Genaue Erklärung des Metallglanzes - Einige Fragen
Hallo Leute!
Bei mir steht morgen mein AC II Kolloquium an und dafür muss ich auch das Phänomen des Metallglanzes können. Leider konnte mir bisher niemand eine für mich einleuchtende und eindeutige Erklärung dafür liefern, auch mein Tutor nicht... dennoch würde mich das doch mal interessieren.
Also, wenn man das googlet, kommt dort einiges an "Mist" zum Vorschein:
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ebene Oberfläche -> Licht wird reflektiert (naja, mag sein, doch ist der silbrig weiße Glanz doch etwas anderes, als z.B. der Glanz von Halit, welches ja auch ne ebene Oberfläche aufweist) -> die Erklärung fällt für mich raus
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Erklärung über das Elektronengas, bzw. um es nach der aktuellen MO-Theorie zu halten:
ein formal unendlich ausgedehnter Metallkristall weißt eine nahezu kontinuierliche Orbitalaufspaltung auf, Leitungsband und Valenzband überlappen sich, in der Mitte des Überlappungsbereiches (gibts nen Namen für, fällt mir grad jedoch nicht ein, vllt ja jemandem von euch), liegt die Grenze der besetzten Orbitale.
So laut gängiger Erklärung, kann hier jedes Photon beliebiger Energie (im gequantelten Bereich natürlich) absorbiert werden, beim Zurückfallen wird eben Licht derselben Energie emittiert. Bin ich soweit auch mit einverstanden, nur dürfte die Intensität bei der "Reflexion" doch stark abnehmen, da die Photonen von einer Richtung absorbiert, aber doch in alle Richtungen emittiert werden. Wieso also dieser helle Glanz?
Auch verstehe ich dann nicht, wieso Nanopartikel wie z.B. Goldcluster dann nicht auch diverse Wellenlängen adsorbieren (klar, man hat kein kontinuierliches Band mehr, aber ja doch etliche diskrete Energiezustände, sodass Photonen verschiedener Wellenlängen absorbiert werden können), sondern, so erklärte es jedenfalls mein Prof, hier z.B. die rote Farbe von Lösungen dadurch zustanden kommen, dass eine stehende Elektronenwelle auf der Clusteroberfläche steht, welche die Frequenz von grünem (-> komplementär zu rot) Licht hat, welches dann absorbiert wird. Er meinte da irgendetwas von Elektronen nach außen quetschen ;)
Kann mich jemand aufklären, was denn jetzt wirklich an dem Metallglanz dran ist und mir vielleicht noch mal kurz erklären kann, wieso diese stehende Welle bei Goldclustern entsteht?
Wäre super dankbar :)
(Ein Verweis zum Holleman Wiberg tuts ggf. auch... allerdings finde ich dort nicht die Erklärung zum Metallglanz, auch wenn sie bestimmt irgendwo steht...)
7 Antworten
Hallo,
Der metallische Glanz entsteht durch Plasmonen im Elektronengas. Die Plasmonenfrequenz, welche unteranderem von der Elektronendichte des Elektrongases abhängt, gibt dabei die Frequenz an bei welchem das Elektrongas reflektriend wirkt. Für die meisten Metalle liegt diese Plsmafrequenz im nahen ultraviolet Bereich. Eine etwas bessere beschreibung findest du in der Einleitung dieses Artikels von Vasily Temnov und Ulrike Woggon
Plasmonen sind Quasiteilchen und werden quantenmechanisch betrachtet. Man könnte sie als kollektive Elektronenschwinkung betrachten,. Ähnlich wie Phononen kollektive Gitterschwinkungen eines Kristallgitters sind. Nanopartikel sind räumlich bergenzt und daher tretten Quanteneffekte auf und verändern Eigenschaften. In diesem Fall wird die Plasmonenfrequenz durch die Dimensionen des nanopartikels geändert. Durch eine andere Plasmonenfrequenz werden Teile des sichtbaren Spektralbereichs des Lichtes nicht mehr reflektiert. So kommt es zu der anderen Farbe.
wow, du scheinst davon echt ahnung zu haben... danke!
Vermutlich zielt die Wellenerklärung über die Maxwell-Gleichungen, die hier schon desöfteren erwähnt wurden, in die gleiche Richtung, sodass beides dasselbe erklärt...
Super, Problem gelöst, Sternchen bekommste sobald wie möglich :)
Ich erinnere mich mal, in einer Vorlesung gehört zu haben, daß das mit der Dielektrizitätskonstanten zusammenhängt. Die ist für Metalle komplex (der Imaginärteil beschreibt Absorption, IIRC). Wenn das stimmt, dann braucht man keine QM zur Erklärung, sondern klassische Elektrodynamik reicht.
Dummerweise verstehe ich davon nichts. Vielleicht hilft Dir dieser Artikel weiter, er ist aber Teil einer längeren Serie, die Du besser von Anfang an liest, wenn Du bei den Wellen schwimmst (ha, Wortwitz!). http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2010/09/03/die-maxwellgleichungen-fast-ohne-formeln-6-spieglein-spieglein/
Es hat wohl irgendetwas damit zu tun, daß Metalle leiten (also das E-Feld kurzschließen); deshalb können Lichtwellen nicht eindringen.
Ok, ich bin grad auf der Suche nach was anderem auf die Lösung gestoßen... es liegt wohl tatsächlich an der Bändermodellerklärung, die ich oben mal erwähnt hatte, auch wenn ich gedacht hätte, dass die Intensität des zurückgeworfenen Lichts dafür zu niedrig wäre...
also wens interessiert und wer sein Allgemeinwissen auffrischen will:
Durch Lichteinwirkung werden die Metallelektronen in einen elektronenleeren Zustand oberhalb der Fermigrenze gehoben. Da auch die elektronenleeren Niveaus innerhalb eines weiten Energiebereichs dicht übereinander liegen, kann ein Metall Strahlung jeder Wellenlänge absorbieren und wieder emittieren. Letzterer Vorgang verleiht ihm seinen typischen silberigen Glanz. Dass hiervon abweichend Cu und Au farbig sind, beruht wohl darauf, dass die Zahl der Zustände vergleichbaren Energieinhalts oberhalb der Fermigrenze unterschiedlich ist, womit Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche unterschiedlich stark absorbiert und wieder emittiert wird.
Quelle: Holleman Wiberg, 102. Auflage, S. 176
Ich verstehe diesen Hick-Hack dieses "Physikers" nicht! Licht kann nicht absorbiert UND wieder emittiert werden! Es kann nur sein, dass das Licht die Elektronen anheben und dadurch Lichtquanten frei werden (emittiert werden)!
Und zum Anderen: Eisen oder Blei sind matt und nicht glänzend. Also stimmt hier in der Erklärung etwas nicht. Oder sehe ich das falsch?
könnte daran liegen, dass es kein Physiker, sondern ein Chemiker ist...
Für alle nicht chemiker: das buch ist quasi die Bibel der Anorganischen Chemiker...
Natürlich hast du recht, mit deiner Erklärung, doch das wissen, dass beim Zurückfallen der Elektronen Lichtquanten emittiert werden, hat der Autor sehr wahrscheinlich vorausgesetzt, da das in der Chemie doch ständig vorkommt und das Kapitel nicht gerade das Basiswissen ist.
Eisen und Blei sind schon glänzend, doch nur wenn man sie quasi schnell zersäbelt. Eisen und besonders Blei bilden an der Luft eine Oxidschicht, wodurch die Oberfläche nichtmehr metallisch ist und somit auch nicht glänzt. Schneidest du einen Klumpen Blei frisch durch, wirst du sehen, dass auch der glänzt.
Die physische Betrachtungsweise in dem von dir empfohlenen Buch werde ich mir aber trotzdem mal anschauen :) ...Chemiker verlieren sich allzu gerne in Modellanschauungen ;)
sry, hab grad den autor verwechselt... ich meinte Hantels buch...
Da spricht dann der Nicht-Chemiker.
Sowohl Blei als auch Eisen glänzen und reflektieren wie jedes andere Metall. Nur hast du wahrscheinlich noch nie Blei gesehen. Sondern nur die die Schicht von Oxiden und sonstigem Zeug auf Blei.
Und Hollemann-Wiberg ist kein Pysiker, sondern die Bibel der Chemiker. Und "wieder", das übrigens den selben Ursprung wie "wider" hat, ist eine sehr freie Formulierung.
Den selben Fehler machst du anschließend selbst:
Es kann nur sein, dass das Licht die Elektronen anheben und dadurch Lichtquanten frei werden (emittiert werden)!
Nicht durch das Anheben wird ein Lichtquant emmittiert, sondern danach, durch das Zurückfallen.
Es geht hier doch nicht um sprachliche Spitzfindigkeiten.
Hi mgausmann,
ich weiß nicht, ob meine Erklärung für deine Prüfung irgendwie nützlich ist. Aber mir erscheint sie logisch. Hab sie mir auch nicht grad ausgedacht.
Ich gehe von der Vereinfachung aus, dass Licht Wellen sind. Und von der weiteren Vereinfachung, dass von Orbitalen oder Bändern abgesehen die Elektronen in einem Metall einfach frei beweglich sind.
So versickert die Elektromagnetische Welle in den ersten Nanometern eines Metalls, indem sie Elektronen beschleunigt. Dann ist sie weg. Die bewegten und beschleunigten Elektronen erzeugen aber nach Adam Riese, vielmehr Maxwell, eine Elektromagnetische Welle. Dann ist sie wieder da.
Die Feinheiten, wie Ein- = Ausfallswinkel überlasse ich dir ;-) Lässt sich mit dem Wellenmodell aber sicher begründen.
Dafür eine Quantenbeschreibung zu liefern, das übersteigt meinen Horizont doch deutlich. Auch wenn ich keinen Zweifel habe, dass es sie gibt.
Und eins noch: Lese im vom Cluster, ist sofort der Hass da. Auf Deutsch, hab keinen Plan.
Gruß, Zoelomat
Hi Zoelomat, danke für die Antwort!
Deine Erklärung hört sich an sich logisch an... aber wieso sollte sie die Elektronen beschleunigen? Darf man (Photonen-)Wellen und Elektronenwellen denn einfach so miteinander interferieren lassen? Dann käme ja eine schwebende Welle zustande, doch dann wäre ja im Prinzip das Photon erstmal futsch, wie kommt da dann einfach so wieder Licht heraus? In Wellenmechanik bin ich leider auch nicht so fit :D
Lese im vom Cluster, ist sofort der Hass da.
Das kann ich voll und ganz nachvollziehen. Leider ist mein Prof ein relativ anspruchsvoller Nanochemiker, noch dazu mit einem Faible für Münzmetalle...
Aber die Frage ist eigentlich auch eher aus Interesse gestellt, ich bezweifle, dass er mich den Metallglanz erklären lässt...
... aber wieso sollte sie die Elektronen beschleunigen?
Es sind Elektrische Felder, was sollten sie denn sonst tun? Wenn du mal die Quanten vergisst, ist das doch reine Elektrotechnik, wo ich aber auch kein Fachmann bin. Und Magnetische Felder tun dasselbe, wenn auch auf linke Art.
Darf man (Photonen-)Wellen und Elektronenwellen denn einfach so miteinander interferieren lassen?
Es geht gar nicht um Interferenz. (außer wenn du auf Ein- = Ausfallswinkel kommst). Da sind Elektrische und Magnetische Felder, und Elektronen. Vergiss die Chemie völlig und sieh das Ganze wie bei einer Elektronenstrahlröhre (wo Oma und Opa Fernsehn mit gucken). Erklär mal einem Fernsehtechniker, dass die Elektronen Wellen sind, und das Ablenkfeld gequantelt. Dann kommen die Männer mit den weißen Kitteln und einer Jacke mit viel zu langen Ärmeln.
Und egal ob du es klassisch oder quantisch beschreibst, es ist erst mal futsch. Aber wie es wieder auftaucht, das kann du quantisch gern selbst herleiten. Ich passe ;-)
Bleibt nur, dir meine beiden Daumen zu drücken!
Da heißt es nachsitzen!
Eine Elektromagnetische Welle ist ein Elektrisches Feld, das nach Maxwells Gesetzten ein Magnetfeld erzeugt, dessen Änderung ein Elektrisches Feld erzeugt, das ein Magnetfeld erzeugt usw.
Schau dir mal die Maxwellschen Gleichungen an. Verstehen musst du sie nicht, ist mir auch nie gelungen. Aber was sie bedeuten:
- So führen sie unmittelbar zur Lichtgeschwindigkeit
- Einsteins berühmte Arbeit von 1905 hat populärwissenschaftlich nur e=mc² und für die Fortgeschrittenen vielleicht noch die Lorentz-Transformation zum Inhalt. Sie ist aber im Kern die relativistische Deutung der Maxwellschen Gleichungen
- Oder das Eingeständnis, dass Maxwell schon Jahrzehnte früher die Relativitätstheorie aufgestellt hat. Nur hat's keiner gemerkt.
Hab mich etwas in Rage geschrieben. Aber ein Photon ist doch nur das Teilchen der Elektromagnetischen Welle, und beide Sichtweisen sind gleichwertig und richtig. Sobald vom Photon die Rede ist, dann auch von Elektrischen und Magnetischen Feldern.
Soviel zum Lehrplan ;-) Aber ich hab ja auch gut lästern. 30 Jahre nach dem Studium hat man sicher viel vergessen, aber auch an manchen Stellen den Horizont erweitert.
Den Horizont erweitert schon, nur von 2 Sichtweisen kann nur eine die Realität sein! Nur kann keiner mit absoluter Sicherheit sagen, welches Modell zutrifft! Vieles an der RT ist auch nicht zutreffend, wie z.B. die Zeitrelation, denn Zeit existiert nur im Kopf der Menschen!
Siehe:
Eugene Hecht
Optik
5.Auflage
Oldenbourg
Kapitel 4. 8 Optische Eigenschaften von Metallen S. 217 ff.
Ein sehr gutes Buch - sollte man kennen.
Viel Erfolg!
Danke für den Tipp, das werd ich in der Uni-Bib doch direkt mal nachschlagen! :)
Das hört sich für mich nach einer schlüssigen erklärung an... demnach wäre dann die "Elektronenwelle" die bei Nano-Partikeln von Gold die rote Farbe verursachen einfach die stehende Plasmonenwelle, welche die Frequenz hat, die der Farbe grün entspricht oder?
Danke für die Antwort!