液态金属的颜色效应探究

金属的颜色一直是一个热门的研究点，为了弄清楚金属的呈色原理，这里先介绍一下颜色的形成。颜色依赖于光的存在，而光是一种电磁波，有着极其宽广的波长范围，其中只有波长在400～700 nm范围内的电磁波对人类的视觉神经有刺激作用，称为可见光。人眼感受到可见光才能感受到“颜色”。

光作为一种能量流，在穿过物质时，能引起物质的价电子跃迁或影响原子的振动而消耗能量，此即光的吸收。光子能够被分子、原子吸收，引发其能级跃迁。金属对可见光的吸收之所以很强烈，是由于金属的价电子处于未满带，吸收光子后即呈激发态，不用跃迁到导带即能发生碰撞。金属颜色由所吸收、反射的可见光波的波长决定，而这又与金属内晶格排列、自由电子数目等有关。

部分金属并非银白色的原因，是由于一些其他因素对带结构的影响。比如金，费米能级（6s）下方有d带（5d），由于相对论效应使6s轨道收缩，5d膨胀，最终导致两个带的带隙减小，只有2eV左右，因此对可见光有吸收。铜的特殊颜色是由全满的3d亚层和半满的4s亚层之间的电子跃迁导致的，这两个亚层之间的能量差正好对应于橙光。铯和金呈现黄色也是这个原理。

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图3.2　镓的电子能级及原子结构

镓有31个核外电子（图3.2），镓原子的基态电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p1。当光线照射到液态金属镓的表面上时，光子就能把电子从下面的能带激发到上面的能带上，光子本身被电子吸收了。液态金属镓的能带上部存在大量的空轨道，而且相邻轨道之间的能量差非常小，因此，任何波长的光子进入液态金属表面时，都能将液态金属内部的自由电子激发到能带上部的空轨道上，但电子很快便跳回到较低能态而放出光子（但少数光子的能量会转化为热能），所以绝大多数的光子进入反射波中；而由于反射的光一般包括所有可见波长的光，故液态金属显示出银白色。

液态金属镓和镓铟合金在400～2 000 nm（包括可见光波段）对光的反射率高达80%～90%，因此液态金属一元或二元合金呈现银白色。