彩色光学

造成颜色的物理和化学原因

根据能量守恒定律，能量可以从一种形式转换为另一种形式，但不能创建或销毁。因此，当光的光子被物质吸收时，通常被原子，分子或离子吸收，或者被一小部分这样的单元吸收，光子就会消失，物质会获取其能量。同样，物质发光时，会失去光子带走的能量。给定的原子或分子不能发出任何任意能量的光，因为量子理论解释说，给定系统仅某些能态是可能的。

神秘化

是黑白颜色吗？

我们看到黑白时会看到什么？

左图为氧化铝晶体中存在的三价铬离子的允许能级示例。这是提供宝石红宝石红色的着色剂。在这种能级方案中存在的是基态，称为⁴ A ₂。这是黑暗中红宝石中铬离子的能量状态。当被白光照射时，能量为2.2 eV的光子或能量为3.0 eV的光子可以被吸收，从而将系统分别提高到⁴ T ₂或⁴ T ₁能级。（在该系统中，由于某些量子限制和指定的选择规则，光不能被吸收到² E 能级中。）这两个能量跃迁通过室温下的热原子振动扩展到吸收带，对应于紫色和绿色的吸收。 -穿过红宝石的白光的黄色部分，如图中的中心所示。其余的透射光由光谱的强红色和弱蓝色部分组成，产生深红色的红宝石色，略带紫色。

红宝石中的铬离子现在包含多余的能量，但是选择规则仅允许通过中间² E能级返回基态，如图左所示。吸收的能量的一部分表现为红宝石的轻微变暖。另一部分作为光子发出，发出明亮的红色荧光（这是在黑暗中用紫外线照射红宝石时所见的最佳现象）。红宝石现在返回到基态，能量得到了保存。这只是颜色发生的一种解释。尽管所有颜色的发生或原因都与电子的激发有关，但为简化说明，本文将颜色的物理和化学原因分为15组。前三个涉及激发能级，振动能级和旋转能级之间的跃迁，这是量子理论所解释的。接下来的四个涉及配体领域和分子轨道理论所涵盖的对该方法的修改。接下来的四个涉及固态物理学的能带形式主义，最后四个由几何和物理光学理论解释。

简单的激发，振动和旋转

白炽

当热物质将其热振动能量的一部分释放为光子时，会产生白炽灯。在中等温度（例如800°C（1,500°F））下，物体的辐射能达到红外峰，在可见光谱的红色端只有很小的强度。随着温度升高，峰移向并最终进入可见区域。在相继较高的温度下，物体变成“红热”，然后变成橙色，黄色，最后变成“白热”。最热的恒星为蓝白色。该颜色序列称为黑体辐射序列。白炽灯的示例包括日光，烛光以及钨丝灯，闪光灯，碳弧和烟火装置（例如火炬和烟花）发出的光（见图）。

气体激发

气体激发涉及通过以气体或蒸气形式存在的化学元素发出的光。当气体（如氖气）或汽化元素（如钠或汞）被电激发时，电能将原子提升为高能态，随着光子的发射，原子从高能态退回到基态。这分别导致在霓虹灯管中看到的红光以及在钠灯和汞蒸气灯中看到的黄光和蓝光。当钠原子通过在气体火焰中加热而被热激发时，会发出相同的黄色钠光。除了通过电或化学反应产生之外，气体激发还可以通过与高能粒子相互作用而产生，例如在极光中，太阳风暴中发射的高能粒子激发地球大气中的高浓度气体以产生各种颜色效果。

振动和旋转

由于化学键的作用，所有分子都有一定的振动或旋转能，但是所涉及的能量太低而不能直接与可见光相互作用。但是，可以通过加强涉及非常轻原子的化学键来增加振动频率。例如，在液态水和固态冰中，氢和氧之间的键强于在分离的H ₂ O分子中。振动频率的相应增加允许在光谱的红色端进行一定程度的吸收，并在散装状态下产生纯水和冰的淡蓝色特征。