. • 下午，灰尘、烟雾增多，散射效应增强，太阳的颜色逐渐变黄。
• 2.1 光的色散与相关的颜色
• 2.1.1 光色色散
• 1.正常色散与反常色散 • 区别在于对光的吸收
• 2.色散产生的原理 • 白光通过棱镜分为七色光,是因为不同频
率的光在棱镜中的光速不同,折射率不同, 发生了色散,产生了光谱.
• 3.影响色散程度的因素：
• (I)材料种类
•
一些材料的色散值(nB-nG)
大(1.77); • 金刚石中的C-C间则完全是共价键,虽密度并不大,但折射率最大(2.42),居常见物质之冠.
ห้องสมุดไป่ตู้ 3.色散产生的颜色
• (1)钻石的光彩
• 标准圆钻:57个刻面,大部分光通 过折射后从不同的刻面多次被 反射出来,产生夺目的光彩.
• (2)露珠和彩虹
• 水的折射产生色散,紫光偏折410,红光偏折430.太阳光 照射球形水滴,晶莹的露珠闪动着多色的光彩.
2.2光的散射与相关的颜色
• 2.2.1 光的散射 • 现象 • 介质的均匀性受到破坏,光线会离开原来的传播方向,向其它方向传播,称光的
散射. • 光的散射与颗粒大小有关,较大颗粒前向散射强于后向散射,而小颗粒的散射趋
向于各向同性.
• (1)瑞利散射
• 1871年,瑞利(Rayleigh)研究了细微质点的散射,第一个用定量的方法得出散射光强 度与4成反比的定律.
/ • 只有直径d<0.3 2时,瑞利散射正确.
• 当粒子直径大于波长时,散射强度与波长的依赖关系不十分明显. • 瑞利散射微粒常呈现蓝色,而米氏散射常产生白色.
2.2.2散射产生的颜色
• 1.蔚蓝的天空 • 可见光谱中波长较短的蓝紫光的散射比波长较长的红光强,大约是十倍的关系. • 晴朗的天空,阳光普照,大气对各种波长的光散射的综合结果,使天空呈现美丽的蔚
• 冕牌玻璃
0.010
• 石英
0.013
• 蓝宝石,红宝石
0.018
• 锆石
0.039
• 金刚石
0.044
• (2)棱镜顶角角度: • 对于Fraunhofer B线和G线,
nB=1.50,nG=1.51的冕牌玻璃,棱镜顶角为 400,光线分开0.50 ; • 而顶角为600,光线分开0.90. • 对于nB=1.75,nG=1.79的重火石玻璃,棱镜 顶角400,两条光线分开2.00 , • 若顶角为600 ,两线分离角增加到4.90.
• 一次彩虹,光线从水滴内壁穿出,直接反射出来,
• 二次彩虹,光线射入水滴,经两次折射再发射出.
• 两者不同之处是紫光与红光的顺序相反.
• 雨后彩虹:大量水滴的组合,形成合适的密度梯度,相当 于巨大的棱镜,展现色散的效果
• (3)星光闪烁
• 星星与地球之间有宇宙和大气层,其组成、结构的局 部变化，影响密度、折射率的不断变化，色散情况 的改变，引起颜色、亮度和位置的不稳定，即看到 的“星星眨眼”
• (3)色散与物质结构的关系 • 从色散的本质看,不仅与物质的种类、密度有关，更与化学键的强度密切相关,介质内
粒子间的作用力越强,色散越强。 • 例：
• 水中H-O-H间是共价键，水分子间是大量氢键，其折射率不大（1.33)； • 红宝石,蓝宝石主要是Al-O之间的配位键,少量的Cr-O,Ti-O,Fe-O间的配位键,折射率较
• 火山爆发时,大量细小粒子进入较高层大气,散射效果明显,出现异常深红的落日.
• 雾滴尺寸为500nm左右，通过薄雾看到太阳或月亮显示出绿色或蓝色(沙尘暴下的 日光灯)
• 没有大气,太阳光得不到各种分子、微粒的散射天空一片黑暗，只看到夺目的太阳 悬挂在漆黑的背景中。
• 3.丁德尔蓝 • 动物中的蓝色、大多数绿色以及紫色中的蓝色成分，都是由散射产生的。
• 适用于折射率不同于其周围介质的任何粒子,唯一限制是粒子直径必须远小于波 长.
• 丁德尔(John Tyndall)效应:
• 丁德尔第一个研究了光束通过胶体溶液的乳光现象,胶粒与分散介质产生的散射 光振幅明显不同,相互不能因干涉完全抵消,我们能观察到相干后的散射现象.
• (2)米(G.Mie)氏散射 • 较大颗粒对光的散射不遵从瑞利散射定律. • 米(G.Mie)和德拜(P.Debye)以球形质点为模型计算了电磁波的散射: