När ljuset träffar ett objekt har det vanligtvis inte bara en enda frekvens (eller våglängd) utan många. Objekt har en tendens att selektivt absorbera, reflektera eller överföra ljus av vissa frekvenser. Det vill säga ett objekt kan reflektera grönt ljus medan du absorberar alla andra frekvenser av synligt ljus. Ett annat objekt kan selektivt överföra blått ljus samtidigt absorbera alla andra frekvenser av synligt ljus., Det sätt på vilket synligt ljus interagerar med ett objekt är beroende av ljusets frekvens, atomernas natur i objektet och ofta elektronernas natur i objektets atomer.
vissa material tillåter att mycket av det ljus som faller på dem överförs via materialet utan att reflekteras. Material som tillåter överföring av ljusvågor genom dem kallas optiskt transparent. Kemiskt ren (undoped) fönsterglas och ren flod eller källvatten är främsta exempel på detta.,
material som inte tillåter överföring av ljusvågsfrekvenser kallas ogenomskinliga. Sådana ämnen kan ha en kemisk sammansättning som innehåller vad som kallas absorptionscentra. De flesta material består av material som är selektiva i deras absorption av ljusfrekvenser. Således absorberar de endast vissa delar av det synliga spektrumet. Frekvenserna i spektrumet som inte absorberas reflekteras antingen tillbaka eller överförs för vår fysiska observation. I den synliga delen av spektrumet är detta vad som ger upphov till färg.,
Absorptionscentra är i stor utsträckning ansvariga för utseendet av specifika våglängder av synligt ljus runt omkring oss. Flytta från längre (0,7 mikrometer) till kortare (0,4 mikrometer) våglängder: röd, orange, gul, grön och blå (ROYGB) kan alla identifieras av våra sinnen i utseendet av färg genom selektiv absorption av specifika ljusvågfrekvenser (eller våglängder). Mekanismer för selektiv ljusvågsabsorption inkluderar:
- elektronisk: övergångar i elektronenerginivåer inom atomen (t.ex. pigment)., Dessa övergångar är typiskt i ultravioletta (UV) och/eller synliga delar av spektrumet.
- vibration: resonans i atomära / molekylära vibrationella lägen. Dessa övergångar är typiskt i den infraröda delen av spektrumet.
UV-Vis: Electronic transitionsEdit
i elektronisk absorption är frekvensen för den inkommande ljusvågen vid eller nära elektronernas energinivåer inom de atomer som komponerar ämnet., I detta fall kommer elektronerna att absorbera ljusvågens energi och öka deras energitillstånd, som ofta rör sig utåt från atomens kärna till ett yttre skal eller orbital.
de atomer som binder samman för att göra molekylerna av något visst ämne innehåller ett antal elektroner (givet av atomnummer Z i det periodiska diagrammet). Minns att alla ljusvågor är elektromagnetiska ursprung. Således påverkas de starkt när de kommer i kontakt med negativt laddade elektroner i materia., När fotoner (enskilda paket med ljusenergi) kommer i kontakt med valenselektroner av atom, kan och kommer en av flera saker att inträffa:
- en molekyl absorberar fotonen, en del av energin kan gå förlorad via luminiscens, fluorescens och fosforescens.
- en molekyl absorberar fotonen som resulterar i reflektion eller spridning.
- en molekyl kan inte absorbera fotonens energi och fotonen fortsätter på sin väg. Detta resulterar i överföring (förutsatt att inga andra absorptionsmekanismer är aktiva).,
För det mesta är det en kombination av ovanstående som händer med ljuset som träffar ett objekt. Staterna i olika material varierar i det energiområde som de kan absorbera. De flesta glasögon, till exempel, blockerar ultraviolett (UV) ljus. Vad som händer är elektronerna i glaset absorberar energin hos fotonerna i UV-området samtidigt som man ignorerar den svagare energin hos fotoner i det synliga ljusspektrumet. Men det finns också befintliga speciella glastyper, som speciella typer av borosilikatglas eller kvarts som är UV-permeabla och därmed möjliggör en hög överföring av ultraviolett ljus.,
således, när ett material är upplyst, kan enskilda fotoner av ljus göra valenselektroner av en atom övergång till en högre elektronisk energinivå. Fotonen förstörs i processen och den absorberade strålningsenergin omvandlas till elektrisk potentiell energi. Flera saker kan hända då till den absorberade energin: det kan åter emitteras av elektronen som strålningsenergi( i detta fall är den övergripande effekten i själva verket en spridning av ljus), avledas till resten av materialet (dvs, omvandlas till värme), eller elektronen kan befrias från atomen (som i fotoelektriska och Compton effekter).
