Чем определяется цвет веществ
§ 20. Взаимодействие поля и вещества. Цвет и спектры
У этой, по крайней мере, лицо
не вовсе бессмысленное.
Правда, умом оно не блещет,
но что поделаешь!
Зато цвет у нее правильный,
а это уже кое-что!
Л. Кэрролл
Как взаимодействуют поле и вещество? Чем определяется цвет веществ? Какой величиной характеризуется энергия волны? Что такое спектры веществ? Какие бывают спектры? Что дает исследование спектров веществ? Что такое тепловое излучение? Что такое абсолютно черное тело? Какими особенностями обладают спектры теплового излучения?
Урок-лекция
Две составляющие материи — поле и вещество — живут в тесной взаимосвязи друг с другом. С одной стороны, вещество является источником поля, с другой — поле воздействует на вещество с некоторой силой. В этом параграфе мы рассмотрим такие специфические особенности взаимодействия поля и вещества, как цвет и спектры.
ЦВЕТ ВЕЩЕСТВА. Одним из первых научных опытов, связанных с исследованием цвета и спектров, был опыт Исаака Ньютона, который пропустил солнечный свет через призму и получил спектр солнечного излучения (рис. 14).
Рис. 14. Разложение солнечного излучения в спектр при помощи призмы
Впоследствии выяснилось, что каждой узкой полоске этого спектра соответствует волна определенной длины волны (значения длин волн также изображены на рисунке). Таким образом, зрительное ощущение цвета связано с тем, что глаз по-разному реагирует на электромагнитные волны разной длины. Это объясняется устройством рецепторов сетчатки глаза человека.
Но почему то или иное вещество имеет определенный цвет?
Вещество и поле обладают таким общим качеством, как энергия. В процессе взаимодеиствия поля волны с веществом (точнее, с заряженными частицами, составляющими вещество) поле может отдать энергию веществу. В этом случае происходит поглощение электромагнитной волны. Противоположный процесс, когда вещество отдает энергию полю, называют излучением. Наконец, вещество может взаимодействовать с электромагнитной волной, изменяя ее, но не обмениваясь с ней энергией. К таким процессам относят отражение и преломление волны.
Цвет вещества зависит от того, какие процессы взаимодействия вещества и поля имеют место. Рассмотрим в качестве примера зеленый цвет листа растения. В темноте цвет листа не виден. Мы можем наблюдать свет, отраженный от листа растения, или свет, прошедший через лист (в обоих случаях зеленый). Цвет в этих случаях определяется тем, что вещество листа поглощает свет всех длин волн, кроме волны, соответствующей зеленому цвету. Белое тело абсолютно одинаково хорошо отражает все волны, ничего не поглощая. Напротив, абсолютно черное тело совершенно не отражает волны, поглощая все излучение. Некоторые вещества, например сажа, близки по свойствам к абсолютно черному телу.
Игорь Грабарь. Зимний день
Быть может, вся Природа — мозаика цветов?
Быть может, вся Природа — различье голосов?
Быть может, вся Природа — лишь числа и черты?
Быть может, вся Природа — желанье красоты?
Противоположный случай имеет место, когда вещество излучает свет без воздействия внешней электромагнитной волны. Например, газовая горелка излучает синий свет. Этот цвет обусловлен тем, что вещество в момент горения преимущественно излучает свет, соответствующий длине волны синего цвета.
Цвет отраженного от вещества и прошедшего через вещество света определяется способностью вещества по-разному поглощать свет различной длины волны.
Цвет вещества, излучающего электромагнитную волну без воздействия внешнего поля, определяется различной способностью этого вещества излучать электромагнитную волну того или иного диапазона. Таким образом, цвет является характеристикой вещества и процесса взаимодействия поля с веществом
СПЕКТРЫ ВЕЩЕСТВА. Более детальную информацию о взаимодействии излучения и вещества дают спектры веществ. В простейшем опыте спектр вещества можно получить, пропуская свет через призму, как это сделал Ньютон. При этом излучению одного цвета могут соответствовать различные спектры. Например, спектр желтого излучения паров натрия, приведенный на рисунке 15, представляет собой две узкие линии и совсем не похож на спектр излучения Солнца (см. рис. 14). Подобные спектры, состоящие из отдельных линий, называют линейчатыми в отличие от спектров типа спектра Солнца, которые называют сплошными.
