Физическая и химическая концепция возникновения цвета

Размещено на http://allbest.ru

Физическая и химическая концепция возникновения цвета

1.Физическая концепция

цвет химический физический

В 1676 году сэр Исаак Ньютон с помощью трёхгранной призмы разложил белый солнечный свет на цветовой спектр. Подобный спектр содержал все цвета за исключением пурпурного. Ньютон ставил свой опыт следующим образом (рис. 1):

Солнечный свет пропускался через узкую щель и падал на призму. В призме луч белого цвета расслаивался на отдельные спектральные цвета. Разложенный таким образом он направлялся затем на экран, где возникало изображение спектра. Непрерывная цветная лента начиналась с красного цвета и через оранжевый, жёлтый, зеленый, синий кончалась фиолетовым. Если это изображение затем пропускалось через собирающую линзу, то соединение всех цветов вновь давало белый цвет. Эти цвета получаются из солнечного луча с помощью преломления. Существуют и другие физические пути образования, например, связанные с процессами интерференции, дифракции, поляризации и флуоресценции.

Если мы разделим спектр на две части, например - на красно-оранжево-жёлтую и зелёно-сине-фиолетовую, и соберём каждую из этих групп специальной линзой, то в результате получим два смешанных цвета, смесь которых в свою очередь также даст нам белый цвет. Два цвета, объединение которых даёт белый цвет, называются дополнительными цветами. Если мы удалим из спектра один цвет, например, зелёный, и посредством линзы соберём оставшиеся цвета - красный, оранжевый, жёлтый, синий и фиолетовый, - то полученный нами смешанный цвет окажется красным, то есть цветом дополнительным по отношению к удалённому нами зелёному. Если мы удалим жёлтый цвет, - то оставшиеся цвета - красный, оранжевый, зелёный, синий и фиолетовый - дадут нам фиолетовый цвет, то есть цвет, дополнительный к жёлтому. Каждый цвет является дополнительным по отношению к смеси всех остальных цветов спектра. В смешанном цвете мы не можем увидеть отдельные его составляющие. В этом отношении глаз отличается от музыкального уха, которое может выделить любой из звуков аккорда. Различные цвета создаются световыми волнами, которые представляют собой определённый род электромагнитной энергии.

Цвет - это ощущение, возникающее в органе зрения при воздействии на него света, т.е. свет+зрение=цвет.

Свет - это электромагнитное волновое движение. Длины волн видимого цвета заключены в интервале от 380 н.м. до 760 н.м. См. рис.

Человеческий глаз может воспринимать свет только при длине волн от 400 до 700 миллимикрон:

1 микрон или 1 m = 1/1000 мм = 1/1 000000 м. 1 миллимикрон или 1 MIT) =1/1 000 000 мм.

Волны с длиной волны менее 380 н.м. - это ультрафиолет, а с длиной более 760 н.м. - это инфракрасный свет. В табл. показана зависимость цвета от длины волны видимого спектра.

В видимом спектре человеческий глаз различает 120 цветов. Эти цвета принято выделять в три группы:

1) Коротковолновая (380-500 н.м.). Входят цвета: Фиолетовый, Сине-Фиолетовый, Синий, Голубой.

2) Средневолновая (500-600 н.м.). Входят цвета: зелено-голубой, зеленый, желто-зеленый, желтый, желто-оранжевый, оранжевый.

3) Длинноволновая группа (700-760 н.м.) Входят цвета: оранжевый, красно-оранжевый, красный.

Все цвета подразделяются на: хроматические, ахроматические, полухроматические.

Ахроматические - Белый, черный, и все оттенки серого. В этот спектр входят лучи всех длин волн в равной степени, причем энергия отдельных лучей составляющих эту смесь одинакова.

Хроматические цвета - все спектральные и многие природные. В этот спектр входят все лучи, но есть преобладание какой-либо волны (максимум). Например, в спектре красного цвета, красные лучи (760-620 н.м.) несут большую часть энергии всего потока.

Полухроматические цвета - земляные цвета, т.е. цвета смешаны с ахромотическими цветами.

2.Психофизические характеристики цвета

1) Цветовой тон. Это качество цвета, которое позволяет сравнить его с одним из спектральных или пурпурным цветом (кроме хромотических) и дать ему название.

2) Светлота. Это степень отличия данного цвета от черного. Она

светлее цвет, тем выше его светлота. На практике принято заменять этот понятие понятием "яркость". Яркость цвета - это коэффициент отражения (Р) равный отношению отраженного светового потока (Fотр) к падающему (Fпад) взятое в процентах:

Р=(Fотр/Fпад)*100

3) Насыщенность. Это степень отличия данного хроматического цвета от равномерного по энергонасыщенности светового потока ахроматического. Измеряется тоже числом порогов различия от цвета до серого. (Так же можно сказать, что это доля пигментов в изначальном чистом цвете). Заменяется понятием чистота. Чистота - это доля чистого спектрального цвета в общей смеси данного цвета или это доля чистого пигмента в красочной смеси.

Цветовой тон + Насыщенность = Цветность

Ахроматические цвета не имеют цветового тона и насыщенности.

Цветовой ряд.

Это последовательность цветов, у которых, по крайней мере одна характеристика общая, а другие закономерно изменяются от одного цвета к другому. Цветовые ряды имеют свои названия, в зависимости от того, какие характеристики в них изменяются.

1) Ряд убывающей чистоты и возрастающей яркости. Этот ряд делается разбеливанием, т.е. добавлением белого цвета к спектральному.

2) Ряд убывающей насыщенности (приглушение).

3) Ряд убывающей яркости и убывающей насыщенности (зачернение).

4) Ряд по цветовому тону. Это смешение двух соседних спектральных цветов (причем в пределах не более 1/4 интервала светового круга).

Температура цвета. Это его относительная теплота или холодность.

Теплые: Красный, Красно-Оранжевый, Оранжевый, Желто-Оранжевый, Желтый, Желто-Зеленый.

Холодные: Голубой (Сине-Зеленый), Синий, Сине-Фиолетовый, Фиолетовый.

Самый горячий: Красно-Оранжевый.

Самый холодный: Голубой (Сине-Зеленый).

Нейтральные ( Зеленый и Пурпурный).

Цветовые круги. Принято выделять две группы цветовых кругов: физические (за основу взят 7-ступенчатый цветовой круг Ньютона) и физиологические ( за основу взят цветовой круг 6-ступенчатый круг Гете).

1) Цветовой 7-ступенчатый круг Ньютона.

2) Восьмеричный круг. В XIX веке был получен Грассмоном. Он его упростил, и чтобы сделать четным вводит пурпурный цвет.

3) 10-ступенчатый круг. Американский ученый Максвел добавляет к восьмеричному кругу еще два цвета: Желто-Зеленый и Зелено-Голубой. Цвета расположенные друг против друга в этом круге являются взаимодополняемыми. В круг входят: красный, оранжевый, желтый, желто-зеленый, зеленый, зелено-голубой, голубой, синий, фиолетовый, пурпурный.

4) Круг Гете. Содержится 6 цветов: красный, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. В этом круге цвета, расположенные друг против друга контрастны.

5) На основе 6-ступенчатого круга был создан 12-ступенчатый, путем добавления промежуточных цветов. На рисунке можно проследить весь процесс получения 12-ступнчатого круга из трех основных цветов. В круг входят следующие цвета: Красный, Красно-Оранжевый, Оранжевый, Желто-Оранжевый, Желтый, Желто-Зеленый, Зеленый, Голубой, Синий, Сине-Фиолетовый, Фиолетовый, Пурпурный.

