光与色的化学特性

日期:  
2019年 9月 28日
作者: 
Anne Corning  | 
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您知道2019年是元素周期表诞生150周年吗?1869年,俄罗斯化学教授门捷列夫(Dmitri Mendeleev)发表了他的元素周期表版本,该版本获得了广泛的认可,原因主要有以下两个:

  1. 他在该元素周期表中留下了一些空白,在这些空白位置似乎还有尚未发现的元素。已知元素周期表中的趋势使他能够预测那些缺失元素的性质,比如镓(Ga)。
  2. 他没有按照元素的原子量来对它们进行排序,而是按照化学族来排列它们(将具有相似特性的元素分组排列)。

门捷列夫元素周期表,约在1871年发表。

门捷列夫初始发表的元素周期表只包含63个元素;持续的研究和发现使如今的元素周期表上显示的元素总数量通常达到108-109个。为了庆祝元素周期表诞生150周年,美国能源部爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory)创建了一个互动式元素周期表

颜色的外观

光(包括可见光和不可见光)是太阳辐射产生的一种电磁现象。人类通过光与我们眼睛的视杆细胞、视锥细胞和视觉系统的其他生物元素相互作用来感知颜色。当光与物体相互作用时,该物体的物理特性(包括其化学成分)决定了它吸收、反射和/或发射光线的方式,这会影响我们在视觉上如何感知物体。

可见光包含从紫罗兰色到红色的所有颜色。当电子从光中吸收能量并变为“激发”状态(上升到能量增加状态)时,物体就有了颜色。被激发的电子吸收某些波长的光线。人类看到的是所吸收波长的互补色,即未被吸收的剩余波长的光。举例来说,如果物体吸收红色波长光,我们会感知到其为绿色(红色的互补色)。

被吸收光波长的相应颜色和互补色(我们所看到的)(图片来源:LibreTexts™ Chemistry)。

化学品的颜色

许多化学品和化合物看起来是无色的,因为它们吸收了并非可见光谱一部分的紫外光或其他波长的光。看起来有颜色的化学品吸收了可见光谱中的波长;这些有色化学品被称为发色团。我们感知的颜色及其亮度和强度取决于物质吸收光谱的形状,这源自于物质的化学结构。

化合物叶绿素a(C55H72MgN4O5)的吸收光谱。因为它主要吸收紫罗兰色/蓝色和橙色/红色波长,叶绿素a(该物质对植物的光合作用至关重要)在我们的眼睛里看起来是绿色的,这使植物呈现绿色。(图片来源:NASA)

化学发光特性

正如每种物质都有自己的吸收光谱一样,每种物质也都具有相应的发射光谱,这是完全相反的。虽然吸收是由电子的激发引起的,使电子从较低的能级移动到较高的能级,但发射是由于电子回落到较低的能量状态(“松弛”)引起的,这会释放光子(电磁辐射单位)。释放的光子在各种波长下行进,为每种物质创建了标记图,其可以用可见光谱(即在一种色图中)表示。

科学家们拥有一种确定物质标记图的方法,以评估其元素组成。当来自物质的发射光穿过棱镜时,它将被衍射成不同的频率,从而创建彩色线条标记图图案,称为“原子发射光谱”,其对于每个元素是独一无二的。通过查看物质的标记图(原子发射光谱),我们可以确定存在哪些元素。

氢(H)、氖(Ne)和铁(Fe)的原子发射光谱(图片来源:Mathematica.Stackexchange.com)

发冷光(也称为冷体辐射)描述了物质由于电子激发和光子释放而发射可见光。激发通常是光吸收的结果,但化学反应、物理搅动或电流等其他刺激也会导致光子的发射。有些物质仅在暴露在光线下激发原子后才会发出可见光;其他物质(比如磷(P))则会由于化学发光而发光,化学发光是指磷与氧(O)接触时发生的化学反应。

当被加热时或者通过施加电能来激发其原子时,气态元素将可以发光。后一种激发方法是霓虹灯(该专用名词是约定成俗的,但在技术上用词并不恰当,因为它们并不都含有氖气)的产生原理。装有不同气体的玻璃管用于产生各种颜色,例如:氦(He)发出粉红色,氖(Ne)产生橙红色光,氩(Ar)是蓝色,氪(Kr)是淡绿色,氙(Xe)则发出淡蓝色。

一种多色调霓虹灯:将玻璃管弯曲成不同形状,里面充满各种气体,然后施加电流以激发电子并产生稳定的光。

LED的化学特性

LED(发光二极管)利用光与色的化学和电磁特性。LED由半导体材料(在某些条件下导电的材料)制成。在元素周期表的中心找到的元素通常是阻碍电流流动的绝缘体,但一种称为“掺杂”(混入其他材料)的化学过程会将它们变成半导体。

举例来说,硅(Si)通常为绝缘体,但是添加少量锑(Sb)原子将增加自由电子的数量,从而产生“n型”(负型)半导体。如果以同样的方式将硼(B)原子添加到硅中,它们将有效地从硅中带走电子,使得电子应该存在的位置成为“空穴”。这种类型的硅被称为p型(正型),因为这些空穴带有正电荷;这些空穴也可能四处移动。

通常,LED半导体使用基于镓(Ga)的材料,例如氮化镓(GaN)或磷化镓(GaPO4)。LED所发射光线的颜色由其使用的材料决定。LED由两层半导体材料组成,半导体材料中掺杂了其他材料,以产生n型和p型层。当施加电流时,n型层中的电子和p型层中的电子空穴都将被驱动到夹在两个半导体层之间的有源层(或导电层)。然后,自由电子进入空穴中,以光子或可见光的形式释放能量。

LED简化示意图。(图片提供:www.ucusa.org)

n型与p型层之间的能量差称为带隙。带隙的大小决定了LED所发出光线的颜色。带隙越大,所产生的光波长则越短。因此,对于红光LED(红光具有较长的波长)而言,仅需要较小的带隙。对于蓝光LED而言,则需要较大的带隙。

由于生产具有较小带隙的LED更容易,因此为了创建生产蓝光LED所需的较大带隙,开发人员花了一些时间才发现材料的合适化学混合比例。蓝光LED最终在20世纪90年代使用氮化镓成功创建(了解更多有关蓝光和蓝光LED的信息)。由于需要所有三种光色的LED(红光、绿光和蓝光)来产生一系列光色,包括白光,这个里程碑使得制造商能够实现生产基于LED的电子设备(比如灯和显示器)所需的光色混合。

上述信息图表描述了不同光色LED灯的化学成分。查看全尺寸图片。(图片来源:Compound Interest)

测量LED的亮度和色度

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