Рис. 15. Спектр натрия
Но если Солнце излучает свет волн разной длины, то почему оно желтое? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо сделать определенные измерения. Из того, что было сказано в начале параграфа, следует, что измерять нужно некоторую энергетическую характеристику волны. Такой характеристикой является интенсивность.
На рисунке 16 приведена зависимость интенсивности солнечного излучения от длины волны. Именно такую зависимость на научном языке и называют спектром. Иногда на графиках приводится зависимость интенсивности от частоты волны. Такую зависимость также называют спектром.
Вспомните, что длина волны и частота волны связаны простым соотношением.
Из приведенного на рисунке 16 спектра Солнца понятно, почему Солнце желтого цвета. Максимум интенсивности солнечного излучения приходится на волну, соответствующую желтому цвету. Ну а что же представляет собой спектр натрия, изображенный в виде графика? Это одинокий узкий пик. который при применении хорошего прибора виден как раздвоенный.
Рис. 16. Спектры излучения абсолютно черного тела и Солнца
Спектры различных веществ различаются между собой и позволяют настолько же точно идентифицировать вещество (смесь веществ), как отпечатки пальцев позволяют идентифицировать человека.
СПЕКТРЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. Чтобы самостоятельно излучать электромагнитную волну, заряженные частицы должны обладать определенной энергией. Эта энергия может приобретаться частицами в результате различных процессов. В том случае, когда вещество находится вблизи состояния термодинамического равновесия, энергия частиц — это энергия теплового (хаотического) движения. Излучение такого вещества называют тепловым излучением.
Тепловое излучение характерно для любого нагретого тела. Наиболее просто выглядит спектр излучения абсолютно черного тела (см. рис. 16).
Его интенсивность увеличивается с температурой. Длина волны в максимуме излучения при увеличении температуры сдвигается в сторону более коротких длин волн. Спектр излучения звезд похож на спектр излучения абсолютно черного тела. Отсюда, в частности, следует, что голубые звезды имеют более высокую температуру, чем желтые.
Интенсивностью называют энергию, переносимую электромагнитной волной через единицу площади в единицу времени.
Спектром называют зависимость интенсивности света от длины волны или частоты света.
Естествознание. 10 класс
Конспект урока
Естествознание, 10 класс
Урок 13. Взаимодействие поля и вещества. Цвет и спектры
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме;
Как взаимодействуют поле и вещество;
Чем определяется цвет веществ;
Волновые свойства света;
Что такое спектры веществ;
Какое тело называют абсолютно черным;
Что даёт исследование спектров веществ;
Спектр излучения – совокупность частот (длин волн), содержащихся в излучении.
Дисперсия – зависимость показателя преломления среды от длины световой волны.
Спектр светового потока – характеристика, показывающая интенсивность и длину волн (частот), из которых этот поток состоит.
Спектр линейчатый – спектральные линии, имеющие определенную интенсивность и разделенные темными промежутками.
Спектр сплошной – спектральные линии излучения без разрыва.
Абсолютно черное тело – идеализированная модель тела, которое способно полностью поглощать все падающие не него излучения любой длины волны при любой температуре; позволяет плодотворно излучать закономерности теплового излучения.
Тепловое излучение – излучение, испускаемое нагретым телом.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017: с 59-62.