Длина волн, соответствующая отдельным цветам спектра, и соответствующие частоты (число колебаний в секунду) для каждого призматического цвета имеют следующие характеристики: Отношение частот красного и фиолетового цвета приблизительно равно 1:2, то есть такое же как в музыкальной октаве. Каждый цвет спектра характеризуется своей длиной волны, то есть он может быть совершенно точно задан длиной волны или частотой колебаний. Световые волны сами по себе не имеют цвета. Цвет возникает лишь при восприятии этих волн человеческим глазом и мозгом. Каким образом он распознаёт эти волны до настоящего времени ещё полностью не известно. Мы только знаем, что различные цвета возникают в результате количественных различий светочувствительности. Остается исследовать важный вопрос о корпусном цвете предметов. Если мы, например, поставим фильтр, пропускающий красный цвет, и фильтр, пропускающий зелёный, перед дуговой лампой, то оба фильтра вместе дадут чёрный цвет или темноту. Красный цвет поглощает все лучи спектра, кроме лучей в том интервале, который отвечает красному цвету, а зелёный фильтр задерживает все цвета, кроме зелёного. Таким образом, не пропускается ни один луч, и мы получаем темноту. Поглощаемые в физическом эксперименте цвета называются также вычитаемыми. Цвет предметов возникает, главным образом, в процессе поглощения волн. Красный сосуд выглядит красным потому, что он поглощает все остальные цвета светового луча и отражает только красный. Когда мы говорим: "эта чашка красная", то мы на самом деле имеем в виду, что молекулярный состав поверхности чашки таков, что он поглощает все световые лучи, кроме красных. Чашка сама по себе не имеет никакого цвета, цвет создаётся при её освещении. Если красная бумага (поверхность, поглощающая все лучи кроме красного) освещается зелёным светом, то бумага покажется нам чёрной, потому что зелёный цвет не содержит лучей, отвечающих красному цвету, которые могли быть отражены нашей бумагой. Все живописные краски являются пигментными или вещественными. Это впитывающие (поглощающие) краски, и при их смешивании следует руководствоваться правилами вычитания.

Когда дополнительные краски или комбинации, содержащие три основных цвета - жёлтый, красный и синий - смешиваются в определённой пропорции, то результатом будет чёрный.В то время как аналогичная смесь невещественных цветов, полученных в ньютоновском эксперименте с призмой дает в результате белый цвет, поскольку здесь объединение цветов базируется на принципе сложения, а не вычитания.

Электрону как частице, обладающей скоростью, должен соответствовать в каждый момент его движения определенный импульс (p=meve). В то же время электрон, как волна характеризуется длиной волны. Следовательно, положение его на протяжении этой волны идет неопределенным. Особенность квантового мира состоит в том, чтобы энергию электрона (импульс) и точное его положение одновременно определить принципиально невозможно. Волновой процесс- процесс вероятностный. Волна не фиксирует положение электрона в той или иной точке пространства, а характеризует его появление с некоторой долей вероятности, зависящей от параметров волны.

Это можно проиллюстрировать примером о маятнике:

Если зафиксировать положение маятника, то нельзя будет ничего сказать об амплитуде и периодичности его движения. Для определения характеристики движения маятника необходимо, чтобы он колебался. Однако в этом случае его положение становится полностью неопределенным по всей амплитуде его колебания.

Физик В. Гейзенберг полагал, что в атоме частицы уже нельзя рассматривать с математической точностью, а вместо этого надо брать в рассмотрение область неопределенности, в которой частица может находиться, но с разной вероятностью во всех возможных точках. Свойства этой области таковы. Чем точнее определится в ней положение электрона, тем с меньшей уверенностью можно оценивать его энергию.

3.Химическая концепция цвета

Для химиков встал вопрос о важности описания состояния электрона в атоме - его координаты силы энергии. Т.к. химическое взаимодействие участвующих в реакции частиц связано с изменением энергии, то для химии следует признать более важным точное значение энергии и ее изменение при переходе электрона из одного состояния в другое (или от одного атома к другому). Таким образом, классическая механика с ее рассмотрением траектории движения точки в пространстве уже не дает правильную картину состояния электронов в атоме. Проявление же электронами свойств волны указывает, что их состояние можно трактовать на основе уравнений, описывающих волновое движение.

В корпускулярном представлении вероятность нахождения электрона для любой точки будет либо единица, либо ноль. Во всех точках кроме одной вероятность будет равна нулю.

Для расчета стационарного состояния электрона Нильсом Бором была введена орбита с частотой обращения х и энергией Е=h*х.

Эта орбита рассчитывалась на основании законов классической физики в представлении об электроне как о движущейся частице. Получалось, что орбита (по Бору)- траектория движения электрона- частицы, энергия которого меняется скачкообразно, т.е. квантуется. Успех квантовой теории Бора был связан с расчетом и предсказанием линий спектра атома водорода.

