金子为什么是金色｜混乱博物馆
2017/5/27 22:45:18混乱博物馆 大象公会

    

     这是一件 99.99%高纯度的金标本。

     你有没有想过，为什么别的金属总是银白色，唯独金子是高贵的金黄色？

    

     然而你相信吗？这些液体的缤纷色彩，也来自货真价实的金，而且是金属状态的金。

     以下为视频文字稿：

     从小就知道“黄灿灿的金子”，可你有没有想过为什么大多数金属都是银色，金子偏偏就是金色？这个问题可远比一般人想象得博大精深多了。

     首先，所谓金色就是黄色带有强烈的反光，即所谓“金属光泽”——与表面平滑带来的光泽不同，金属只要没有研成极细的粉末，即便表面粗糙也能熠熠生辉，这是它们独特的材料属性，与它们良好的导电性关系密切。

     我们在中学时代就知道，金属容易失去最外层的电子，在金属晶体内部形成一个自由电子的汪洋大海，这给金属带来了良好的导电性，同时，这些自由电子也形成了一个等离子体，可以与电磁波相互作用。

     光是电磁波，当它撞上金属的表面，就会在电子汪洋中掀起涟漪，消耗很多能量；光又是粒子，不能合并或拆分，物质必须一个一个地吸收它们——出于这些量子力学机制，只有那些能量非常高的光才能被金属吸收，可见光能量太低，全被反射掉了，这让金属焕发出极强的白色光泽，或者说“银色”。

     但黄金的原子序数颇高，这使得它们不但受这些量子机制的约束，还显著地体现出了相对论效应——我们用相对论量子化学研究它。

     简单地说，原子周围束缚着很多电子，它们按照能量高低分层排布，最外层的电子决定了原子的大部分物理化学性质。

     而金原子有六层电子，最内层的那个电子有极高的能量，可以理解为以 65%的光速飞驰，狭义相对论带来的质量效应不可忽略，这个电子因此变得沉重，轨道半径缩小，使得最外层电子的轨道也跟着缩小，因此变得格外稳定，稳定的外层电子给金带来了相当稳定的化学性质。在自然界中，它几乎是唯一一种总以单质形态出现，不需要冶炼就能获得的金属元素，这让它所有古老文明中都占据了极重要的位置。

     不仅如此，更小的轨道半径使得金原子的外层电子更加容易跃迁，体现在宏观上，就是可以吸收能量更低的光子——比如可见光中的蓝紫光。由于颜色的互补原理，它们就展现出了鲜艳的橙黄色。

     但事情并没有就此结束，我们既然知道了金色的来源，就有机会改变它们的颜色：金子研磨成粉通常还是金色，可以用作昂贵的颜料甚至化妆品。

     但如果我们采用一些特殊的手段，制备出纳米尺度的超细金粉，就会发现它们在水中形成了深浅不同的红色胶体，如果进一步控制颗粒的形状，就能让它们变出赤橙黄绿青蓝紫，各种颜色。

     这是因为纳米级的金颗粒尺寸太小，其中的自由电子不足已形成汪洋，只能形成水洼，可见光在其表面掀起的电磁波涟漪会强烈地共振，影响可见光的吸收频率，就如同松紧不同的琴弦能奏出丰富的乐音，形状不同的金颗粒也发出了绚丽的色彩。

     “混乱博物馆”由大象公会的主笔刘大可老师创立，欢迎扫描下方二维码关注“混乱博物馆”订阅号。

    

    

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