Спектр (Статья) Универсальная научно-познавательная энциклопедия «Кругозор» http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/SPEKTR.html
Теоретический материал для самостоятельного изучения
В повседневной жизни мы видим многообразие цветов. Чтобы разобраться с этим, нужно обратиться к опытам И. Ньютона, который одним из первых провел опыты по исследованию цвета. Занимаясь усовершенствованием линз, его заинтересовала радужная полоска по краям изображения. В 1666 году поставленный им опыт показал, что солнечный свет, проходя через призму, дает разноцветную полоску, которую он назвал спектром. В спектре солнечного света можно различить семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. При этом, соединив этот спектр с помощью собирающей линзы, снова образуется белый свет. И. Ньютон делает вывод, что цвет не является свойством тела, как это считалось ранее. Он делает важный вывод, что наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше всех – красные. Эту зависимость преломления света от его цвета Ньютон назвал дисперсией.
Позднее Томас Юнг, опытным путем обнаруживает, что свет обладает волновыми свойствами. И установил, что каждому цвету соответствует волна определённой длины. Следовательно, наши зрительные ощущения цвета связаны с разным действием электромагнитных волн на светочувствительные клетки (рецепторы сетчатки) глаза. Например, некоторые животные не различают цвета, а другие воспринимают только один цвет.
При этом, в чем физический смысл того, что трава зеленая, а небо голубое? Чтобы ответить на этот вопрос нужно вспомнить общую характеристику поля и вещества как энергия.
При взаимодействии энергия может поглощаться, излучаться, отражаться и преломляться. Если при взаимодействии частиц вещества с электромагнитным полем, поле отдает энергию веществу, то волна поглощается. Противоположный процесс, когда вещество создает энергию поля – излучение. Возможны взаимодействия, когда энергия не изменяется, а меняется направление распространения. Следовательно, цвет является результатом взаимодействия поля и вещества.
Если тело полностью поглощает всю энергию света, то оно для нас будет выглядеть черным. Когда поверхность для нас выглядит синей (в белом свете), это означает, что при взаимодействии все электромагнитные волны были поглощены и только волны соответствующие синему цвету отразились. При этом, если тело белое, это значит, что оно полностью отразит энергию электромагнитных волн всех длин волн. Ну и наконец, пламя газовой горелки окрашено голубым цветом: вещество в момент горения излучает энергию в диапазоне этого цвета.
Свойства разных веществ по-разному взаимодействовать с электромагнитным полем, дают подробную информацию о составе и структуре вещества.
Белый свет создает сплошную картинку цветов плавно переходящих от одного к другому. Такой спектр называют сплошным (непрерывным):
Если испарить частицу вещества и нагреть ее, чтобы она стала светиться, то спектр получится как набор отдельных узких полосок определенного цвета. При этом у каждого вещества свой неповторимый спектр:
Если не нагревать частицу вещества, тогда при пропускании белого света, атом поглотит характерные для него излучения:
Спектры светового потока, по своей сути, характеристика, показывающая интенсивность и длину волны (частоту), из которой этот поток состоит. Спектры у каждого атома неповторимы. Исследуя спектр вещества однозначно можно определить его состав.
Если посмотреть на распределение энергии в спектрах излучения абсолютно черного тела (при разных температурах черного тела и Солнца заметно, что максимум интенсивности солнечного излучения приходится на волны соответствующие желтому цвету).
Не менее интересен вопрос откуда берется свет. Чтобы тело стало излучать электромагнитные волны, они должны обладать достаточной энергией. Эта энергия, позволяющая веществу излучать свет может быть получена в результате разных процессов. Если эта энергия связана только с энергией теплового (хаотического) движения атомов и молекул вещества, т.е. за счет внутренней энергии, тогда мы имеем дело с тепловым излучением. Оно характерно для любого нагретого тела. Даже наши тела постоянно излучают тепловую энергию, только она не видна, т.к. находится в области инфракрасных волн. При высоких температурах излучаются короткие электромагнитные волны, при низких преимущественно длинные. Тепловое излучение имеет сплошной спектр – содержит электромагнитные волны всех длин волн от нуля до бесконечности. Другими словами спектр содержит от радио до гамма диапазонов, включая и диапазон волн видимого света.
Интенсивность светового излучения нагреваемого тела меняется от температуры. Так нагревая кусок железа, мы можем нагреть его настолько, что он начинает светиться красным цветом. Повышая температуру, мы можем раскалить его до бела. Таким образом, интенсивность излучения возрастает с увеличением температуры нагрева тела и уменьшением длины волны.
Излучение звёзд и Солнца имеет спектральный состав, близкий к спектральному составу излучения черного тела. Что позволяет к ним применять законы теплового излучения черного тела. Таким образом, астрономы по цвету звезд могут определить их температуру. В частности, выяснили, что температура наружных слоев Солнца приблизительно 6170 К.
Резюме теоретической части
Поле и вещество взаимосвязаны и взаимодействуют между собой. Одним из примеров взаимодействия являются цвет и спектры. Свет, обладая волновой природой, переносит импульс и энергию. Свет и вещество могут взаимодействовать, при этом энергия может поглощаться, излучаться, отражаться и преломляться. Что и определяет цвет вещества.
Белый свет представляет собой совокупность различных длин волн. Пучок света при прохождении через призму распределяется по длинам волн в спектр.
Свойства разных веществ по-разному взаимодействовать с электромагнитным полем, дают подробную информацию о составе и структуре вещества. На этом свойстве основан спектральный анализ веществ.
Изучая спектры можно оценить энергию, которую переносит излучение. Такая характеристика волн называется интенсивностью. Эта характеристика зависит от температуры и длины волны.
Источником света могут быть нагретые тела. При этом, чем выше температура, тем ниже длина электромагнитных волн.
Изучение спектров излучения позволяет определить химический состав, температуру и другие параметры.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля.
Задание 1. Расположите цвета в порядке уменьшения показателя преломления.
Варианты: красный, синий, жёлтый, оранжевый, фиолетовый, зелёный
Ответ: Фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный
Пояснение: Показатель преломления связан с длиной волны. Чем больше длина волны, тем меньше электромагнитная волна изменяет направление распространения и наоборот. С самой маленькой длиной волны из видимого спектра электромагнитных волн являются красные, самую большую длину волны – фиолетовые.
Задание 2. На изображениях представлены изображения двух спектров линейчатого и сплошного. Установите соответствие между рисунком и типом спектра.
Химическая сущность цвета. Факторы, вызывающие окраску химических веществ и влияющие на ее изменение
Определение факторов цвета. Что такое цвет с точки зрения химии? Рассматривать химическую сущность цвета нельзя без знаний физических свойств видимого света. Великому английскому физику И. Ньютону мы обязаны тем, что он объяснил явление разложения белого цвета на совокупность лучей цветового спектра. Каждой длине волны соответствует определенная энергия, которую несут эти волны. Цвет любого вещества определяется длиной волны, энергия которой преобладает в данном излучении. Цвет неба зависит от того, какая часть солнечного света доходит до наших глаз. Лучи с короткой длиной волны (голубые) отражаются от молекул газов воздуха и рассеиваются. Наш глаз воспринимает их и определяет цвет неба – синий, голубой (таблица3.).
То же самое происходит и в случае окрашенных веществ. Если вещество отражает лучи определенной длины волны, то оно окрашено. Если одинаково поглощается или отражается энергия световых волн всего спектра, то вещество кажется черным или белым. Глаз человека содержит оптическую систему: хрусталик и стекловидное тело. В сетчатку глаза входят светочувствительные элементы: колбочки и палочки. Благодаря колбочкам мы различаем цвета.
Таблица 3. Цвет веществ, имеющих одну полосу поглощения в видимой части спектра
Таким образом, то, что мы называем цветом – результат двух физико-химических явлений: взаимодействие света с молекулами вещества и воздействие волн, идущих от вещества, на сетчатку глаз. Итак, первый фактор образования цвета – свет.
Рассмотрим примеры следующего, второго фактора – структуру веществ.
Кристаллическую структуру имеют металлы, у них упорядоченное строение атомов и электронов. Цвет связан с подвижностью электронов. При освещении металлов преобладает отражение, их цвет зависит от длины волны, которую они отражают. Белый блеск обусловлен равномерным отражением почти всего набора видимых лучей. Такой цвет у алюминия, цинка. Золото имеет красновато-желтый цвет, потому что поглощает голубые, синие и фиолетовые лучи. Медь тоже имеет красноватый цвет. Порошок магния – черный, значит это вещество поглощает весь спектр лучей.