infraröd: Bond stretchingEdit
normala vibrationslägen i ett kristallint fast ämne
den primära fysiska mekanismen för lagring av mekanisk rörelseenergi i kondenserad materia är genom värme eller termisk energi. Termisk energi manifesterar sig som rörelseenergi. Således är värme rörelse på atomära och molekylära nivåer. Det primära rörelsessättet i kristallina ämnen är vibrationer., Varje given atom kommer att vibrera runt någon genomsnittlig eller genomsnittlig position inom en kristallin struktur, omgiven av sina närmaste grannar. Denna vibration i två dimensioner motsvarar svängningen av en klockans pendel. Det svänger fram och tillbaka symmetriskt om någon genomsnittlig eller genomsnittlig (vertikal) position. Atomära och molekylära vibrationsfrekvenser kan i genomsnitt i storleksordningen 1012 cykler per sekund (Terahertz strålning).,
När en ljusvåg av en given frekvens slår ett material med partiklar som har samma eller (resonant) vibrationsfrekvenser, kommer dessa partiklar att absorbera ljusvågens energi och omvandla den till termisk energi av vibrationell rörelse. Eftersom olika atomer och molekyler har olika naturliga frekvenser av vibrationer, kommer de selektivt att absorbera olika frekvenser (eller delar av spektrumet) av infrarött ljus., Reflektion och överföring av ljusvågor uppstår eftersom ljusvågornas frekvenser inte matchar objektets naturliga resonansfrekvenser. När infrarött ljus av dessa frekvenser träffar ett objekt reflekteras eller överförs energin.
om objektet är transparent, överförs ljusvågorna till närliggande atomer genom huvuddelen av materialet och återges på motsatt sida av objektet. Sådana frekvenser av ljusvågor sägs överföras.,
transparens i insulatorsEdit
ett objekt kanske inte är transparent antingen för att det reflekterar inkommande ljus eller för att det absorberar inkommande ljus. Nästan alla fasta ämnen reflekterar en del och absorberar en del av det inkommande ljuset.
När ljuset faller på ett metallblock möter det atomer som är tätt packade i en vanlig gitter och ett ”elektronhav” som rör sig slumpmässigt mellan atomerna., I metaller är de flesta av dessa icke-bindningselektroner (eller fria elektroner) i motsats till de bindningselektroner som vanligtvis finns i kovalent bundna eller joniskt bundna icke-metalliska (isolerande) fasta ämnen. I en metallbindning kan eventuella bindningselektroner lätt förloras av atomerna i en kristallin struktur. Effekten av denna delokalisering är helt enkelt att överdriva effekten av ”elektrons hav”. Som ett resultat av dessa elektroner reflekteras det mesta av det inkommande ljuset i metaller tillbaka, varför vi ser en glänsande metallyta.,
de flesta isolatorer (eller dielektriska material) hålls samman av jonbindningar. Således har dessa material inte fria ledningselektroner, och bindningselektronerna återspeglar endast en liten del av den infallande vågen. De återstående frekvenserna (eller våglängderna) är fria att sprida (eller överföras). Denna klass av material innehåller alla keramik och glasögon.
om ett dielektriskt material inte innehåller ljusabsorberande additivmolekyler (pigment, färgämnen, färgämnen) är det vanligtvis transparent för spektrumet av synligt ljus., Färgcentraler (eller färgmolekyler eller ”dopanter”) i en dielektrisk absorberar en del av det inkommande ljuset. De återstående frekvenserna (eller våglängderna) är fria att reflekteras eller överföras. Så här produceras färgat glas.
de flesta vätskor och vattenlösningar är mycket transparenta. Till exempel är vatten, matolja, gnidningsalkohol, luft och naturgas alla klara. Frånvaro av strukturella defekter (hålrum, sprickor etc.) och molekylstruktur hos de flesta vätskor är huvudsakligen ansvariga för deras utmärkta optiska överföring., Vätskans förmåga att ”läka” inre defekter via visköst flöde är en av anledningarna till att vissa fibrösa material (t.ex. papper eller tyg) ökar deras uppenbara transparens när de fuktas. Vätskan fyller upp många hålrum vilket gör materialet mer strukturellt homogent.
ljusspridning i ett idealiskt defektfritt kristallint (icke-metalliskt) fast ämne som inte ger några spridningscentra för inkommande ljus beror främst på eventuella effekter av anharmonicitet inom det beställda gallret., Ljustransmission kommer att vara mycket riktad på grund av den typiska anisotropi av kristallina ämnen, som inkluderar deras symmetri grupp och bravais gitter. Till exempel är de sju olika kristallina formerna av kvarts kiseldioxid (kiseldioxid, SiO2) alla klara, transparenta material.