Pourquoi la plupart des métaux ont-ils une couleur argentée, l'or étant une exception?

Il n'est pas surprenant que la réponse à cette question repose fortement sur la théorie quantique, mais la plupart des gens seront surpris d'apprendre que la réponse complète apporte des considérations relativistes dans l'image. Nous parlons donc d'effets quantiques relativistes.

La partie quantique de l'histoire nous dit que la couleur des métaux tels que l'argent et l'or est une conséquence directe de l'absorption des photons par les électrons d. Cette absorption de photons fait sauter d électrons vers s orbitales. Typiquement, et certainement pour l'argent, la transition 4d → 5s a une grande séparation d'énergie nécessitant des photons ultraviolets pour permettre la transition. Par conséquent, les photons avec des fréquences dans la bande visible n'ont pas suffisamment d'énergie pour être absorbés. Avec toutes les fréquences visibles réfléchies, l'argent n'a pas de couleur propre: il est réfléchissant, une apparence que nous appelons «argentée».

Maintenant le peu relativiste. Il est important de réaliser que les électrons dans les orbitales s ont une probabilité beaucoup plus élevée d'être dans le voisinage du noyau. Classiquement, être proche du noyau signifie des vitesses plus élevées (cf. vitesse des planètes intérieures du système solaire avec celle des planètes extérieures).

Pour l'or (avec le numéro atomique 79 et donc un noyau fortement chargé), cette image classique se traduit par des vitesses relativistes pour les électrons dans les orbitales s. En conséquence, une contraction relativiste s'applique aux orbitales s de l'or, ce qui amène leurs niveaux d'énergie à se rapprocher de ceux des orbitales d (qui sont localisées loin du noyau et classiquement parlant ont des vitesses plus faibles et donc moins affectées par la relativité) . Cela décale l'absorption de la lumière (pour l'or principalement en raison de la transition 5d → 6s) de l'ultraviolet vers la plage bleue des fréquences inférieures. Ainsi, l'or a tendance à absorber la lumière bleue alors qu'il reflète le reste du spectre visible. Cela provoque la teinte jaunâtre que nous appelons «dorée».

Réflectivité en fonction de la longueur d'onde. La lumière violette / bleue correspond à 400 - 500 nm, l'extrémité rouge du spectre visible à environ 700 nm.

Voir: la couleur de l'or, chimie quantique relativiste.

Les électrons D dans les métaux permettent des transitions optiques dans le régime visible. La lumière visible peut être absorbée par des éléments ayant des électrons de valence non liés dans la couche d. Donc

Chimie: transition optique d-> s $ ^ 2 $

• Fer [Ar] 3d $ ^ 6 $ 4s $ ^ 2 $
• Étain [Kr] 4d $ ^ {10} $ 5s $ ^ 2 $ 5p (coque d complète)
• Aluminium [Ne] 3s $ ^ 2 $ 3p $ ^ 1 $ (est un cas particulier: pas d'électrons de valence d, mais réflectivité aluminium. Je n'ai pas d'autre explication que le calcul des équations de Fresnel. Cependant je ne sais pas pourquoi pour cette distinction.)
• Lead [Xe] 4f $ ^ {14} $ 5d $ ^ {10} $ 6s $ ^ 2 $ 6p $ ^ 2 $ (shell d complet)
• Zinc [Ar] 3d $ ^ {10} $ 4s $ ^ 2 $ (coque d complète)
• Tungstène [Xe] 4f $ ^ {14} $ 5d $ ^ 4 $ 6s $ ^ 2 $
• Nickel [Ar] 4s $ ^ 2 $ 3d $ ^ 8 $ ou 4s $ ^ 2 $ 3d $ ^ 9 $
• Cuivre [Ar] 3 $ d ^ {10 } $ 4 $ \ mathbf {s ^ 1} $ (un s et un shell d complet)
• Or [Xe] 4f $ ^ {14} $ 5d $ ^ {10} $ 6 $ \ mathbf { s ^ 1} $ (un s et une couche d complète)

Les métaux brillants, à l'exception de l'aluminium, ont d électrons. Un seul électron s et une couche d complète suggèrent une transition orbitale importante d à s $ ^ 2 $ dans le spectre visible. Une coque pleine est énergétiquement préférée. Il ne semble y avoir aucune explication à l'apparence colorée de l'or et du cuivre, à part une configuration électronique distinctive - au moins la chimie ne fournit pas de réponse.