Следующий, третий фактор появления цвета – ионное состояние веществ. Цвет зависит и от среды вокруг окрашенных частиц. Катионы и анионы в растворе окружены оболочкой растворителя, который влияет на ионы.
Факторы, влияющие на изменение окраски химических веществ. При проведении простого опыта с добавлением в раствор сока свеклы (малиновый цвет) следующих веществ: уксусной кислоты; раствора щелочи или воды, в результате можно наблюдать изменение цвета свекольного раствора. В первом случае кислая среда приводит к изменению цвета свекольного раствора в пурпурный, во втором опыте щелочная среда изменяет цвет раствора в голубой, а добавление воды (нейтральная среда) не вызывает изменений цвета.
Химикам известен индикатор определения щелочной среды – фенолфталеин. Он изменяет цвет растворов щелочей в малиновый. С изменением цвета железа-иона при окружении его роданидом калия в кровавый цвет связан исторический факт. В 1720 г. политические противники Петра I из духовенства организовали в одном из петербургских соборов «чудо»-икону Богоматери начала проливать слезы, что комментировалось как знак ее неодобрения петровским реформам. Петр I тщательно осмотрел икону и заметил нечто подозрительное: в глазах у образа он нашtл маленькие отверстия. Нашел он и источник слез: это была губка, пропитанная раствором роданида железа, который имеет кроваво-красный цвет. Грузик равномерно надавливал на губку, выдавливая капли через дырочку в иконе. «Вот источник чудесных слез», – сказал государь.
Химические вещества – часть той природы, которая окружает нас со всех сторон. Кровь животных и зелень листьев содержат похожие структуры, но в крови содержатся ионы железа – Fe, а в растениях – Mg. Этим обеспечивается цвет: красный и зеленый. Кстати, изречение «голубая кровь» верно для глубоководных животных, у которых в крови вместо железа содержится ванадий. Также и водоросли, произрастающие в местах, где мало кислорода, имеют синий цвет.
Растения, обладающие хлорофиллом, способны образовывать магнийорганические вещества и используют энергию света. Цвет фотосинтезирующих растений зеленый.
Гемоглобин крови, содержащий железо, служит для переноса кислорода в организме. Гемоглобин с кислородом окрашивает кровь в ярко-красный цвет, а без кислорода придает крови темный цвет.
Необходимо сделать следующие выводы, касающиеся физико-химической природы цвета:
— первый фактор образования цвета – свет;
— второйфактора – химическая структура веществ;
— третий фактор появления цвета – ионное состояние химических веществ, цвет зависит от среды вокруг окрашенных частиц.
4.2. Химия красителей [45].
Гармония цвета является одной из составных частей искусства дизайна. Самыми древними красками служили уголь, мел, глина, киноварь и некоторые соли, такие как ацетат меди (медянка). Краски и красители используются художниками, декораторами и текстильщиками.
Использование первых красящих веществ – неорганических пигментов – началось еще в каменном веке. Первобытные люди использовали окрашенные природные минералы для раскраски тела, различных предметов обихода и одежды. До наших дней дошли прекрасные рисунки в пещерах, пережившие своих создателей на сотни веков. Именно окрашенные минералы вместе с благородными металлами всегда являлись символами власти и богатства людей. С развитием человечества потребность в красителях только росла.
Еще в Х в. до нашей эры, на дне Средиземного моря вблизи города Тира (древняя Финикия) ловили улиток-иглянок. Рабы изо дня в день ныряли за этими улитками в море. Другие рабы выдавливали их, растирали с солью и подвергали дальнейшей переработке, состоявшей из многих операций. Добытое вещество вначале было белым или бледно-желтым, но под действием воздуха и солнечного света постепенно становилось лимонно-желтым, затем зеленым и, наконец, приобретало великолепную фиолетово-красную окраску. Полученный пурпур в течение нескольких веков был самым ценным из всех красителей. Он был тогда символом власти – право носить окрашенные пурпуром одеяния было привилегией правителей и ближайших к ним знатных особ. Окрашивание только одного квадратного метра ткани красителем, добытым таким способом, стоило очень дорого. Ведь для получения одного грамма пурпура нужно было обработать 10 000 улиток!
