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Farben von Gold und Silber

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  #1  
Old 08-27-2005, 07:47 PM
michaela_krause_de@yahoo.de
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Default Farben von Gold und Silber



Guten Tag, hier fragen zwei gutwillige, aber an folgender Frage bisher
gescheiterte Laien: Warum scheint Gold golden (rot bis gelb) und Silber
silbern (weiß)? Bitte stoert euch nicht daran, dass wir die
Terminologie nicht richtig beherrschen, wir finden aber, dass die
bisherigen Diskussionen in den Newsgroups sci.physik und sci.chemie
diese Frage nicht beantwortet haben...

Wir wissen bisher folgendes:

1. Die Farben der beiden Metalle entstehen durch das Licht, das nicht
absorbiert wird. Bei Silber wird im UV-Bereich absorbiert, alles
sichtbare Licht wird reflektiert, und das ist in der Summe weiß. Beim
Gold wird violett/blau ,,geschluckt" und rot bis gelb
,,zurueckgeworfen".

2. Welche Farben absorbiert werden, haengen mit der Energiedifferenz
der beiden auesseren Elektronen des Gold- bzw. Silberatoms zusammen.
Beim Gold sind es rund 2 eV, bei Silber rund 3,5 eV. Absorbiert wird je
das Licht mit genau dieser Energie.

Unser Problem: Wieso ist das so, wie kann man sich diesen Vorgang der
Absorption bzw. Reflektion visuell vorstellen?

In der Fachliteratur zu diesem Thema heisst es oefters, es gebe eine
,,Luecke" zwischen den beiden aeusseren Elektronen, die genau der
Energie desjenigen Teils des Lichtspektrums entspricht, der verschluckt
wird. Klapoetke/Tornieporth-Oetting, Nichtmetallchemie schreiben:
,,Schliesslich koennen wir nun auch die Farbe erklaeren, da beim Gold
die 5d-6s-Energiedifferenz (...) viel geringer ist als der energetisch
4d-5s-Abstand beim Silber. Somit zeigt Silber Absorption im UV-Bereich
(3,5eV), waehrend bei Gold der entsprechende Uebergang im sichtbaren
Bereich bei ca 2 eV erfolgt."

Schematisch ist uns das klar. Alles haengt aber an dem Woertchen SOMIT.
Wieso? Da kommt also ein blaues Lichtphoton mit 2,7 eV Energie
angeflogen, passt genau in die ,,Luecke" und wandelt sich im
Goldatom in Waerme um. Ein oranges Nachbarphoton mit 2,0 eV hingegen
passt nicht in die ,,Luecke" und kehrt um.

Frage 1: Was geht da raeumlich-physikalisch vor, wenn ein Lichtphoton
mit einer bestimmten Energie auf den aeusseren Bereich eines Goldatoms
trifft? Wieso muss die Energie der Lichtteilchen genau auf die
Energiedifferenz der beiden auesseren Orbitale ,,passen", also damit
uebereinstimmen, um absorbiert zu werden? Es koennte doch genauso gut
gerade in diesem Fall reflektiert werden. Kann man das in folgendes
Bild kleiden: Ein Teil des Lichtspektrum ist wie ein Schluessel, der in
ein Schloss passt, und das Schluesselloch hat genau die passenden
Ausmaße? Aber das ist doch nur eine Umschreibung, keine Erklaerung des
Problems?

Frage 2: Ist es richtig, dass das violette und blaue Licht, das vom
Gold geschluckt wird, quasi im Inneren des Atoms in Waerme verwandelt
und dann wieder abgegeben wird?

Danke fuer Hinweise

Michaela, Dietmar

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  #2  
Old 08-27-2005, 11:31 PM
Ralf Pfeifer
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[Only registered users see links. ] wrote:

^^^^^^

Wenn das die Fragen von 'Laien' sind, wie fragt ihr dann, wenn Ihr
Euch auf einem Gebiet zu den Profis zählt .... ;-)

Gruß, Ralf.



--
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  #3  
Old 08-28-2005, 12:13 AM
Kai-Martin
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[Only registered users see links. ] wrote:


Der Trick besteht darin, dass das Licht es nicht mit einzelnen Gold-Atomen
zu tun hat, sondern mit dem Kristall-Verband des Festkörpers. Dadurch wird
einerseits der Frequenzbereich in dem das Gold absorbieren kann dramatisch
verbreitert. Ein Atom kann nur bestimmte recht scharf begrenzte Frequenzen
absorbieren, bei einem Festkörper sind es ganze Frequenz-Bänder.
Andererseits ist ein Teil der Elektronen so beweglich, dass sich als
Antwort auf das elektromagnetische Feld des Lichts Ströme quer durch den
Festkörper ausbilden können. Auch wenn das Licht aus quantenmechanischen
Gründen nicht absorbiert werden kann, wirkt es auf die Ladungen im Metall.
Die dadurch induzierten Ladungs-Oszillationen passen gerade, um das Feld
der einfallenden Welle in Vorwärtsrichtung zu kompensieren. Gleichzeitig
wird aber auch eine Welle in der Richtung abgegeben, die der Regel
Einfallswinkel= Ausfallswinkel gehorcht. Diese Reflexion einer
elektromagnetischen Welle ist rein klassische Elektrodynamik.



