Genaue Erklärung des Metallglanzes - Einige Fragen

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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

http://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&cad=rja&uact=8&ved=0CDQQFjAC&url=http%3A%2F%2Fwww.pro-physik.de%2Fdetails%2FarticlePdf%2F1102471%2Fissue.html&ei=vSXpU9C5Moew7Ab4oYHwDQ&usg=AFQjCNH4Iekj_EvuoUbWzjLMuCKE5ojNpg&sig2=2lccI_CZSN7fmXTgDI9zTw&bvm=bv.72676100,d.ZGU


mgausmann 
Beitragsersteller
 12.08.2014, 11:40

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!

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kowekowe  12.08.2014, 11:48
@mgausmann

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.

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mgausmann 
Beitragsersteller
 12.08.2014, 12:06
@kowekowe

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 :)

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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.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – Chemiestudium mit Diss über Quanten­chemie und Thermodynamik

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


UlrichNagel  11.08.2014, 22:03

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?

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mgausmann 
Beitragsersteller
 11.08.2014, 22:08
@UlrichNagel

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 ;)

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mgausmann 
Beitragsersteller
 11.08.2014, 22:11
@mgausmann

sry, hab grad den autor verwechselt... ich meinte Hantels buch...

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Zoelomat  11.08.2014, 23:54
@UlrichNagel

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.

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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


mgausmann 
Beitragsersteller
 11.08.2014, 20:37

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...

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Zoelomat  11.08.2014, 21:04
@mgausmann
... 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!

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mgausmann 
Beitragsersteller
 11.08.2014, 21:18
@Zoelomat

Photonen sind ja nichtmal geladen, da können ja keine elektrischen/magnetischen Felder entstehen... Aber ich hab auch keine Ahnung davon....

Trotzdem danke! :D

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Zoelomat  11.08.2014, 22:27
@mgausmann

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.

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UlrichNagel  12.08.2014, 00:36
@Zoelomat

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!

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mgausmann 
Beitragsersteller
 12.08.2014, 11:37
@Zoelomat

ahhhh, dann macht der begriff "elektromagnetische" Welle ja auch irgendwie sinn :'D hätt ich drauf kommen können...;)

klar, Photon und Welle sind gleichwertig, da hast du recht....

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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!


mgausmann 
Beitragsersteller
 11.08.2014, 21:48

Danke für den Tipp, das werd ich in der Uni-Bib doch direkt mal nachschlagen! :)

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Zoelomat  11.08.2014, 21:59

Lass mich wetten:

Da wird Licht nicht als Photon betrachtet.

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mgausmann 
Beitragsersteller
 11.08.2014, 22:03
@Zoelomat

Naja, schadet ja nicht, sich mal 2 Sichtweisen des Phänomens anzuschauen. Vermutlich gibt es eh beide Erklärungen, einmal auf Teilchenebene und einmal auf Wellenebene!

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