Изнурительный труд рабов Тира – не единственный в истории пример такого рода. Через несколько сотен лет индиго – фиолетово-синий краситель, добываемый из растения Indigofera tinctiria, стал одним из крупных источников наживы для британской Ост-Индской компании. Корабли Ост-Индской компании ежегодно доставляли во все части света от 6 до 9 миллионов килограммов этого ценного красителя. Раньше им красили паруса, теперь – джинсы.
В наши дни изготовление современных дешевых и в то же время ярких красителей всех цветов и оттенков уже не требует непосильного труда рабов или населения колоний. Их, в том числе пурпур и индиго, производят на химических заводах. Впрочем, пурпур и индиго утратили свою былую славу. Их вытеснили более светопрочные синтетические красители, широким выбором которых мы сегодня располагаем.
Путь к нынешним успехам был открыт благодаря трудам множества ученых-химиков. В 1826, 1840 и 1841 Унфердорбен, Фрицше и Зинин независимо друг от друга получили из индиго анилин. В 1834 г. Рунге обнаружил анилин в каменноугольной смоле, в том же году он открыл фенол и несколько позже – первый краситель из каменноугольной смолы – розоловую кислоту, дающую цвет пурпуру.
В 1856 г. 18-летний химик Перкин, работая во время каникул в своей домашней лаборатории, при неудачной попытке синтезировать хинин неожиданно получил яркий красновато-фиолетовый краситель – мовеин. Вместе с отцом и братом Перкин основал фирму и уже через год организовал производство мовеина в заводском масштабе. Тем самым Перкин положил начало созданию анилинокрасочной промышленности.
В 1868 г. Гребе и Либерманн раскрыли секрет ализарина – красного красителя, добываемого из корней марены. Затем последовали синтезы эозина и других фталеиновых красителей Байером и Каро и расшифровка строения красителей антраценового ряда Э.Фишером и О.Фишером. К концу XIX в. эти достижения увенчались внедрением в промышленность синтеза индиго по методу, разработанному Гейманном и другими химиками.
Велика заслуга немецких химиков в развитии лакокрасочной промышленности. Уже в 1911 г. фирмы Германии экспортировали 22 000 т синтетического индиго. Выпуская одновременно 1500 т дешевого синтетического ализарина, они почти полностью вытеснили природный ализарин, что привело к резкому сокращению разведения марены.
Почему освещаемые белым светом вещества приобретают тот или иной цвет? Дело в том, что проходя через краситель, свет поглощается, его молекулами. Структура молекул красящих веществ такова, что свет поглощается избирательно. Молекула красителя «выбирает» характерные только для нее составляющие белый свет лучи – линии спектра. Теряя часть цветов, падающий луч окрашивается так называемыми дополнительными цветами (зеленый – красный, желтый – фиолетовый, синий – оранжевый) Например, потеря красного цвета приведет к окрашиванию в зеленый.
