科普UP丨金子为什么是金色的？
清晨一缕阳光唤醒了沉睡的大地，自然界走出黑暗，走向明媚。走出室外，你感受着五彩缤纷的世界。蓝蓝的天空，翠绿的湖水，青青的草地，五颜六色的花朵，世界因为阳光而变的格外美丽。除了这些你是否留心观察过身边金属的颜色，比如金黄色的黄金，有没有被多彩的宝石惊叹，好奇的我们曾经肯定问长辈，世界有多少美丽的颜色，它们为什是这个颜色？
各种物体自身本来没有颜色。偏偏在白天人们都能看到各种物体呈现出的颜色，五彩缤纷；但是，到了没有光线的漆黑的夜晚，物体都看不到，物体的颜色也显现不出来。在有阳光的时候，在有光源照射或物体自身发光的时候，物体才能呈现出颜色。可以说，没有光，就没有颜色。颜色就是由物体发射、反射的可见光通过人眼的视觉系统而感知。简单的说，有色物体本身并没有颜色，而是具有吸收某种光反射另一种光的性能，从而呈现出反射光的颜色。发光的物体因为发出特定的光谱因而也呈现这种光的颜色。
光是什么？简单说，是一种电磁波，我们平时在生活中所谓的光，其实叫做可见光，是电磁波谱中人眼可以感知的部分，可见光谱没有精确的范围；一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400-760nm之间，光是由光子为基本粒子组成，具有粒子性与波动性。
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太阳光三棱镜色散实验
光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。光的波长不同，具有的颜色就不同。使用三棱镜可以将白光中混合的各种颜色分解出来（如图）。光从三棱镜的一个侧面射入，从另一个侧面射出，白光是由各种单色光组成的复色光。由于同一种介质对不同色光的折射率不同；不同色光在同一介质中传播的速度也不同。如同体育赛跑，大家都在同一起跑线上，由于各自的速度不同，慢慢就拉开距离，依次到达终点。
1666年，英国物理学家牛顿做了一次非常著名的实验，他用三棱镜将太阳白光分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的七色色带。彩虹就是阳光通过许多小水滴的色散形成，各色波长如下图（纳米）：红：660；橙：610；黄：570；绿：550；蓝：460；靛：440；紫：410 。所以发光物体如灯泡发出波长为660纳米电磁波我们就能看到红色的灯泡，如果可见光照射在一张纸上，被吸收后之反射660纳米的电磁波被反射出来，那我们就看到红颜色的纸。
电磁波谱图
我们知道单质金属中，黄金具有漂亮的颜色，金子为什么具有金黄色？那你知道为什么大多数其他金属只有单调的银白色？这是由于金属是由金属原子以金属键构成，金属原子周围束缚着很多电子，它们按照能量高低分层排布在不同轨道，最外层的电子决定了原子的大部分物理化学性质，金属原子容易失去最外层的电子，在金属晶体内部形成一个自由电子的汪洋大海，可以与电磁波相互作用，所以当光线投射到它的表面上时，自由电子可以吸收所有频率的可见光，然后极快放出可见光，这就使绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽。
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自然界存在的块体金子和玫瑰金首饰
而金原子有较多的层电子，最外层的那个电子有极高的能量，这个电子因此变得“懒惰”，这给黄金带来了相当稳定的化学性质。所以在自然界中，它可以以单质形态出现。不仅如此，这个电子的“懒惰”还带来了更小的轨道半径，使得金原子的外层电子在吸收光的能量后更加容易跃迁到其他轨道上。
具体就是吸收可见光的蓝紫色光的能量。由于颜色的互补原理，金子就展现出了鲜艳的橙黄色。同样纯铜呈现的颜色是，铜的吸收光谱在500-550nm区间，就展现出紫红色的外观。除此以外，当75%的金+22.25%的铜+2.75%的银混合之后就可以得到玫瑰金色，三者之间不同的比例可以调出不同的色彩，当金、铜、铁、镍等多种元素的合金还可以得到经常遇到的紫金。
