用化學(xué)的“眼睛”看顏色

顏色與光譜

首先，我們需要知道顏色究竟是什么。顏色是到達我們眼中的波長范圍在400～800納米之間的可見光，也就是電磁波。除此之外，電磁波還包括我們?nèi)庋劭床灰姷淖贤饩€、紅外線、X射線、微波等。

那么，不同顏色的可見光是如何產(chǎn)生的呢？這就要回到我們?nèi)粘？吹降念伾脑搭^——白光（這里的白光指的就是常見的日光、白色的燈光等）。

白光可以分解為各種顏色的光譜，就像我們雨后看到的彩虹。第一個將太陽光用三棱鏡進行分解的是英國科學(xué)家牛頓。彩色光譜可以進一步分解為紅綠藍的三原色，而光的三原色也可以組合成其他各種顏色的光和白光。

如果物質(zhì)對白光的部分光譜進行吸收，剩下的其他波長的光會發(fā)生透射或反射，到達我們眼睛就呈現(xiàn)出了該物質(zhì)的顏色。由此可知，物質(zhì)呈現(xiàn)什么顏色，關(guān)鍵是它吸收了什么波長的光。那么，物質(zhì)的不同吸光行為又有什么更深層次的原因呢？

去微觀世界“看”顏色

想要破解物質(zhì)的顏色奧秘，需要我們來到微觀世界，用化學(xué)的“眼睛”去看物質(zhì)內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)。一種物質(zhì)在白光的照射下，基態(tài)能級軌道上的電子會吸收一定能量即波長的光子，從而躍遷到更高能量的激發(fā)態(tài)軌道，而其他波長的光子被透射或反射，這樣就呈現(xiàn)出了一種互補色。

物質(zhì)的具體微觀結(jié)構(gòu)和電子能級差異決定了吸收光譜，進而決定了其顏色。我們在化學(xué)實驗室里見到的各種顏色的試劑、溶液，以及我們目所能及的有顏色的物品，也主要遵循這樣的原理。

電子躍遷使物質(zhì)產(chǎn)生顏色的示意圖

例如，植物為什么大都是綠色的呢？恰恰是因為進行光合作用的葉綠體上有許多色素分子可以作為捕光“天線”，其中占大多數(shù)的葉綠素a和葉綠素b主要吸收藍紫光和紅光，無法吸收的綠光就反射到了我們眼睛中。到了秋天，植物中的葉綠素發(fā)生分解，剩下了胡蘿卜素和葉黃素（統(tǒng)稱類胡蘿卜素）等，它們主要吸收藍紫光，因此許多植物就呈現(xiàn)出了黃色。

葉綠素分子的吸收光譜與其分子結(jié)構(gòu)（供圖/ 黃奔）

如何“發(fā)光”？

物質(zhì)本身也可以發(fā)出不同顏色的光，這就要涉及具體的發(fā)光原理了。

當(dāng)一種物質(zhì)在獲得能量（例如光、電、熱和化學(xué)反應(yīng)等）后，處于基態(tài)能級軌道上的電子會躍遷到高能量的激發(fā)態(tài)軌道，但是此時電子是不穩(wěn)定的，很快就會回落到基態(tài)能級軌道，同時釋放一個光子。如果這個光子的波長位于可見光區(qū)，就會產(chǎn)生對應(yīng)的顏色了，例如：燒紅的鐵塊、燃燒的火光、交通信號燈和彩色的霓虹燈等。

生活中常見的白光其實就是不同色彩的光的混合，例如白熾燈、熒光燈、氙（xiān）燈，等等。當(dāng)然，隨著照明技術(shù)的發(fā)展，還有我們現(xiàn)在常見的LED（發(fā)光二極管）光源。而且，在2014年，基于氮化鎵（ji?。┑母吡炼人{光二極管的發(fā)明獲得了該年度的諾貝爾物理學(xué)獎。