Размещено на http://allbest.ru

где л- длина волны

При рассмотрении состояния электрона с позиций волновой механики пришли к выводу, что электронная волна трехмерна и распространяется в объеме атомного пространства. Электрон предстает в виде «облака».

Довольно долго ученые не могли отыскать подходящий способ описания трехмерных электронных волн. В 1926 г. Эрвин Шредлигер предложил для этого уравнение, которое получило название «волновое».

Рассмотрим суть нового описания состояния электрона в атоме.

Трехмерность электронной волны требует введения (в соответствии с числом координатных осей) 3 постоянных - трех квантовых чисел.

Четвертое квантовое число «спин» характеризует не волновые, а корпускулярные качества электрона.

Таким образом, электрон на три четверти волна, а на одну четверть- частица.

Свойства таких микрочастиц, как электрон, протон и т.д. полностью могут быть учтены лишь при одновременном описании их с позиций 2-х теорий - волновой и корпускулярной. Все квантовые числа получили особые названия. Эти числа необходимы для решения квантового волнового уравнения, указывающего энергию электрона, «размазанного» вокруг ядра из-за неопределенности в координате. Каждое из волновых квантовых чисел имеет целочисленное значение, а корпускулярное- дробь, равную ±Ѕ.

Изменения распределения плотности электронного облака с расстоянием от ядра атома изображается в трехмерной системе координат в виде объемных своеобразных фигур. Такие фигуры включают в себя определенную часть атома. Их форма и размеры зависят от энергии электрона.

Чем точнее оценивается энергетическое состояние электрона, тем более неопределенным становится его положение в пространстве.

Область атомного пространства, где с вероятностью 90% находится электрон с данной энергией, называется атомная орбиталь электрона.

4. Квантовые числа

Цвет вещества в значительной мере определяется тем, как электрон взаимодействует со световыми квантами. А это, в свою очередь, зависит от энергетического состояния электронов.

Параметрами, по которым можно судить о состоянии электронов в поле действия ядра и других электронов, являются квантовые числа.

Главное квантовое число (n). Характеризует среднюю энергию электрона, его удаленность от ядра. Наглядная интерпретация главного квантового числа - энергетические слои или оболочки, на которых располагается электрон. Имеет значения от 1 до 7, что соответствует номерам периодов в таблице Менделеева.

В каждом новом периоде начинается заполнение электронами новой энергетической оболочки, совпадающей по номеру с периодом. Главным квантовым числом определяется размер орбитали. Количество электронов связано с числом n простым соотношением Z=2nІ.

Размещено на http://allbest.ru

Рис.3. Формы s- b p-электронных облаков и ориентация p-орбиталей (граничные поверхности электронных облаков).

Получающаяся при этом последовательность-2, 8, 18, 32- в точности соответствует числу элементов в периодах таблицы Менделеева.

Побочное квантовое число(l). Физический его смысл состоит в том, что электроны одного энергетического слоя-уровня взаимно отталкиваются, стремятся занять положение, при котором их приближение друг к другу минимально. Энергетический уровень распадается при этом на несколько подуровней. Побочное квантовое число имеет значение от 0 до (n-1). Для наглядности его считают ответственным за форму атомных орбиталей (Рис.3.), которые обозначают буквами так, как принято в атомной спектроскопии:

Значение l ……… 0 1 2 3 4 5 6

Орбиталь ……... s p d f g h i

Данные четыре обозначения сложились исторически от названий линий спектра, а после уже идут по порядку.

При записи энергетических состояний электронов каждое квантовое число обозначается цифрой, за которой её буквенное обозначение побочного (орбитального) квантового числа. Порядок записи прост: кол-во подуровней в данном уровне равно его номеру. Воспользовавшись этим, можно записать все разрешенные энергетические состояния в любом из периодов (табл.1).

Таблица 1. Разрешенные энергетические состояния электронов в атомах по периодам

В принципе главного и побочного числа было бы достаточно для обозначения всех возможных энергетических состояний, если бы не магнитные свойства атома и электрона, т.е. магнитные поля, появляющиеся как результат движения заряженных частиц - ядра и электрона.