甚至将铜和锌混合得到与黄金同色的黄铜合金，这些金属混合发生合金化后，表面结构改变了对光线的吸收反射，微量的变化就可以带来色彩的改变，如同美术调色一般。
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不同形状和尺寸胶体金的色彩变化
当然，物体的尺寸也可以带来外观颜色的改变，块体金是黄色，当尺寸减小到胶体金可以呈现不同的颜色，当尺寸小于光波的纳米结构的金颗粒就变成了黑色。不同尺寸形貌的金对可见光有选择性吸收，吸收了某个波长的光后，将没有吸收的光反射出去，我们看到的就是反射的光的颜色，当纳米尺寸的金结构影响了光线的吸收反射，如没有或极少量的反射时，我们看到的纳米金就是黑色。但是金胶体溶液中金的粒子尺寸一般在1-100nm之间，随粒径和形貌的变化呈现不同的颜色（如图）。
这是由于可见光入射到金颗粒表面和溶液介质的界面层时，当满足所有边界条件，将会激发金属颗粒表面价电子的集体振荡，由于共振使电子吸收了可见光的能量，从而使反射光在一定角度内减弱，表现出金纳米胶体溶液随金不同形状和尺寸呈现五颜六色。这在生物探针和医疗检测方面有很大的应用价值。
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除了金子这些名贵金属具有美丽的颜色外，金属的化合物也会给我们带来丰富的颜色，比如不同色彩的离子溶液和美丽的宝石。这一切的颜色由来都是由各种化合物丰富多彩的颜色组合，尤其是过渡金属离子的贡献，过渡金属离子外层含有未成对的d电子轨道。
例如，过渡金属离子溶液往往以配合物的形式存在（水合物、氰合物、氨合物），他们在形成络合物的而过程中会伴随着d轨道能级分裂，d轨道的电子在光照下吸收了能量后从低能级d轨道跃迁到高能级d轨道，称之为d–d跃迁。若d–d跃迁所需能量恰好在可见光能量范围内，即d电子在跃迁时吸收了可见光部分波段的光，则溶液就会显示其互补颜色。若d–d跃迁吸收的是紫外光或红外光，则化合物不显色。
同种离子不同络合物颜色也不尽相同，例无水的Cu2+为无色、CuCl2水溶液为黄绿色、CuSO4水溶液天蓝色、铜氨离子溶液深蓝色；氯化钴本来是蓝色的，但是如果有水分子与钴离子发生络合的话，就形成了水合钴离子，这个水合钴离子是粉红色的，而当它溶于乙醇的时候，就会显示出本来的氯合钴离子的颜色，而这个是蓝色的。
不同金属离子溶液
钻石是在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳(C)元素构成，具有立方结构的天然白色晶体，纯净的钻石无色透明，而红宝石主要成分是氧化铝(Al2O3)，氧化铝是无色，在合适的外界环境条件下，外来的铬原子（Cr3+）就代替了部分铝原子（Al3+）。当受到可见光照射时，电子吸收光能量，吸收的能量足以保证电子从一个基态能级跃迁到另外两个能级，其中，跃迁到这两个不同能级所吸收的能量分别相当于紫光和黄绿光，此后，被吸收后的白光残余部分就形成了红色，故而成了红宝石。
宝石祖母绿具有鲜脆欲滴的绿色，它的成因也是因为含有铬元素，为什么铬的存在让一种宝石变成红色，另一种却变成了绿色呢？其实这是由于，在宝石祖母绿中，祖母绿中多了铍（Be2+）和硅（Si4+）两种离子，从而使得其周围配位电场强度减弱，相对于刚玉而言其能级降低了，也就是说，电子从一个基态能级跃迁到另外一个能级，只需要吸收相对较少的能量就可以保证激发，这个能量对应的恰恰是红色光波段，即红光被大量吸收，从而残余的混合色就成了祖母绿的绿色。
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除了宝石外，一些金属离子化合物还可以将普通透玻璃制成有色玻璃，如加入MnO2为紫色，CoO、Co2O3烧成紫红色，FeO、K2Cr2O7烧成绿色，CdS、Fe2O3烧成黄色，AuCl3、Cu2O烧成红色，CuO、MnO2、CoO、Fe3O4的混合物烧成黑色，CaF2、SnO烧成乳白色等等。
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