От чего зависит спектр поглощения вещества? Перед нами формула красителя относительно простого строения: Его точное химическое название – n,n’-диметиламиноазобензолсульфонат натрия. Это вещество применяется в качестве индикатора, то называли иначе – метиловым оранжевым. Для крашения этот краситель, правда, не годится, так как при добавлении кислоты желтая окраска переходит в красную. Органические красители не случайно имеют сложное строение. Исследования многих химиков позволили установить связь между окраской соединения и его строением. Основу, или ядро, молекулы красителя, как правило, образует кольцевая структура. К ней должны быть присоединены носители цвета – хромофоры. Это всегда ненасыщенные группы:
СН=СН – этиленовая группа;
=С=О – карбонильная группа (оксогруппа, кетогруппа);
Ядро и хромофорные группы вместе образуют окрашенную систему – хромоген. В большинстве случаев наличие только одного хромофора еще не дает окраски. Например, в молекуле оранжевого b-каротина – красителя моркови – содержится 11 двойных связей. Кроме того, цвет зависит от того, как именно хромофоры расположены и связаны между собой. Для усиления цвета, углубления его оттенка и для достижения большей стойкости окрашивания к ядру с хромофором должны быть присоединены дополнительные группы – ауксохромы. К ним относятся, прежде всего, гидроксильная группа ОН и аминогруппа NH2, которые не только влияют на окраску, но и вследствие своего кислого или основного характера повышают сродство красителя к волокну. Современная электронная теория цветности рассматривает цвет как результат взаимодействия со светом электронного облака молекулы красителя. Именно от его параметров, которые определяются наличием хромофорных и ауксохромофорных групп, зависит спектр поглощения молекулы.
Люминофоры. Обычные красители рассеивают поглощенный свет в виде невидимого человеческим глазом инфракрасного излучения. Однако существуют молекулы способные после их возбуждения за счет внешней энергии, возвращаясь обратно в невозбужденное состояние, испускать лучи видимого цвета. Это люминофоры. Энергия необходимая для их свечения может быть химической («фосфоры»), механической («триболюминофоры»), электрической («электролюминофоры») или световой («фотолюминофоры»), а также под действием радиации.
Фосфоресцирующие люминофоры существуют в природе. Свечение может возникать благодаря медленному окислению вещества на воздухе (например, белый фосфор, люциферин в некоторых насекомых, микробах, грибах, рыбах). Такие вещества без доступа окислителя (кислорода воздуха) не светятся. Некоторые вещества могут светиться от трения или встряхивания (например, кристаллический хелидонин, некоторые сульфиды, активированные марганцем и др.). Такое свечение называется триболюминесценцией. Вещества, светящиеся в присутствии радиации или невидимых для глаза лучей рентгена, используются для изготовления составов с постоянным свечением. В качестве радиоактивного вещества используются, например, парафин, в молекулах которого часть атомов обычного водорода (протия) заменена атомами сверхтяжелого радиоактивного водорода (трития). Из-за наличия радиоактивных элементов в составе такие источники видимого света опасны для здоровья. Электролюминофоры широко используются в светотехнике.
Однако в качестве люминофорных красителей используются именно неорганические или органически фотолюминофоры. В зависимости от времени сохранения возбуждения их молекул, люминофоры могут светиться в темноте при времени возбуждения – несколько часов (продается много таких светящихся игрушек), либо при малых временах люминофоры просто окрашиваются в характерный цвет. Особенный интерес представляют такие люминофоры активно поглощающие УФ-излучение. Одежда, подкрашенная такими люминофорами ярко «горит» на солнце. Красная одежда сотрудников МЧС видна за много километров даже в тумане. Люминофорные краски применяют для дорожных указателей и реклам, спасательных лодок. Но есть и неожиданные способы применения таких люминофоров.
Защита от ультрафиолета. В продаже имеется множество средств косметики, предохраняющейчеловека от вредного УФ-излучения, например,кремов от загара. Основными активнымикомпонентами этих средств являются УФ-абсорберы – те самых люминофоры,поглощающие вредное жесткое излучение.
Но защищать от ультрафиолетанужно не только организм человека. УФ-абсорберы – светостабилизаторы –широко используются для защиты полимеров. Примером может служитьТинувин. В невозбужденном состоянии между водородом гидроксильнойгруппы и ближайшим к нему атомом азота образуется стабильная водороднаясвязь. Ее стабильность обусловлена формированием устойчивогошестиугольника. Поглощения кванта УФ-излучения достаточно дляразрушения этого кольца. При его восстановлении излучается энергия, но этоуже не вредный ультрафиолет, а безопасное инфракрасное излучения. (Поверхность всех металлических предметов под воздействием окружающей среды разрушается. Наиболее эффективна их защита цветными пигментами: алюминиевая пудра, цинковая пыль, свинцовый сурик, оксид хрома).