Physique: changement de signe de $ \ epsilon (\ lambda) $ proche du bleu

Si la lumière absorbée est réémise (en fait réfléchie) pour le spectre visible entier , le métal semble brillant comme un miroir. En fait, nos miroirs de salle de bain sont faits d'un verre enduit d'aluminium à l'arrière.

Ici, la physique doit expliquer plus que simplement "y a-t-il un électron de valence". Une deuxième raison plus physique ne décrit pas son origine: la réflectivité, hors des équations de Fresnel en utilisant $$ n = \ sqrt {\ epsilon_r \ cdot \ mu_r} \ qquad \ text {avec} \ qquad \ epsilon_r = 1- \ frac {n_e e ^ 2} {\ epsilon_0m \ omega ^ 2} \ qquad \ text {avec un changement de signe à} \ qquad \ omega = \ omega_p $$

hors de le modèle de gaz d'électrons libres de Drude pour les électrons (et la densité des électrons $ n_e $) est élevé sur tout le spectre visible de ces métaux. Ce changement de signe à $ \ omega = \ omega_p $, la fréquence du plasma est la raison d'un changement de $ \ epsilon_r $, donc un changement d'indice de réfraction $ n $, dû aux équations de Fresnel, un changement de réflectivité. Si ce changement se produit dans le spectre visible, alors il y a des reflets colorés comme l'or. L'absorption bleue de l'or se produit, car la relativité restreinte doit être prise en compte pour cet élément lourd. Voir la meilleure réponse. Le cuivre et l'or n'ont pas une réflectivité élevée pour le bleu ($ \ approx 475 \, $ nm).

Tiré de http://www.webexhibits.org/causesofcolor/9.html

"La couleur des métaux peut être expliquée par la théorie des bandes, qui suppose que le chevauchement les niveaux d'énergie forment des bandes.

Dans les substances métalliques, les bandes de conduction vides peuvent se chevaucher avec des bandes de valence contenant des électrons. Les électrons d'un atome particulier peuvent passer à un état de niveau supérieur, avec peu ou pas d'énergie supplémentaire . Les électrons extérieurs sont dits "libres" et prêts à se déplacer en présence d'un champ électrique.

Le niveau d'énergie le plus élevé occupé par les électrons est appelé énergie de Fermi, niveau de Fermi ou surface de Fermi .

Au-dessus du niveau de Fermi, les niveaux d'énergie sont vides (vides au zéro absolu), et peuvent accepter des électrons excités. La surface d'un métal peut absorber toutes les longueurs d'onde de la lumière incidente, et les électrons excités sautent à un niveau supérieur. niveau d'énergie inoccupé. Ces électrons peuvent tout aussi facilement tomber au niveau d'énergie d'origine (après un court laps de temps) et émettre un photon de lumière de la même onde ength.

Ainsi, la plupart de la lumière incidente est immédiatement réémise à la surface, créant le lustre métallique que nous voyons dans l'or, l'argent, le cuivre et d'autres métaux. C'est pourquoi la plupart des métaux sont blancs ou argentés, et une surface lisse sera hautement réfléchissante, car elle ne permet pas à la lumière de pénétrer profondément.

Si l'efficacité d'absorption et de réémission est approximativement égales à toutes les énergies optiques, alors toutes les différentes couleurs de la lumière blanche seront également bien réfléchies. Cela conduit à la couleur argentée des surfaces en fer poli et argent.

Pour la plupart des métaux, une seule bande continue s'étend des énergies de valence aux énergies «libres». Les électrons disponibles remplissent la structure de la bande jusqu'au niveau de la surface de Fermi.

Si l'efficacité diminue avec l'augmentation de l'énergie, comme c'est le cas pour l'or et le cuivre, la réflectivité réduite à l'extrémité bleue de le spectre produit des couleurs jaunes et rougeâtres.

L'argent, l'or et le cuivre ont des configurations électroniques similaires, mais nous les percevons comme ayant des couleurs assez distinctes .

Gold remplit toutes les conditions pour une absorption intense de lumière avec une énergie de 2,3 eV (de la bande 3d au-dessus du niveau de Fermi). La couleur que nous voyons est le jaune, car les longueurs d'onde correspondantes sont réémises.

