Värioptiikka

Värin fysikaaliset ja kemialliset syyt

Energiansäästölain mukaan energia voidaan muuntaa muodosta toiseen, mutta sitä ei voida luoda tai tuhota. Sen seurauksena, kun valon fotoni absorboituu aineella, yleensä atomilla, molekyylillä tai ionilla tai pienellä ryhmällä sellaisia ​​yksiköitä, fotoni katoaa ja aine saa sen energian. Samoin kun aine säteilee valoa, se menettää fotonien kuljettaman energian. Annettu atomi tai molekyyli ei voi emittoida minkään mielivaltaisen energian valoa, koska kvantiteoria selittää, että vain tietyt energiatilat ovat mahdollisia tietylle järjestelmälle.

Demystified

Ovatko mustavalkoiset värit?

Mitä näemme, kun näemme mustavalkoisen?

Kuvassa vasemmalla on esimerkki sallituista energiatasoista kolmenarvoiselle kromi-ioniolle, joka on läsnä alumiinioksidikiteessä; tämä on väriaine, joka antaa jalokivi rubiinin punaisen värin. Tässä energiatasojärjestelmässä on perustila, nimeltään ⁴ A ₂; tämä on kromi-ionin energiatila rubiinissa pimeässä. Valkoisella valolla valaistuna voidaan absorboida joko energian fotoni 2,2 eV tai energian fotoni 3,0 eV, nostaen järjestelmän vastaavasti ⁴ T _{2: n} tai ⁴ T _{1: n} energiatasoon. (Tässä järjestelmässä valoa ei voida absorboida tasolle ² E tiettyjen kvanttirajoitusten, nimettyjen valintasääntöjen, takia.) Nämä kaksi energiansiirtymää, joita on laajennettu huoneenlämmön lämpöatomisilla värähtelyillä absorptiokaistoihin, vastaavat violetin ja vihreän absorptiota. - rubiinin läpi kulkevat valkoisen valon vaaleat osat, kuten kuvan keskellä on esitetty. Jäljellä oleva läpäisevä valo koostuu spektrin vahvoista punaisista ja heikoista sinisistä osista, mikä johtaa syvänpunaiseen rubiiniväriin, jolla on pieni violetti päällys.

Rubiinin kromi-ioni sisältää nyt ylimääräistä energiaa, mutta valintasäännöt sallivat palaamisen maatilaan vain välituotteen ² E energiatason kautta, kuten kuvassa vasemmalla näkyy. Osa absorboituneesta energiasta näkyy rubiinin pienenä lämpenemisenä. Toinen osa emittoidaan fotonina, joka tuottaa kirkkaan punaisen fluoresenssin (näkyy parhaiten, kun rubiinia valaistaan ​​pimeässä ultraviolettivalolla). Rubiini on nyt palannut perustilaan, ja energia on säästynyt. Tämä on vain yksi selitys värin esiintymiselle. Vaikka kaikki värin esiintymiset tai syyt aiheuttavat elektronien herättämisen, artikkeli selkeyden yksinkertaistamiseksi luokittelee värin fysikaaliset ja kemialliset syyt 15 ryhmään. Kolme ensimmäistä liittyy siirtymiin viritysten, värähtelyjen ja pyörimisten energiatasojen välillä kvantiteorian selityksellä. Seuraavat neljä käsittävät tämän lähestymistavan modifikaatiot, joita ligandikenttä ja molekyyliorbitaaliteoriat kattavat. Seuraavat neljä sisältävät kiinteän olomuodon fysiikan energiakaistan formalismin, ja neljä viimeistä selitetään geometrisella ja fysikaalisella optiikan teorialla.

Yksinkertainen heräte, värähtely ja kierto

hehkumistila

Hehkuva valo syntyy, kun kuuma aine vapauttaa osan lämpövärähtelyenergiastaan ​​fotonina. Keskimääräisissä lämpötiloissa, esimerkiksi 800 ° C (1500 ° F), kohteen säteilyenergia saavuttaa huipun infrapunassa, vain pienellä intensiteetillä näkyvän spektrin punaisessa päässä. Lämpötilan noustessa huippu siirtyy kohti ja lopulta näkyvälle alueelle. Peräkkäin korkeammissa lämpötiloissa esine muuttuu ”punaiseksi kuumaksi”, sitten oranssiksi, keltaiseksi ja lopulta “valkoiseksi”; kaikkein kuumin tähti on sinertävänvalkoinen. Tämä värijakso tunnetaan mustan kappaleen säteilysekvenssinä. Esimerkkejä hehkulampusta ovat päivänvalo, kynttilänvalo ja volframihehkulamppujen, salamalamppujen, hiilikaarin ja pyroteknisten laitteiden, kuten soihdut ja ilotulitteet, valo (katso kuva).

Kaasun viritys

Kaasun viritykseen sisältyy valon säteily kaasulla tai höyrynä olevalla kemiallisella elementillä. Kun kaasua, kuten neonia, tai höyrystynyttä elementtiä, kuten natriumia tai elohopeaa kiihdytetään sähköisesti, sähköenergia nostaa atomit suurienergisisiin tiloihin, joista ne rappeutuvat takaisin maatilaan fotonien päästöllä. Tämä johtaa neonputkien punaiseen valoon ja natrium- ja elohopeahöyrylamppuihin nähtyyn keltaiseen ja siniseen valoon. Sama keltainen natriumvalo palaa, kun natriumatomit kiihdytetään termisesti kuumentamalla kaasuliekissä. Sen lisäksi, että kaasuheräte tuottuu sähköisesti tai kemiallisin reaktioin, se voi myös aiheutua vuorovaikutuksesta energisten hiukkasten kanssa, kuten aurinkoissa, joissa aurinko myrskyjen lähettämät energiapartikkelit virittävät kaasuja korkealla maapallon ilmakehässä tuottamaan erilaisia ​​väriefektejä.

Tärinä ja kierto

Kaikilla molekyyleillä on jonkin verran värähtely- tai pyörimisenergiaa kemiallisen sitoutumisen seurauksena, mutta mukana oleva energia on liian matala vuorovaikutukseen suoraan näkyvän valon kanssa. Värähtelytaajuutta voidaan kuitenkin lisätä vahvistamalla kemiallista sidosta, joka sisältää erittäin kevyitä atomeja. Esimerkiksi sidos vedyn ja hapen välillä on vahvempi nestemäistä vettä ja jäätä kuin erotetussa H ₂ O-molekyylin. Vastaava värähtelytaajuuksien kasvu sallii jonkin verran absorboitumista spektrin punaisessa päässä ja tuottaa vaaleansinisen värin, joka on ominaista puhtaalle vedelle ja jäälle, kun se näkyy irtotavarana.