Оптические отбеливатели. Должно быть, каждый из вас обратил внимание на то, что на дискотеке при включении специально подсветки начинают ярко светиться голубым цветом белые рубашки и блузки людей. Лист белой бумаги будет сиять еще ярче. Это означает, что в ткани вашей одежды и в бумагу добавили специальные люминофоры – оптические отбеливатели. Их действие схоже с действием обыкновенной «синьки», которую раньше добавляли в воду при стирке, для отбеливания белья. Сегодня в целях отбеливания в состав стиральных порошков вводят вещества, придающие ткани синеватую флуоресценцию.
Дополнительный к желтому синий цвет «убивает» желтизну ткани. То же самое делает люминофор превращающий УФ-излучение в излучение синего цвета. Одновременно он защищает материала от ультрафиолета.
Люминофор для парниковой пленки. Обычная парниковая полиэтиленовая пленка уже устарела (кстати,«парниковый эффект» связан с тем, что УФ и видимые лучи практически безпотерь проходят через слой полиэтилена,а для тепловых инфракрасных лучей отповерхности почвы полиэтиленнепрозрачен). Появились новыефотопреобразующие пленки, которыесветятся на солнце красным цветом. Егоиспускает специальный люминофор,синтезированный на основе окисловевропия, преобразующий в красный цветзеленое, синее и УФ излучения. Конечно,это очень красиво, не в красоте дело.
Растению на начальной стадии развития для наращивания зеленой массы (листьев) требуется большое количество красного цвета. Именно этой цели служит люминофор. Он имеет сложную структуру, которая обеспечивает ступенчатое преобразование УФ-излучения в требуемый красный цвет. Поэтому количество красного цвета в падающем на листья растений свете увеличивается в несколько раз, что приводит росту урожайности парниковых культур. Правда, когда наступает пора созревания плодов, такую пленку следует заменить на синюю. Она, наоборот, поглощает красные лучи. Листья перестают расти, вся энергия растения направляется на рост плодов.
Потерянная река. Флуоресценция хорошо заметна даже при растворении 1 г радомина 6G в100000 л воды. Способность люминофоров необычайно легко обнаруживатьсяв ничтожно малых концентрациях используют для определения направленияподземных водных течений. Примером может служить решение вопроса об«исчезновении» Дуная. B верховье этой реки, вблизи железнодорожнойстанции Иммединген, большая часть дунайской воды теряется в рыхлыхизвестняковых породах. Чтобы установить направление движения воды в 1877году вблизи этой станции в Дунай высыпали 10 кг флуоресцеина. Через 60часов один из выставленных постов обнаружил в маленькой речушкеотчетливую флуоресценцию. В наше время это свойство люминофоровоказалось очень полезным при экологических проверках утечек и стоковвредных производств. Не забудем и о системе защиты люминофорной печатьюдокументов и, наконец, денежных знаков.
Квантовые точки. Наночастицы люминофоров (квантовые точки), поглощенныемикроорганизмами с питательными средами, позволяют проследить ихперемещение и развитие в живом организме. Избирательное поглощение такихчастиц злокачественными клетками уже сейчасиспользуется для диагностики рака и другихзаболеваний на ранних стадиях.
Кроме описанных выше существует множество интересных красителей. Например, разработаны фотохромные красители, изменяющие цвет при увеличении дозы УФ-излучения, повышении температуры, воздействии электрического поля. Существуют красители, по-разному окрашивающие пленки в отраженном и проходящем свете. Большую статью можно написать об интерференционном окрашивании многослойными перламутровыми пигментами, о голографическом окрашивании, об использовании жидкокристаллических структур, о цифровой печати и многом другом.
Несмотря на то, что основные правила создания хромофорных молекул известны, открытие нового красителя и в наши дни иногда бывает вызвано счастливой случайностью. Технология красящих веществ – это и химия, и физиология, и искусство.
5. Основные закономерности восприятия цвета: