¿Por qué la mayoría de los metales son grises/plateados?

¿Por qué la mayoría de los metales tienen un color plateado, siendo el oro una excepción?

No es sorprendente que la respuesta a esta pregunta se base en gran medida en la teoría cuántica, pero la mayoría de las personas se sorprenderán al escuchar que la respuesta completa trae consideraciones relativistas al panorama. Así que estamos hablando de efectos relativistas cuánticos.

La parte cuántica de la historia nos dice que el color de los metales como la plata y el oro es una consecuencia directa de la absorción de fotones por los electrones d. Esta absorción de fotones da como resultado que los electrones d salten a los orbitales s. Por lo general, y ciertamente para la plata, la transición 4d→5s tiene una gran separación de energía que requiere fotones ultravioleta para permitir la transición. Por lo tanto, los fotones con frecuencias en la banda visible tienen energía insuficiente para ser absorbidos. Con todas las frecuencias visibles reflejadas, la plata no tiene color propio: es reflectante, una apariencia a la que nos referimos como "plateada".

Ahora la parte relativista. Es importante darse cuenta de que los electrones en los orbitales s tienen una probabilidad mucho mayor de estar en la vecindad del núcleo. Hablando clásicamente, estar cerca del núcleo significa velocidades más altas (cf. la velocidad de los planetas interiores en el sistema solar con la de los planetas exteriores).

Para el oro (con número atómico 79 y, por lo tanto, un núcleo altamente cargado), esta imagen clásica se traduce en velocidades relativistas para electrones en orbitales s. Como resultado, se aplica una contracción relativista a los orbitales s del oro, lo que hace que sus niveles de energía se acerquen más a los de los orbitales d (que están localizados lejos del núcleo y, hablando clásicamente, tienen velocidades más bajas y, por lo tanto, menos afectados por la relatividad) . Esto cambia la absorción de luz (para el oro principalmente debido a la transición 5d→6s) desde el ultravioleta hasta el rango azul de frecuencia más baja. Entonces, el oro tiende a absorber la luz azul mientras refleja el resto del espectro visible. Esto provoca el tono amarillento que llamamos 'dorado'.

Reflectividad en función de la longitud de onda. La luz púrpura/azul corresponde a 400 - 500 nm, el extremo rojo del espectro visible a aproximadamente 700 nm.

Ver: el color del oro , química cuántica relativista .

Los electrones D en los metales permiten transiciones ópticas en el régimen visible. La luz visible puede ser absorbida por elementos que tienen electrones de valencia libres en la capa d. Asi que

Química: óptica d->s$^2$transición

• Hierro [Ar] 3d$^6$4s$^2$
• Estaño [Kr] 4d$^{10}$5s$^2$5p$^2$(carcasa d completa)
• Aluminio [Ne] 3s$^2$3p$^1$(es un caso especial: no hay electrones de valencia d, pero reflectividad de aluminio . No tengo otra explicación que el cálculo de las ecuaciones de Fresnel. Sin embargo, no puedo comprender el motivo de esta distinción).
• Plomo [Xe] 4f$^{14}$5d$^{10}$6s$^2$6p$^2$(carcasa d completa)
• Cinc [Ar] 3d$^{10}$4s$^2$(carcasa d completa)
• Tungsteno [Xe] 4f$^{14}$5d$^4$6s$^2$
• Níquel [Ar] 4s$^2$3d$^8$o 4s$^2$3d$^9$
• Cobre [Ar] 3$d^{10}$4s$^1$(una s y una d completa)
• Oro [Xe] 4f$^{14}$5d$^{10}$6s$^1$(una s y una d completa)

Los metales brillantes, excepto el aluminio, tienen electrones d. Un solo electrón s y una capa d completa insinúan una d importante para s$^2$transición orbital en el espectro visible. Se prefiere energéticamente un caparazón completo. No parece haber una explicación para la apariencia coloreada del oro y el cobre, aparte de una configuración electrónica distintiva; al menos, la química no proporciona una respuesta.

Física: cambio de signo de$\epsilon(\lambda)$cerca de azul

Si la luz absorbida se vuelve a emitir (de hecho, se refleja) en todo el espectro visible , el metal aparece brillante como un espejo. De hecho, nuestros espejos de baño están hechos de un vidrio revestido con la parte posterior de aluminio.

Aquí la física tiene que explicar algo más que "hay un electrón ad valencia". Una segunda razón más física no describe su origen: la reflectividad, fuera de las ecuaciones de Fresnel usando

fuera del modelo de gas de electrones libres de Drude para electrones (y densidad de electrones$n_e$), es alta en todo el espectro visible para estos metales. Este signo cambia en$\omega=\omega_p$, la frecuencia del plasma es la razón de un cambio$\epsilon_r$, por lo tanto, un índice de refracción cambiante$n$, debido a las ecuaciones de Fresnel, una reflectividad cambiante. Si este cambio ocurre en el espectro visible, entonces hay reflejos de color como el oro.

La absorción azul del oro ocurre porque se debe tener en cuenta la relatividad especial para este elemento pesado. Ver respuesta superior. El cobre y el oro no tienen una alta reflectividad para el azul ($\approx 475\,$Nuevo Méjico).

Tomado de http://www.webexhibits.org/causesofcolor/9.html

"El color de los metales puede explicarse mediante la teoría de bandas, que supone que los niveles de energía superpuestos forman bandas.

En las sustancias metálicas, las bandas de conducción vacías pueden superponerse con las bandas de valencia que contienen electrones. Los electrones de un átomo en particular pueden moverse a un estado de nivel superior, con poca o ninguna energía adicional. Se dice que los electrones externos están "libres" y listos para moverse en presencia de un campo eléctrico.

El nivel de energía más alto ocupado por electrones se llama energía de Fermi, nivel de Fermi o superficie de Fermi.

Por encima del nivel de Fermi, los niveles de energía están vacíos (vacíos en el cero absoluto) y pueden aceptar electrones excitados. La superficie de un metal puede absorber todas las longitudes de onda de la luz incidente y los electrones excitados saltan a un nivel de energía desocupado superior. Estos electrones pueden caer fácilmente al nivel de energía original (después de un corto tiempo) y emitir un fotón de luz de la misma longitud de onda.

Por lo tanto, la mayor parte de la luz incidente se vuelve a emitir inmediatamente en la superficie, creando el brillo metálico que vemos en el oro, la plata, el cobre y otros metales. Esta es la razón por la que la mayoría de los metales son blancos o plateados, y una superficie lisa será muy reflectante, ya que no permite que la luz penetre profundamente.

Si la eficiencia de absorción y reemisión es aproximadamente igual en todas las energías ópticas, todos los diferentes colores de la luz blanca se reflejarán igualmente bien. Esto conduce al color plateado del hierro pulido y las superficies plateadas.

Para la mayoría de los metales, una sola banda continua se extiende desde las energías de valencia hasta las energías "libres". Los electrones disponibles llenan la estructura de bandas hasta el nivel de la superficie de Fermi.

Si la eficiencia disminuye al aumentar la energía, como es el caso del oro y el cobre, la reflectividad reducida en el extremo azul del espectro produce colores amarillos y rojizos.

La plata, el oro y el cobre tienen configuraciones electrónicas similares, pero los percibimos con colores bastante distintos .

Gold cumple todos los requisitos para una intensa absorción de luz con energía de 2,3 eV (desde la banda 3d hasta por encima del nivel de Fermi). El color que vemos es amarillo, ya que se vuelven a emitir las longitudes de onda correspondientes.

El cobre tiene una fuerte absorción a una energía ligeramente más baja, siendo el naranja el que más se absorbe y se vuelve a emitir.

plata _ El pico de absorción se encuentra en la región ultravioleta, a unos 4 eV. Como resultado, la plata mantiene una alta reflectividad de manera uniforme en todo el espectro visible y la vemos como un blanco puro. Las energías más bajas correspondientes a todo el espectro visible de color se absorben y se vuelven a emitir por igual, lo que hace que la plata sea una buena opción para las superficies de los espejos.

Esta pregunta tiene otro aspecto interesante que tiene más que ver con la neurociencia que con la física: ¿por qué percibimos los metales con un color neutro (como la plata) como grises, incluso por qué son brillantes y, por lo tanto, simplemente reflejan los colores de su entorno?

