(научно обяснение за цветовете с картинки и спектри)
Поглъщане, отражение и пречупване на светлина. Още от малки се сблъскваме с тези явления - за първото явление научаваме от сенките на телата, за второто - от огледалата, а за третото разбираме като гледаме потопена лъжичка в чаша с вода, която сякаш се пречупва. И дъгата се обяснява с пречупване на светлината от дъждовните капки. Много след това в часовете по физика научаваме, че има дифракция и интерференция на светлина и разсейване на светлината. С интерференцията се обясняват цветните кръгове, които маслото, разлято върху вода, прави, а синият цвят на небето е ярък пример за разсейване на светлината. И всички тези явления се свеждат от учените до едно явление - взаимодействие на светлината с веществото.
Цветовете могат да се получат с всички тези явления - призмата пречупва различно лъчите с различни дължини на вълната и ние виждаме цветовете на дъгата, в тънкия слой от масло върху водата се получава интерференция и лъчите с различни дължини на вълната интерферират положително под различни ъгли. Различни среди разсейват по различен начин лъчите с различни дължини на вълната - споменахме вече за синия цвят на небето.
Но защо веществата имат различни цветове? Просто защото поглъщат част от светлинното лъчение и ние виждаме останалите лъчи, които имат определен цвят. Пред вас се намират разтворите на седем химични съединения. Cr(NO3)3, KMnO4, Ni(NO3)2, K2Cr2O7, FeCl3, Co(NO3)2 и CuSO4. Те са с тъмно синьо-зелен, виолетов, зелен, оранжев, жълт, червеникаво-виолетов и син цвят. Ето още една картинка с по-ясни цветове, за сметка на контурите на предметите.
Светлината, която идва от Слънцето е смес от лъчения с различни дължини на вълната. В нея преобладава жълтозеления цвят (той има най-голям интензитет), но ние я възприемаме като безцветна. На картинката по-долу са показани цветовете във видимия спектър на светлината, както и тяхната дължина на вълната. Най-вдясно са дадени допълнителните цветове на всеки един цвят от спектъра. Допълнителен цвят на даден е този цвят, който смесен с цвета ще даде безцветна светлина. Или, по тази логика, ако се погълне даден цвят ние виждаме неговия допълнителен цвят.
Следващата картинка илюстрира казаното досега. Ето защо един разтвор ни изглежда син - просто той поглъща жълтите и зелените и червените цветове и до нас достига смес от останалите цветове с малка част от тези, които се поглъщат.
А можем ли да проверим с научни методи дали тези популярни обяснения, които се срещат в много учебници са истински. Можем, разбира се! За целта е необходимо да измерим спектрите на поглъщане на вещества, които са различно оцветени и да проверим картинките. Спектрите се измерват с апарат, наречен спектрометър. В катедра "Аналитична химия" на Пловдивския университет има такъв апарат и ето някои от измерените спектри. Първият е този на калиевия перманганат, KMnO4.
В резултат се получава крива в координатна система с абциса - дължина на вълната и ордината - абсорбцията на веществото. Тази крива показва какво е поглъщането за дадена дължина на вълната. Както се вижда червено-виолетовият разтвор поглъща в интервала от 480 nm до 600 nm. На долната картинка е наложен цветния спектър от втората картинка, и то така, че да се разпъва от 380 nm до 780 nm (това е регионът на видимите лъчи).
Какво се получава? Ами KMnO4 поглъща зелените и жълто-зелените лъчи. От картинка за допълнителните цветове по-горе ясно може да се види, че допълнителният цвят на зелените лъчи е червено-виолетовия цвят, а на жълто-зелените лъчи е виолетовият цвят, следователно остава тази смес от два цвята -- виолетов и червено-виолетов, които дават характерния цвят на калиевия перманганат.
Следва спектърът на Ni(NO3)2. Той поглъща в крайната част на видимия спектър и най-вече в така наречената близка ултравиолетова област. Но има и слабо поглъщане в интервала от 600 nm до 800 nm.
В първата област това са сините лъчи, а във втората - червените лъчи. В резултат на това, остават зелените лъчи и част от червените и Ni(NO3)2 е наситено зелен.
Следват спектрите на два разтвора - Cr(NO3)3 и Co(NO3)2.
Ясно се вижда, че Co(NO3)2 поглъща синкаво-зелените и зеленикаво-сините лъчи. А техните допълнителни цветове са съответно червеният и оранжевият цвят. И нищо чудно, че разтворът показва цвят, който е смес от тях - червеникаво-оранжев цвят.
За дискусия остана спектърът на Cr(NO3)3. Помислете кои лъчи поглъща (спектърът има две гърбици във видимата област). Кои са техните допълнителни лъчи. И какъв цвят очаквате. А отговаря ли това на цветът на картинката най-горе.
Това бе за цветовете. Един експеримент на по-високо ниво, който ни показва нещо, за което всички говорят, говорят сякаш е очевидно. Е, не е очевидно, но се оказа, че е вярно.
Автор: Пламен Пенчев, Ph.D.
Апаратура: Спектрите са заснети от автора в катедра "Аналитична химия" на Пловдивския университет на Ув-Вид спектрометър Perkin-Elmer Lambda 15.
Рисунки: Двете схеми са нарисувани от автора съгласно схемата дадена в следната книга: Tony Owen; Fundamentals of UV-visible spectroscopy: A Primer, Hewlett-Packard Company, 1996. Авторът не е съгласен с последният цвят от спектъра (син), който е означен в книгата като виолетов, но реши да спази цветовете в оригиналната картинка.
Благодарности: Авторът благодари на гл. ас. д-р
Христина Малакова за разтворите, на ас. Деяна Георгиева за сканиране на
спектрите на скенер и на гл. ас. д-р Атанас
Терзийски за снимките на веществата.
[ това е материал от брой 1 на списание "Коснос" www.kosnos.com]