Магнитное квантовое число(m_l). При любом движении энергетических зарядов появляется магнитное поле, которое начинает взаимодействовать с внешним магнитным полем. Эти поля влияют на состояние электрона. Учет влияния производится при помощи магнитного квантового числа. Обычно его рассматривают как проекции орбитали электрона на какое-то направление (z,y,x).

Для этого в трехмерной системе координат отражают орбитали одной и той же формы, но ориентированные по разным осям в зависимости от магнитного квантового числа (см. рис.3).

Поле воздействует на электрон таким образом, что в пределах одного и того же подуровня становится возможна более тонкая градация энергетических состояний. В терминологии квантовой химии говорят, что орбитали имеют энергетические ячейки. По предложению Ф. Гунда их изображают при составлении электронной формулы атома квадратиками. Количество ячеек для той или иной орбитали определяется по формуле m_l=2*l+1.При l=0(s-орбиталь) такая ячейка одна, при l=l(p-орбиталь) подобных ячеек три, для l=3(f-орбиталь)-семь. Числовые значения, соответствующие каждой из ячеек, «выстраиваются» в последовательности от -l через 0 до +l. Так, при l=1 магнитное квантовое число способно принимать три значения (m_l=2*l+1=3), равные -1, 0 и +1. Нулевое появляется в том случае, когда орбиталь ориентирована так, что проекция магнитного момента на направление магнитного поля равна нулю. На рисунке 5 направление магнитного поля совпадает с осью x, и орбиталь р_х имеет значение магнитного квантового числа, равное нулю. Для сферы (s-орбиталь) величина l =0. Ее проекция на любое выбранное направление дает нуль, т.к. проекция одной половины шара компенсирует проекцию другой. При этом единственное (m_l=2*0+1=1) значение магнитного квантового числа-нуль.

Спиновое квантовое число(m_l): Характеризует собственный магнитный момент электрона.

Его наличие, вытекающее из опытных данных, объясняется следующим образом.

Когда три квантовых числа определены, то волновая функция описывает конкретный электрон, обладающий определенным запасом энергии, и обыкновенно в таком случае называется атомной орбиталью. Однако, кроме этих трех квантовых чисел, есть еще одно, которое выводится уже не из решения волнового уравнения. Оно было введено в 1925 г. Дж. Уланбеком и с. Гоудсмитом. На основании изучения многочисленных атомных спектров пришли к выводу, что объяснить некоторые особенности спектров можно лишь в том случае, если ввести еще одну дополнительную характеристику для электрона. Они постулировали наличие у электрона вращения вокруг оси наподобие волчка, и от английского слова spining- вращаться вошел в обиход термин «спин электрона». Это является как бы данностью корпускулярным свойствам электрона.

Рис.4

Важным для нас является то, что магнитные измерения позволяют найти зависимости между спектрами и характеристиками электрона. Особенностью этого четвертого квантового числа m_s является особенность принимать только два возможных значения Ѕ и -Ѕ. Согласно классической механике электрон- маленький шарик с отрицательным зарядом. Вращаться вокруг своей оси он может либо в одну сторону, либо в противоположную.

Таким образом, в зависимости от направления вращения (рис.4) ему приписывают m_s=Ѕ или m_s=-Ѕ. Спин электрона создает его собственный магнитный момент, направление которого совпадает с направлением вектора.

Если у электронов одинаковые три квантовых числа n,l и m_l , то они находятся на одной атомной орбитали. Если имеются два электрона на этой орбитали, у которых спины имеют обратные значения (m_s=Ѕ и m_s=-Ѕ), то их магнитные моменты направлены противоположно и должны взаимно компенсировать друг друга. Однако электрон, которому нельзя противопоставить другой электрон с противоположным спином, дает вклад в магнитный момент атома или молекулы. Этим, в частности, объясняются магнитные свойства кислорода, который в жидком состоянии способен отклоняться в магнитном поле. Благодаря этому атомные орбитали с одинаковыми n,l и m_l содержат по два электрона с одинаковой энергией.

5.Электронные орбитали в атоме

Химия в первую очередь интересуется состоянием электронов в атоме. Представления о ядре ограничиваются в основном сведениями о его заряде и массе, хотя для более подробного описания ядра атома также привлекаются положения квантовой теории. Четких границ ядра, как и четких границ атома не существует. Изучение рассеяния быстрых заряженных частиц показало, что для подавляющего большинства ядер можно принять его форму за сферу радиусом r=1,1*10^-13см

(в 100 000 раз меньше радиуса атомов~10^-8см). Радиус 10^-13см равен расстоянию от центра ядра до точки, где плотность уменьшилась вдвое по сравнению с плотностью в центре.

Массы всех ядер считаются целочисленными, а заряды равными числу протонов, совпадающему с порядковым номером элемента. Кроме протонов, в ядре имеются нейтроны, связанные попарно с протонами в единую частицу (p+n)-нуклон. Положительно заряженное ядро создает довольно значительное электромагнитное поле, в котором и происходит движение электронов.

Однако когда электронов много, то заряд ядра экранируется от электронов, расположенных на дальних орбиталях, теми, что находятся ближе к ядру. Насколько эффективно действует такой экран, зависит как от числа внутренних электронов, так и от характера самой атомной орбитали, на которой находится электрон.

Для рассмотрения электронных состояний обычно используются концепции одноэлектронного приближения. Сделанное на основе изучения спектров атомов и молекул, его вполне достаточно для разъяснения большинства положений об электронной конфигурации атома. Под последним термином подразумевают распределение электронов по разным орбиталям. В основе одноэлектронного приближения лежат два допущения:

1. Электроны в многоэлектронном атоме следует размещать в системе орбиталей, формально таких же как и орбитали атома водорода. Иначе говоря, волновые функции, полученные решением волнового уравнения для атома водорода, при различных значениях квантовых чисел сохраняются и для других.

2. Допуская, что любой атом имеет набор орбиталей, соответствующий водородным, на самом деле предполагают, что отдельный электрон движется в усредненном сферически симметричном поле, создаваемом ядром и всеми другими электронами.

В итоге этих двух допущений принимают, что электроны «больших» атомов занимают атомные орбитали, аналогичные орбиталям водорода, но с оговоркой, что энергия этих орбиталей может отличаться и весьма значительно от энергий, соответствующих простейшему случаю. Данные, получаемые из атомных спектров, а также прямые измерения энергии ионизации, затраченной для удаления электрона с данной орбитали, показывают, что относительный порядок энергетических состояний меняется в зависимости от заряда ядра атома. Такой порядок можно изобразить в виде схемы энергетических уровней.

6.Электроны запасаются энергией

Рассмотрим некоторые закономерности поглощения светового излучения атомами или молекулами. Квантовомеханическая теория установила, что эти частицы могут принимать и отдавать энергию отдельными порциями- квантами. В фотохимии и в химии окрашенных веществ энергия, которой обладают кванты света, соответствует так называемым электронным переходам. В результате таких переходов энергетическое состояние атомов и молекул может принимать вполне определенный размер отдельных значений.

Рассмотрим любое химическое соединение, состоящее из нескольких атомов. Возьмем для примера молекулу зеленовато-желтоватого газа-хлора. Эта молекула состоит из двух атомов, содержит два ядра и 34 электрона. Ковалентная связь между атомами осуществляется двумя электронами: внешним электроном каждого атома хлора на 3p- орбитали. Если располагать наружные электроны по энергиям, то наибольшей энергией будут обладать именно эти два электрона.

Обычно энергия молекул изображается диаграммами молекулярных уровней (рис.5). Энергия электронов последней заполненной орбиты принимается равной нулю. Выше этого уровня s₀ находятся незаполненные молекулярные уровни s_1,s₂ и т.д. Это уровни, которые свободны в обычном состоянии, но могут заполняться, если электрону сообщить дополнительную энергию («возбудить») и перевести его нулевого уровня молекулы на более высокий. Поглощение кванта света с энергией E=hн, равной разности между E_s1 -E_s0 , приведет к переходу одного электрона на уровень s₁ . Если энергия кванта света больше и равна E_s2 -E_s0 , то электрон перейдет на уровень s₂.

