色彩与微观世界

颜色为我们营造了五彩缤纷的世界，颜色使大自然和人类生活美不胜收。颜色不仅是大千世界浩繁又有趣的内容，而且近年来色彩化学已经成为色彩科学的一个分支。传统的色彩应用包括染料合成与纤维染色、印刷油墨、食品与化妆品着色等；在高新技术领域中，利用有机色素在不同结构状态下的变色性能、可逆与不可逆变化，得到信息记录材料、光敏及热敏变色材料、超高密度存储材料以及太阳能光电转换物质。色彩化学的重要性得到了前所未有的重视。
颜色是物质的基本属性之一，是物质微观结构的宏观表现。物质的一切性质都来源于其特有的微观结构，即结构决定性能，性能反映结构。围绕颜色这一广泛又生动的话题，本书以化学键理论为主导，以物质结构为主线，列举大量实例，从宇宙奇观的产生，宝石幽雅神采的变换，食品、化妆品中的色素，到人体、动植物的色彩奥秘；从金属、合金的颜色机理，到稀土元素及其化合物对染色、颜料的特殊贡献；从光合作用与绿色能源，颜料、涂料的结构对环境和人体健康的影响，到染料激光、彩喷打印、液晶与等离子体显示原理及应用……通过深入浅出的阐述，既把难以理解的化学键理论、原子分子结构与无数引人入胜的具体实例密切结合起来，同时又将看似普通的颜色现象归结出深刻的微观结构根源。
大学已有许多经典的课程，但是还需要大量有特色的、与时俱进的新颖课程。作者在首都师范大学化学系开设“色彩与物质结构”选修课九年，同时还面对全校学生开设了相关内容的公共选修课，课程内容吸引了越来越多的学生。多年的教学效果证明，本课程不仅使学生对物质的本质有了更深刻的理解，而且开阔了视野，更为将来从事中学教学积累了广博的知识，对提高师范生的科学素养和综合素质起到了非常重要的作用，深受学生欢迎。现将讲稿整理成书，希望通过本书的出版，使更多的读者受益。
本书的编写和出版得到了化学工业出版社资深编辑王仁杰先生的关心和指导，首都师范大学教务处高素兰老师也给予了热情帮助，何强、龚妍、王志伟等参加了部分插图的制作，在此一并表示感谢。由于作者水平有限，书中难免存在错误及不妥之处，恳请广大读者批评指正。

金增瑗
2004年7月

本书以物质结构为主线，融合多学科知识，深入浅出地列举了大量日常生活中的实例，全面剖析了色彩与物质微观结构的关系。全书共九章，讲述了颜色的基本理论，色散、散射、干涉、衍射等光学现象的色彩与物质结构状态的关系；多种宝石矿物、金属、半导体、绝缘体、有机色素颜色现象和呈色机理；颜色理论在食品、化妆品、颜料、涂料、材料、艺术品、彩色电视中的应用。

1颜色的基本理论1
11光与颜色1
111可见光的特性1
112视觉的特性7
113视觉的有机化学10
114光与物体的相互作用13
115物体的颜色16
116互补色原理在化妆品中的应用19
12色度学基础19
121颜色的三要素19
122色度图与色调配比20
123三基色原理及应用25

2物质的结构状态与光学颜色28
21光的色散与相关的颜色28
211光的色散28
212色散与物质结构、化学键的关系33
213折射率与钻石异彩34
214折射色散与露珠、彩虹35
215星光闪烁36
22光的散射与相关的颜色36
221不均匀介质与光的散射36
222散射与微粒结构的关系38
223大气散射与蓝天、白云40
224散射程度与太阳的颜色41
225散射结构与鸟类蓝色的羽毛42
226人体中的丁达尔蓝效应43
227宝石中的散射效应44
23光的干涉、衍射与相关的颜色45
231干涉、衍射基本原理45
232衍射与物质结构的关系47
233单层薄膜干涉产生的颜色49
234多层薄膜干涉产生的颜色51
235彩色珍珠52
236多彩的欧泊52
237宝石中的“猫眼效应”55
238光盘的彩晕55
239蛇表皮的虹彩色55

3原子的结构状态与简单激发产生的颜色57
31白炽与物体发光57
311黑体辐射与色温57
312白炽与白炽光源60
313彩色拍摄中的色温调节62
32原子中简单激发产生的颜色63
321原子结构与原子光谱63
322气体放电与霓虹灯颜色65
323元素的特征焰色与烟花66
33原子激发与宇宙中的颜色现象67
331太阳光谱中的Fraunhofer谱线67
332太阳色球与日冕69
333太阳风与极光69

4分子的结构状态与振动转动能级跃迁产生的颜色72
41分子结构与分子光谱72
411分子结构概论72
412分子光谱简介73
413分子光谱项与跃迁选率76
42振动转动能级跃迁与相关的颜色77
421氢键与水和冰的结构77
422大量水与大块冰的颜色78
423小分子的振动与绿柱石的颜色80
424卤素的颜色81
425荧光与磷光82
426荧光颜料83
427萤火虫的发光机理84

5配合物与过渡金属化合物的颜色87
51配位场效应与宝石、矿物的颜色88
511配合物的紫外可见吸收光谱的特点88
512刚玉（Al２O３）中的键连与红宝石的颜色89
513红宝石的发热与发光93
514配位键强度变化与祖母绿的颜色94
515祖母绿的发热与发光95
516特殊的配位场强度与奇妙的变石95
517红宝石、祖母绿的二向色性与变石效应96
518影响配位键强度的因素及相关颜色的变化98
519湿度计与变色温度计100
52电荷转移与光化学氧化还原作用产生的颜色101
521异核电荷转移与蓝宝石的颜色101
522同核电荷转移与普鲁士蓝的颜色104
523光化学氧化还原反应产生的颜色105
524其他类型的电荷转移与相关物质的颜色105
525自色与别色过渡金属化合物的颜色107
526稀土元素及其化合物的颜色109
527稀土化合物与玻璃的颜色111
528稀土化合物与陶瓷的颜色112
53红宝石、蓝宝石和祖母绿的鉴定与优化113
531红宝石的鉴定与优化114
532其他红色宝石115
533蓝宝石的鉴定与优化116
534其他蓝色宝石118
535祖母绿的鉴定与优化119
536其他绿色宝石120

6有机物的结构与颜色123
61离域Π键与有机色素的结构特点、类型及相关颜色123
611有机色素的结构特点及其紫外可见吸收光谱123
612天然有机色素125
613有机色素的主要结构类型及颜色129
62染料的结构、性能与应用135
621染料与染色135
622稀土元素在染色中的应用144
623染料激光与激光染料145
63有机色素的应用及发展前景149
631叶绿素——光合作用的关键色素149
632具有消炎、抗癌作用的有机色素153
633有机太阳能电池155
634有机色素与激光打印156
635彩色喷墨与升华打印157
636有机色素与光盘刻录158

7金属的结构与金属、绝缘体、半导体的颜色163
71金属键与金属的颜色163
711金属键与能带理论简介163
712金属的高吸收与高反射率167
713常见金属的典型结构形式168
714金属的态密度图与金属的颜色170
715黄金及其多种合金的颜色173
716具有类金属外观的物质的颜色175
72绝缘体与半导体的颜色176
721能带间隙与绝缘体、半导体的颜色176
722彩色金刚石178

8晶体结构与色心产生的颜色181
81晶体结构与晶体缺陷181
811晶体的点阵结构与晶体缺陷181
812离子晶体中的Frenkel缺陷与Schrtky缺陷183
82色心与某些晶体的颜色186
821色心产生颜色的机理186
822烟晶和紫晶189
823色心在宝石改良中的应用192

9颜色理论的应用195
91食品的颜色与变化195
911天然食品的固有色素195
912不同条件下食品颜色的变化201
913天然食用色素的种类和结构207
914人工合成食用色素的种类和结构209
915人工合成食用色素可能的不良影响211
916食品护色剂作用原理及其对健康的影响212
92化妆品中色素的结构、特性和应用215
921天然动植物色素216
922无机色素217
923有机色素219
924珠光颜料222
93颜料、涂料与环境223
931颜料的类型与结构223
932环境污染与颜料变质225
933颜料与健康227
934涂料与环境229
94热、光、电致变色的原理与应用231
941热致可逆变色与不可逆变色231
942热敏变色材料234
943光致可逆变色与不可逆变色235
944光敏变色材料238
945电致变色材料240
946压致变色与彩色复印242
95光化学与艺术品保护244
951光化学反应的特点244
952有机染料的光致褪色245
953无机颜料的粉化和变色246
954纤维的光照变质246
955艺术品保护247
96彩色电视原理248
961显像三基色的选择248
962彩色电视荧光粉249
963彩色图像的摄取与重现250
964高清晰度与数字化彩电253
965液晶显示原理与材料254
966等离子体显示原理与材料261

参考文献264