你可能會吃驚，我們司空見慣的LED燈有什么神奇之處？雖然此前紅光和綠光二極管早已被發(fā)明并應(yīng)用，但藍光二極管的缺失，令白色光源照明始終無法實現(xiàn)。無論是在科學(xué)界還是工業(yè)界，如何造出藍光二極管困擾了人們數(shù)十年。

諾貝爾獎評選委員會在關(guān)于獲獎成就的聲明中指出：“白熾燈照亮了20世紀，那么21世紀將是被LED燈照亮的?！?p>

電子躍遷使物質(zhì)發(fā)光的示意圖

紅、綠、藍3 色LED 燈合成白光示意圖（制圖/ 周游）

用化學(xué)創(chuàng)造多彩世界

物質(zhì)的顏色讓我們的衣食住行變得多姿多彩，例如印染衣服的染料、印刷和繪畫用的顏料、粉刷用的涂料、食品和飲料中的食用色素等。以染料為例，過去人們只能利用無機礦物或者從生物中提取，產(chǎn)量低且顏色種類少。

化學(xué)工業(yè)興起之后，人們根據(jù)對物質(zhì)發(fā)色基團的調(diào)控，設(shè)計和生產(chǎn)出了不同顏色的人工合成染料，例如偶氮類、蒽醌（ēn kūn）類和酞菁（tài jīng）類染料等，這些染料分子通常具有共軛π鍵（原子或分子軌道通過重疊形成的能量和性質(zhì)相互耦合的分子軌道）結(jié)構(gòu)的發(fā)色團，可以吸收較低能量范圍的紫外光和可見光，從而呈現(xiàn)特定的顏色。

上述提到物質(zhì)發(fā)出的都是固定不變的顏色，在電力革命（繼工業(yè)革命之后的第二次技術(shù)革命）到來之后，人們也創(chuàng)造了動態(tài)變化的顏色，從早期采用投影技術(shù)的電影，采用熒光屏的老式電視機，到現(xiàn)在采用液晶顯示屏和OLED（有機發(fā)光二極管）顯示屏的手機、電腦等，它們采用的原理各不相同，但目的都是更好地實現(xiàn)顏色的顯示與變化。

顏色助力化學(xué)科研

顏色是我們開始認識各種物質(zhì)的最直觀方式。在化學(xué)科研領(lǐng)域，化學(xué)反應(yīng)中的顏色變化也是判斷反應(yīng)進行的常見準(zhǔn)則。例如酸堿指示劑，就是利用在不同pH條件下，指示劑的分子結(jié)構(gòu)或電荷狀態(tài)發(fā)生改變，其吸收或反射光譜的特性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致顏色的變化。

?偶氮類染料及其分子結(jié)構(gòu)示意圖，其中R代表各種官能團（供圖/黃奔）

在前面我們講到，物質(zhì)中基態(tài)能級軌道的電子通過吸收或釋放能量，可以在不同的能級之間躍遷，并釋放或吸收特定波長的光子，我們據(jù)此可以得到這些物質(zhì)的特征光譜。由此發(fā)展出的方法被稱為光譜分析法。

歷史上，科學(xué)家利用特征譜線確定和發(fā)現(xiàn)了許多新的化學(xué)元素，例如：稀有氣體元素、銣、銫、鎵、銦等?，F(xiàn)在，人們已經(jīng)制造了更加靈敏和先進的紫外可見分光光度計和原子吸收（發(fā)射）光譜儀，用于分析樣品中化合物及元素的種類、含量和性質(zhì)，并廣泛應(yīng)用于能源、環(huán)境、材料等領(lǐng)域。

顏色是我們感受這個多彩世界的直觀方式，與之相關(guān)的光譜分析技術(shù)也成為我們探究事物本質(zhì)的有力工具。生命的進化使我們獲得了辨別色彩的能力，也許未來隨著科技的發(fā)展，我們不僅能模擬真實世界的色彩，也能看到可見光之外的“顏色”，感受更加絢麗的世界。

?酸堿指示劑在不同pH值下的顏色