用化学的“眼睛”看颜色

颜色与光谱

首先，我们需要知道颜色究竟是什么。颜色是到达我们眼中的波长范围在400～800纳米之间的可见光，也就是电磁波。除此之外，电磁波还包括我们肉眼看不见的紫外线、红外线、X射线、微波等。

那么，不同颜色的可见光是如何产生的呢？这就要回到我们日常看到的颜色的源头——白光（这里的白光指的就是常见的日光、白色的灯光等）。

白光可以分解为各种颜色的光谱，就像我们雨后看到的彩虹。第一个将太阳光用三棱镜进行分解的是英国科学家牛顿。彩色光谱可以进一步分解为红绿蓝的三原色，而光的三原色也可以组合成其他各种颜色的光和白光。

如果物质对白光的部分光谱进行吸收，剩下的其他波长的光会发生透射或反射，到达我们眼睛就呈现出了该物质的颜色。由此可知，物质呈现什么颜色，关键是它吸收了什么波长的光。那么，物质的不同吸光行为又有什么更深层次的原因呢？

去微观世界“看”颜色

想要破解物质的颜色奥秘，需要我们来到微观世界，用化学的“眼睛”去看物质内部的电子结构。一种物质在白光的照射下，基态能级轨道上的电子会吸收一定能量即波长的光子，从而跃迁到更高能量的激发态轨道，而其他波长的光子被透射或反射，这样就呈现出了一种互补色。

物质的具体微观结构和电子能级差异决定了吸收光谱，进而决定了其颜色。我们在化学实驗室里见到的各种颜色的试剂、溶液，以及我们目所能及的有颜色的物品，也主要遵循这样的原理。

电子跃迁使物质产生颜色的示意图

例如，植物为什么大都是绿色的呢？恰恰是因为进行光合作用的叶绿体上有许多色素分子可以作为捕光“天线”，其中占大多数的叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，无法吸收的绿光就反射到了我们眼睛中。到了秋天，植物中的叶绿素发生分解，剩下了胡萝卜素和叶黄素（统称类胡萝卜素）等，它们主要吸收蓝紫光，因此许多植物就呈现出了黄色。

叶绿素分子的吸收光谱与其分子结构（供图/ 黄奔）

如何“发光”？

物质本身也可以发出不同颜色的光，这就要涉及具体的发光原理了。

当一种物质在获得能量（例如光、电、热和化学反应等）后，处于基态能级轨道上的电子会跃迁到高能量的激发态轨道，但是此时电子是不稳定的，很快就会回落到基态能级轨道，同时释放一个光子。如果这个光子的波长位于可见光区，就会产生对应的颜色了，例如：烧红的铁块、燃烧的火光、交通信号灯和彩色的霓虹灯等。

生活中常见的白光其实就是不同色彩的光的混合，例如白炽灯、荧光灯、氙（xiān）灯，等等。当然，随着照明技术的发展，还有我们现在常见的LED（发光二极管）光源。而且，在2014年，基于氮化镓（jiā）的高亮度蓝光二极管的发明获得了该年度的诺贝尔物理学奖。

你可能会吃惊，我们司空见惯的LED灯有什么神奇之处？虽然此前红光和绿光二极管早已被发明并应用，但蓝光二极管的缺失，令白色光源照明始终无法实现。无论是在科学界还是工业界，如何造出蓝光二极管困扰了人们数十年。

诺贝尔奖评选委员会在关于获奖成就的声明中指出：“白炽灯照亮了20世纪，那么21世纪将是被LED灯照亮的。”

电子跃迁使物质发光的示意图

红、绿、蓝3 色LED 灯合成白光示意图（制图/ 周游）

用化学创造多彩世界

物质的颜色让我们的衣食住行变得多姿多彩，例如印染衣服的染料、印刷和绘画用的颜料、粉刷用的涂料、食品和饮料中的食用色素等。以染料为例，过去人们只能利用无机矿物或者从生物中提取，产量低且颜色种类少。

化学工业兴起之后，人们根据对物质发色基团的调控，设计和生产出了不同颜色的人工合成染料，例如偶氮类、蒽醌（ēn kūn）类和酞菁（tài jīng）类染料等，这些染料分子通常具有共轭π键（原子或分子轨道通过重叠形成的能量和性质相互耦合的分子轨道）结构的发色团，可以吸收较低能量范围的紫外光和可见光，从而呈现特定的颜色。

上述提到物质发出的都是固定不变的颜色，在电力革命（继工业革命之后的第二次技术革命）到来之后，人们也创造了动态变化的颜色，从早期采用投影技术的电影，采用荧光屏的老式电视机，到现在采用液晶显示屏和OLED（有机发光二极管）显示屏的手机、电脑等，它们采用的原理各不相同，但目的都是更好地实现颜色的显示与变化。

颜色助力化学科研

颜色是我们开始认识各种物质的最直观方式。在化学科研领域，化学反应中的颜色变化也是判断反应进行的常见准则。例如酸碱指示剂，就是利用在不同pH条件下，指示剂的分子结构或电荷状态发生改变，其吸收或反射光谱的特性发生变化，从而导致颜色的变化。

 偶氮类染料及其分子结构示意图，其中R代表各种官能团（供图/黄奔）

在前面我们讲到，物质中基态能级轨道的电子通过吸收或释放能量，可以在不同的能级之间跃迁，并释放或吸收特定波长的光子，我们据此可以得到这些物质的特征光谱。由此发展出的方法被称为光谱分析法。

历史上，科学家利用特征谱线确定和发现了许多新的化学元素，例如：稀有气体元素、铷、铯、镓、铟等。现在，人们已经制造了更加灵敏和先进的紫外可见分光光度计和原子吸收（发射）光谱仪，用于分析样品中化合物及元素的种类、含量和性质，并广泛应用于能源、环境、材料等领域。

颜色是我们感受这个多彩世界的直观方式，与之相关的光谱分析技术也成为我们探究事物本质的有力工具。生命的进化使我们获得了辨别色彩的能力，也许未来随着科技的发展，我们不仅能模拟真实世界的色彩，也能看到可见光之外的“颜色”，感受更加绚丽的世界。

 酸碱指示剂在不同pH值下的颜色