Das passende Stichwort in diesem Zusammenhang ist "Resonanz". Ein Atom ist
ein Resonator für elektromagnetische Wellen. Wenn eine der "richtigen"
Frequenzen ankommt, dann kann das Atom im Takt mitschwingen und schaukelt
sich soweit auf, dass es einen Zustand mit höherer Energie erreicht.
Man kann die Verteilung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit für das äußerste
Elektron unter dem Einfluss eines elektrischen Wechselfeldes berechnen und
dreidimensional darstellen. In dem entstehenden Film sieht man geometrisch
eindrucksvoll, wie das Atom aufschaukelt wird.



Nicht im Inneren von einem Atom, sondern in Gitterschwingungen des
Kristallverbundes. Eine mechanische Analogie wären ein altmodisches
Bettgestell mit Stahlfedern und ohne Matratze. Wenn man einen Fußball auf
die Feder-Fläche wirft, dann wird ein Teil der Energie in statistisch
verteilte Schwingungen der Federn untereinander verschwinden.

Insgesamt muss man sowohl für die Farbe als auch für die Reflexion bedenken,
das man es nicht mit einzelnen Atomen, sondern mit einem Festkörper zu tun
hat, bei dem die Atome mechanisch und elektrisch gekoppelt sind. .

---<(kaimartin)>---

--
Kai-Martin Knaak
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  #4  
Old 08-28-2005, 06:44 AM
Manuel Hölß
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Ich bin mir nicht sicher, ob es wirklich sinnvoll ist, sich das
Phänomen der Reflexion an Metalloberflächen auf Atomarer Ebene
anzusehen. Ich glaube, die klassische Elektrodynamik reicht dazu
völlig aus. Wenn ich mir recht an die Vorlesung dazu erinnere wurde da
mal die Reflektivität an einer Oberfläche mit spezifischer
Leitfähigkeit ausgerechnet. Was dabei rauskam war, dass die
Reflexivität immer bei kleineren Wellenlängen abnahm. Ab einer
bestimmten Frequenz wird die Strahlung weggedämpft. Wo die Grenze
dafür liegt hängt von den Materialeigenschaften ab. Ich hab' das für
mich immer als Erklärung dafür aufgefasst, dass Metalle immer
Silber- Gold- oder Kupferfarben sind, nie aber grün oder blau.


Grüße.

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  #5  
Old 08-28-2005, 08:12 AM
Roland Damm
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Moin,

Manuel Hölß hat geschrieben:


Interessant, diese Frage ist mir gerade neulich begegnet, nämlich ob
sich die Reflektivität z.B. von Halbleitern durch Dotierung ändern
lässt - dadurch ändert sich ja die Leitfähigkeit.

Kennst du dazu irgendwelche Hinweise im Netz? Ganz vorne mei den
Maxwellgleichungen anzufangen scheint etwas umständlicher zu sein,
als einfach nur die passende Quelle zu finden:-).

CU Rollo
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  #6  
Old 08-28-2005, 08:44 AM
Holger Korn
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Am 28.08.2005 08:44:11 schrieb Manuel Hölß:



eloxiertes Aluminium kann auch rot oder blau sein.
Die Oberfläche ist hierbei zwar oxidiert, aber es ist noch immer der
Ursprungswerkstoff.


--
cu |_|
|olger
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  #7  
Old 08-28-2005, 09:15 AM
Manuel Hölß
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Default Farben von Gold und Silber

Ich denke mal, dass da Oberflächeneffekte (vielleicht Interferenz an
dünnen Schichten?) eine Rolle spielt und deshalb obigen erwähntes
Modell nicht passt. Man ging ja davon aus, dass ein direkter
Übergang von Luft/Vakuum ins leitende Medium stattfindet. Blaue Farbe
hat man ja auch bei Stahl, nachdem er erhitzt wurde. Aber wirklich
'nackte' Metalloberflächen haben doch immer diese typischen Farben
oder?

Grüße.

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  #8  
Old 08-28-2005, 09:21 AM
Manuel Hölß
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Die einzige Resource zu dieser Überlegung ist leider meine Erinnerung
zu besagter Vorlesung. Ich weiss nicht genau, ob ich das Skript noch
finde, aber ich kann ja mal nachschau'n.

Ich bin mir aber nicht sicher, ob das für Halbleiter auch noch passt.
Bei Metallen funktioniert das _imho_ deshalb so gut, weil die
Valenzelektronen ein Elektronengas bilden, und deshalb die Struktur der
Ionenrümpfe zweitrangig ist und sich dann nur noch in der
Dielektrizitätskonstante und der Leitfähigkeit äussert.

Grüße.

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  #9  
Old 08-28-2005, 10:48 AM
Wolfgang Draxinger
Guest
 
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Holger Korn wrote:


Das wird aber durch Zugabe eines Stoffes in das Elektrolytbad
erreicht, der sich mit der Oxidschicht verbindet und das ganze
einfärbt.

Wolfgang Draxinger
--

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  #10  
Old 08-28-2005, 10:49 AM
Holger Korn
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Am 28.08.2005 11:15:52 schrieb Manuel Hölß:


Ich schaue ja gerne bei wikipedia vorbei für solche Dinge:
[Only registered users see links. ]
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keine Hanung, habe mir über die Entstehung von Farben bei Metalloberflächen
zugegeben noch nie Gedanken gemacht (leider)

Bei Stahl sind die Farbeffekte durch Wärmebehandlung zu erzeugen
(Anlassfarben). Und korrekt: die Farben entstehen dann durch
Interferenzeffekte.

Aluminium ist an der Oberfläche generell oxidiert, nur beim Eloxiren werden
da speziell gewünschte Farben erzeugt - ufff und wie ich im wikipedia lese
werden da sogar Farbstoffe verwendet.







--
cu |_|
|olger
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farben , gold , silber , und , von


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