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金属光泽从哪来?

2019-01-13 22:08:22 来源:亮剑军事网

  金属具有独特的质感,而且金属光泽别具特色,那么问题来了,金属光泽究竟是从何而来呢?其实,这个问题既是一个物理问题,也是一个化学问题,但归根结底是个物理问题。
我们平时见到的金属光泽,实际上是强烈的镜面反射,只要能将大量入射光线集中地反射回来,就会产生金属光泽,水面上的油渍甚至昆虫的外骨骼都有这样的特性。然而相比其他各种材料,金属的镜面反射能力就值得一提了。
镜面反射大概算得上是中学物理最简单的概念,我们对它的理解往往集中于“反射面非常光滑”这一点上。然而简单想一想,并非所有材料经过抛光都能像金属那样熠熠生辉:比如大理石地板足以映出人的倒影,却仍然一派幽黑;陶瓷也可以做到细腻光滑,却从来不能闪烁银光;反之,一口破铝锅,哪怕用钢丝球磨得一塌糊涂也仍能泛出白花花的光晕,所以,材料特性也是影响光反射的重要因素。
中学化学告诉我们,金属元素的最外层电子通常较少,易于丢失,表现为强烈的还原性。而在金属晶体内部,这几个外层电子会被金属原子“放弃”,在整个晶体内部构成一个自由电子的汪洋大海,相当于一个弥漫的等离子体,这不仅给金属带来了良好的导电性,还带来了对可见光强大的反射能力。前者比较简单,在中学课上就已经讲过;而要理解它们对可见光的反射,就需要一些额外的扩展知识了。

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电磁波


首先,光是电磁波,一组交互变换的电场和磁场。当它抵达金属表面上的时候,电场部分就会在自由电子的汪洋大海中掀起一波涟漪,并在此过程中消耗能量。如果用术语描述,就是“电磁波激起了等离子体振荡”。
宏观物体有一个固有频率,只与物体自身有关,而与外力无关,比如无论怎么敲打玻璃杯,玻璃杯发出的声音频率都一样;等离子受高频电磁波扰动而振荡时也会有一个固有频率,称为“等离子体频率”,它只与等离子体中的自由电子密度有关,而与电磁波的强度无关,但接下来的事情就与宏观世界非常不同了。
在我们的经验里,给振子施加外力,无论力的大小如何都能让振子运动起来,只是振幅不同;但是在微观世界里,量子效应就会表现出来:电磁波既是波也是粒子,这种粒子就是光子,它的能量只由电磁波的频率决定。
一个光子进入等离子体,必须消耗能量激发一个等离子体频率的等离子振荡,剩下的能量才会继续传播;而如果一个光子的能量不足以激发这样一个振荡,就会被原封不动地弹开,无论多少光子都没有区别,不像宏观世界里那样可以累积起来。
换句话说,一个光子轰击在金属表面上,当且仅当它的频率大于等离子体频率时才能被吸收,否则就会被反射走。然而等离子体中的自由电子密度相当大,这就让金属中的等离子体频率相当高,通常要达到紫外线波段,频率更低的可见光就会被强烈反射,所以在同样的光滑程度下,金属对可见光的反射能力就比一般材料高出数倍。
但是出于另外一些更加复杂的机制,有些金属还能吸收某些特定波段的可见光,于是显出特有的颜色。
比如金由于相对论效应,可以吸收蓝紫色光,显出明亮的黄色;铜由于两个亚电子层之间的电子跃迁,可以吸收蓝色到黄绿色的光,表现出端庄的红色,而且比其他的金属暗一些。
所以可以预料,其他含有大量自由电子的材料也可能显出金属光泽,比如石墨由于独特的蜂窝状片层结构,每个碳原子都有一个富余的电子,这些电子几乎是自由的,所以煤炭和铅笔芯都有一种金属光泽。
而对于那些非常缺乏自由电子的材料,比如各种绝缘体,电磁波就不会遭遇这样的等离子体振荡,直接作用于材料的价电子,引起电子跃迁,消耗一部分能量,在宏观上通常表现为某些频率的可见光被吸收了。这不但让这些材料反光率更低,也让这些材料的颜色较金属更加丰富。
另外,还有一些材料,比如玻璃和许多晶体,能通过一系列的耦合作用,把光子传递到材料的另一侧,就表现为透明。这将涉及更加复杂的物理过程,这里就不再赘述了。

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