Le cuivre a une forte absorption à une énergie légèrement inférieure, l'orange étant le plus fortement absorbé et réémis.

Argent . Le pic d'absorption se situe dans la région ultraviolette, à environ 4 eV. En conséquence, l'argent maintient une réflectivité élevée uniformément sur tout le spectre visible, et nous le voyons comme un blanc pur. Les énergies inférieures correspondant à tout le spectre visible de la couleur sont également absorbées et réémises, ce qui fait de l'argent un bon choix pour les surfaces de miroir.

Cette question a un autre aspect intéressant qui a plus à voir avec les neurosciences que la physique: pourquoi percevons-nous les métaux de couleur neutre (comme l'argent) comme gris, même pourquoi ils sont brillants et reflètent donc simplement les couleurs de leur environnement ?

Une réponse est que ces métaux ont toujours une certaine rugosité et donc diffusent la lumière à partir d'une gamme d'angles, et ces rayons ont généralement une gamme de longueurs d'onde. Le mélange de ces longueurs d'onde a tendance à désaturer la couleur perçue et à la déplacer vers un ton neutre. Cependant, certaines expériences simples suggèrent qu'il y a plus que cela. Même lorsque la surface reflète une couleur dominante, notre perception de la couleur de la surface est grise.

La raison en est liée à la façon dont le cerveau traite les informations de couleur. La constance des couleurs garantit que notre perception s’adapte au biais de couleur dans les conditions de lumière ambiante: nous avons tendance à percevoir la couleur intrinsèque d’un objet plutôt que la couleur de la lumière réfléchie. L'apparente grisaille des surfaces métalliques (à la fois brillantes et mates) semble être une variante intéressante de ce phénomène.

Commençons par ce que signifie fondamentalement "ce truc est de couleur X":

Vous remarquez que l'argent n'est pas l'une des couleurs ici. Cependant, l'argent est BEAUCOUP comme le blanc, comme nous le verrons dans une seconde.

Il y a un autre facteur impliqué appelé réflexion spéculaire vs réflexion diffuse.

Le blanc reflète toutes les longueurs d'onde de manière diffuse (les rayons réfléchis vont dans tous les sens). L'argent (par exemple, un miroir) réfléchit toutes les longueurs d'onde de manière spéculaire (les rayons réfléchis rebondissent bien).

Maintenant, les métaux ne ressemblent pas nécessairement toujours à des miroirs - ils sont souvent plus cahoteux que cela, donc leur réflexion est peu diffuse par opposition à totalement spéculaire.

Quoi qu'il en soit, le fait est que "couleur argentée" signifie "reflète toutes les longueurs d'onde de manière spéculaire (plus ou moins)".

Pourquoi ces métaux refléter la lumière la plus visible? Parce qu'ils ont beaucoup d'électrons libres (c'est aussi pourquoi ils sont de bons conducteurs). Lorsque la lumière (rayonnement électromagnétique) frappe la surface d'un métal, elle est absorbée par les électrons en orbite autour des atomes métalliques, et réémise lorsque les électrons reviennent à une configuration plus stable. La taille des bandes interdites détermine quelles fréquences sont absorbées et émises.

Un métal coloré comme l'or possède la plupart de ces propriétés, mais il absorbe juste un peu de rayonnement dans la zone vert-bleu-violet. Donc, tout ce qu'il réfléchit a un peu de lumière vert-bleu enlevé et le résultat semble (par soustraction) rouge jaunâtre.

Un métal comme le plomb a également la plupart de ces propriétés, mais il absorbe un peu plus de le spectre entier, donc il semble gris.

PS Cette réponse est fournie par "Ian Pollock, Sci / Phil dilettante" sur quora.com.

La structure de bande métallique permet l'absorption et la réémission de la lumière comme illustré sur ce site.

Les métaux sont colorés parce que l'absorption et la réémission de la lumière dépendent de la longueur d'onde. L'or et le cuivre ont une faible réflectivité aux courtes longueurs d'onde, et le jaune et le rouge sont réfléchis de préférence. L'argent a une bonne réflectivité qui ne varie pas avec la longueur d'onde, et semble donc très proche du blanc.