Una respuesta es que tales metales siempre tienen cierta rugosidad y, por lo tanto, dispersan la luz desde una variedad de ángulos, y estos rayos suelen tener una variedad de longitudes de onda. La mezcla de estas longitudes de onda tiende a desaturar el color percibido y lo desplaza hacia un tono neutro. Sin embargo, algunos experimentos simples sugieren que hay más que esto. Incluso cuando la superficie refleja un color dominante, nuestra percepción del color de la superficie es gris.

La razón de esto está relacionada con la forma en que el cerebro procesa la información del color. La constancia del color garantiza que nuestra percepción se ajuste al sesgo de color en las condiciones de luz ambiental: tendemos a percibir el color intrínseco de un objeto en lugar del color de la luz que refleja. El gris aparente de las superficies metálicas (tanto brillantes como mates) parece ser una variante interesante de este fenómeno.

Comencemos con lo que significa fundamentalmente "esa cosa es X en color":

Notarás que el plateado no es uno de los colores aquí. Sin embargo, el plateado se parece MUCHO al blanco, como veremos en un segundo.

Hay otro factor involucrado llamado reflexión especular frente a difusa.

El blanco refleja todas las longitudes de onda de forma difusa (los rayos reflejados van en todas direcciones). La plata (por ejemplo, un espejo) refleja todas las longitudes de onda especularmente (los rayos reflejados rebotan muy bien).

Ahora, los metales no necesariamente siempre se ven como espejos, a menudo son más irregulares que eso, por lo que su reflejo es un poco difuso en lugar de totalmente especular.

De todos modos, el punto es que "color plateado" significa "refleja todas las longitudes de onda especularmente (más o menos)".

¿Por qué estos metales reflejan la mayor parte de la luz visible? Porque tienen muchos electrones libres (esa también es la razón por la que son buenos conductores). Cuando la luz (radiación electromagnética) golpea la superficie de un metal, es absorbida por los electrones que orbitan alrededor de los átomos del metal y se vuelve a emitir a medida que los electrones vuelven a una configuración más estable. El tamaño de los espacios de banda determina qué frecuencias se absorben y emiten.

Un metal coloreado como el oro tiene la mayoría de estas propiedades, pero absorbe solo un poco de radiación en el área verde-azul-violeta. Entonces, lo que sea que refleje, tiene un poco de luz verde-azul eliminada y el resultado se ve (por sustracción) rojo amarillento.

Un metal como el plomo también tiene la mayoría de estas propiedades, pero absorbe un poco más de todo el espectro, por lo que se ve gris.

PD Esta respuesta la proporciona "Ian Pollock, Sci/Phil dilettante" en quora.com .

La estructura de banda metálica permite la absorción y reemisión de luz como se muestra en este sitio.

Los metales están coloreados porque la absorción y la reemisión de luz dependen de la longitud de onda. El oro y el cobre tienen baja reflectividad en longitudes de onda cortas, y el amarillo y el rojo se reflejan preferentemente. La plata tiene una buena reflectividad que no varía con la longitud de onda y, por lo tanto, parece muy cercana al blanco.

Un electrón puede excitarse a un nivel de energía superior absorbiendo un fotón, a través de la energía cinética vibratoria del propio átomo, o mediante la transferencia de energía de resonancia de un átomo adyacente excitado. Un electrón en un estado excitado puede volver a su estado fundamental por el reverso de cualquiera de los procesos anteriores.

En los metales, los fotones pueden dispersarse después de la colisión con los electrones o ser absorbidos por ellos, llevándolos a niveles de energía más altos. En los metales con brillo metálico blanco, los fotones en el espectro visible son absorbidos por los electrones en la banda de conducción y son emitidos inmediatamente. Sin embargo, en metales como el oro, los fotones azules (que es una mala manera de etiquetar los fotones, pero tengan paciencia) tienen suficiente energía para permitir también la transición de electrones de la banda d a la banda de conducción. Y algunos de estos electrones vuelven a su estado fundamental sin devolver los fotones azules. Por lo tanto, la luz reflejada perderá algunos de los fotones azules incidentes, lo que dará como resultado el tono amarillento del oro. En metales como la plata, la transición ds no puede ser provocada por ninguno de los fotones visibles, sino solo por los fotones ultravioleta, cuya ausencia puede