用化學的“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，電磁波還包括我們肉眼看不見的紫外線、紅外線、X射線、微波等。

那么，不同顏色的可見光是如何產生的呢？這就要回到我們日常看到的顏色的源頭——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。

如果物質對白光的部分光譜進行吸收，剩下的其他波長的光會發生透射或反射，到達我們眼睛就呈現出了該物質的顏色。由此可知，物質呈現什么顏色，關鍵是它吸收了什么波長的光。那么，物質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

想要破解物質的顏色奧秘，需要我們來到微觀世界，用化學的“眼睛”去看物質內部的電子結構。一種物質在白光的照射下，基態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態軌道，而其他波長的光子被透射或反射，這樣就呈現出了一種互補色。

物質的具體微觀結構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。

電子躍遷使物質產生顏色的示意圖

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，植物中的葉綠素發生分解，剩下了胡蘿卜素和葉黃素（統稱類胡蘿卜素）等，它們主要吸收藍紫光，因此許多植物就呈現出了黃色。

葉綠素分子的吸收光譜與其分子結構（供圖/ 黃奔）

如何“發光”？

物質本身也可以發出不同顏色的光，這就要涉及具體的發光原理了。

當一種物質在獲得能量（例如光、電、熱和化學反應等）后，處于基態能級軌道上的電子會躍遷到高能量的激發態軌道，但是此時電子是不穩定的，很快就會回落到基態能級軌道，同時釋放一個光子。如果這個光子的波長位于可見光區，就會產生對應的顏色了，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。當然，隨著照明技術的發展，還有我們現在常見的LED（發光二極管）光源。而且，在2014年，基于氮化鎵（jiā）的高亮度藍光二極管的發明獲得了該年度的諾貝爾物理學獎。

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明并應用，但藍光二極管的缺失，令白色光源照明始終無法實現。無論是在科學界還是工業界，如何造出藍光二極管困擾了人們數十年。

諾貝爾獎評選委員會在關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。”

電子躍遷使物質發光的示意圖

紅、綠、藍3 色LED 燈合成白光示意圖（制圖/ 周游）

用化學創造多彩世界

物質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，產量低且顏色種類少。

化學工業興起之后，人們根據對物質發色基團的調控，設計和生產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相互耦合的分子軌道）結構的發色團，可以吸收較低能量范圍的紫外光和可見光，從而呈現特定的顏色。

上述提到物質發出的都是固定不變的顏色，在電力革命（繼工業革命之后的第二次技術革命）到來之后，人們也創造了動態變化的顏色，從早期采用投影技術的電影，采用熒光屏的老式電視機，到現在采用液晶顯示屏和OLED（有機發光二極管）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顏色的顯示與變化。

顏色助力化學科研

顏色是我們開始認識各種物質的最直觀方式。在化學科研領域，化學反應中的顏色變化也是判斷反應進行的常見準則。例如酸堿指示劑，就是利用在不同pH條件下，指示劑的分子結構或電荷狀態發生改變，其吸收或反射光譜的特性發生變化，從而導致顏色的變化。

?偶氮類染料及其分子結構示意圖，其中R代表各種官能團（供圖/黃奔）

在前面我們講到，物質中基態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，我們據此可以得到這些物質的特征光譜。由此發展出的方法被稱為光譜分析法。

歷史上，科學家利用特征譜線確定和發現了許多新的化學元素，例如：稀有氣體元素、銣、銫、鎵、銦等。現在，人們已經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，并廣泛應用于能源、環境、材料等領域。

顏色是我們感受這個多彩世界的直觀方式，與之相關的光譜分析技術也成為我們探究事物本質的有力工具。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