Пара электронов на уровне s₀ по всем своим квантовым характеристикам одинакова, кроме одной - спина, т.е. они, вращаются вокруг собственных осей в противоположных направлениях (напомним, что спин электрона может принимать только два значения +Ѕ и -Ѕ ).

В состоянии s₀ суммарный спин равен 0 (так как +Ѕ + (-Ѕ)=0). Такое состояние обозначается термином «синглетное». Если при возбуждении электрон переходит на другой уровень, а спин его не меняется, то суммарный спин в возбужденном состоянии также равен нулю (синглетное возбужденное состояние s*). Однако возможен случай, когда при возбуждении электрон, переходя в другое состояние, меняет значение своего спина и тогда спины электронов, находящихся на основном и возбужденном уровне, параллельны и суммарный спин будет равен единице: +Ѕ + (+Ѕ)=1, -Ѕ + (-Ѕ)=-1. Такое состояние называется триплетным. Оно более устойчиво, чем синглетное, и время нахождения молекул в нем от 10^-3 до нескольких секунд.

Триплетное состояние характеризуется меньшей энергией, чем синглетное возбужденное состояние (рис.6.).

Через некоторое время электрон начинает отдавать энергию и самопроизвольно переходит с синглетного возбужденного состояния на триплетный (рис.6.), что сопровождается изменением цвета вещества и различными иногда очень красочными световыми явлениями фосфоресценции, люминесценции и флуоресценции.

Именно эти процессы обусловливают свечение различных веществ в темноте. Вы, Вероятно, встречались с картинками, нарисованными такими красками, которые начинают светиться, стоит их только немного подержать на ярком солнечном или электрическом свете. Это электроны в молекулах фосфоресцирующих веществ, запасшиеся энергией от световых лучей, начинают ее отдавать в темноте.

В возбужденном синглентном состоянии молекула может находиться очень недолго, примерно 10^-8 -10^-9 сек. За это время она может излучить квант света - именно этим вызывается явление флуоресценции. Может безызлучательно растратить энергию возбуждения, при этом происходит увеличение колебательной энергии самой молекулы и молекул среды. Возможен сопровождающийся излучением или безызлучательный переход молекулы в триплетное состояние. Кроме того, молекула может потерять энергию возбуждения при столкновении с другими молекулами-тушителями. И наконец, возбужденная молекула может вступить в фотохимическую реакцию. По какому из этих путей пойдет процесс? Это в большей степени зависит от соотношения констант скоростей соответствующих реакций и условий поведения фотохимического процесса.

Итак, квант света воздействует на электроны молекулы, переводит их в иное состояние. Если электрон из всего видимого спектра «чувствителен» к какому-то определенному виду лучей, то мы видим цвет вещества. Так, электроны, связывающие атомы в молекуле хлора, восприимчивы к зеленовато-желтому участку спектра; в металлическом натрии- к красному.

Когда энергия кванта достаточно велика, то возможно более сильное взаимодействие фотона и электрона. В таком случае электрон переходит на более высокий энергетический уровень и некоторое время спустя излучает запасенную энергию. В этом состоит существо рассмотренной ранее фосфоресценции и флуоресценции. Волны, излучаемые электроном, как правило, иной длины. Поэтому серый и белый сульфид цинка становится голубым, оранжевым или синим и светится в темноте.

Электронно-возбужденные молекулы представляют собой по сути дела новые молекулы, характеризующиеся своим распределением электронной плотности, структурой, своим химическими свойствами. Наличие избытка энергии делает возбужденную молекулу химически более активной, чем исходная молекула. Таким образом, вещество может приобретать цвет не только под действием видимого света, то и в результате взаимодействия с электромагнитными колебаниями в более широком диапазоне. С теми, что находятся на невидимых концах радуги,- инфракрасным и ультрафиолетовыми лучами.

7.Как возникает цвет

Молекула, поглотившая квант света, не может долго находиться в возбужденном состоянии. В течение миллионных долей секунды она стремится тем или иным путем израсходовать полученную энергию, а возбужденный электрон- скачком вернуться в свое стабильное прежнее состояние. Отдача электронами энергии может происходить несколькими способами, один из которых носит понятие резонансного излучения. Молекулы вещества, обладающего цветом, поглощая световые кванты определенной частоты, начинают резонировать- испускать кванты излучения, которые воспринимаются нами как цвет вещества. вещество поглощает одни кванты, а отдает другие. За короткое мгновение существования возбужденного состояния часть энергии, воспринятой электроном от светового кванта, успевает рассеяться. Поэтому квант, излучаемый красителем меньше, чем тот, что был поглощен, а длина волны его больше. Спектр испускания красителя всегда сдвинут в длинноволновую сторону по сравнению со спектром поглощения.

Таким образом, цвет обусловлен двумя потоками излучения. Первый- это тот, что прошел сквозь вещество и отразился от него. В этом потоке нет уже квантов той резонансной частоты, которая поглощена веществом. Это явление мы и воспринимаем как появление цвета. Второй поток возникает в результате того, что возбужденный электрон скачком возвращается в свое прежнее состояние, а избыточная энергия высвечивается в виде квантов вторичного излучения- флуоресценции. Спектр, вторичного излучения красителя, представляет собой кривую, являющуюся зеркальным отражением кривой поглощения. Кривые поглощения и высвечивания частично пересекаются.

Цвет вещества представляет собой суммарный эффект из спектров поглощения и испускания. Зная, что цвет- результат сочетания двух компонентов, можно воспользоваться этим для превращения невидимого света в видимый. Освещая невидимыми ультрафиолетовыми лучами слой вещества (люминофора), способного поглощать ультракороткие кванты, мы можем вызвать высвечивание уже в видимой части спектра. Именно на этом принципе работают ртутные лампы дневного света. Путем подбора люминофоров добиваются приближения спектра испускания таких ламп к спектральному составу дневного света.

Можно, напротив, преобразовать более длинноволновое- инфракрасное излучение- в видимый цвет. Для этого используют перекрывание областей поглощения и испускания. Если выбрать свет, кванты которого лежат в общей области (поглощения и испускания), то цвет вещества будет воспроизводиться, как обычно, в пределах всей полосы высвечивания. При этом часть квантов излучения окажется более коротковолновой, чем свет поглощенный. Казалось бы, мы получили кванты с большей энергией, чем исходные, а это противоречит закону сохранения энергии. Однако противоречие кажущееся. Хотя часть излучения действительно содержит кванты большей частоты, но общий энергетический выход меньше, чем поглощенная энергия. На подобном принципе основано действие приборов ночного видения. Благодаря таким приборам мы можем в темноте различать предметы по невидимому глазом тепловому излучению, которое эти приборы преобразует в видимое.

На основе сочетания спектров поглощения и испускания в цвете вещества работают так называемые самосветящиеся краски. Создаются они путем добавления к обычным красителям веществ, способных преобразовывать в видимый цвет излучение из диапазонов, соседних с этой частью спектра, - ультрафиолетовое и инфракрасное. Они находят самое разнообразное применение от рекламных объявлений до покрытия фезюляжей самолетов. Секрет их необычной яркости в том, что они не только отражают видимые лучи (как и обычные красители), но и превращают в видимый свет часть поглощенных коротковолновых лучей из солнечного света. При использовании невидимой глазом ультрафиолетовой подсветки самосветящиеся краски дают необычайно яркие и контрастные изображения.

Такие краски способны некоторое время светиться в темноте. Это явление было названо фосфоресценцией, так как внешнее его проявление похоже на свечение фосфора (в действительности же фосфор светиться по иным причинам). Суть фосфоресценции красителей состоит в том, что электрон при своем возвращении на основной уровень может задержаться на некотором промежуточном. Происходит такая задержка потому, что электрон до момента своего возвращения уже успел растратить часть энергии. Чтобы совершить прыжок в исходное состояние, он должен сначала набрать энергию ,затем опять подняться на уровень возбуждения и затем скачком вернуться в исходное состояние. Все это требует времени. Если температура достаточно высока, то за счет теплового движения энергию набрать легко. Если же температура низкая, а состояние красителя твердое или стеклообразное, то процесс замедлен, и фосфоресценция может длиться долго. Это позволяет готовить твердые или стеклообразные составы, способные долгое время светиться в темноте.

Размещено на Allbest.ru