科学发展到今天，所有人都知道，我们能看见物体是因为物体本身发出的光或者是反射的光能够穿透空气进入我们的眼睛，被视网膜上的视神经俘获形成电信号，传递给大脑再合成图像。然而有一类光泽是人类比较喜欢的，那就是金属光泽。今天谈一下金属光泽背后的科学道理，我们重点要谈一下五颜六色的金子。
图1 金子
什么是金属光泽
金属光泽是光泽强度的等级之一。一般指反射率R>0.25者，宛如金属抛光后所产生的光泽。同时金属光泽并不是金属的专利，很多矿物也有金属光泽，比如一些硫化物和氧化物矿物。如黄铁矿、方铅矿、镜铁矿等就具有金属光泽。当然了，这些有金属光泽的非金属物质不是本文要讨论的内容，就不多说了。
图2 散发着金属光泽的金属表面
金属光泽有很多种
并不是所有的金属光泽都是同一种颜色。日常能见到的金属，只要其表面平滑、光洁度高，像镜子那样将光线朝同一个方向反射，容易产生较为强烈的光泽感，绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽。比如锌、钢（铁）、锡、铅、镁、铝、银、钛。然而，有些金属的光泽则不同，比如金显黄色，铜显赤红色，铋为淡红色，铯为淡黄色以及铅是灰蓝色。
图3 一个铜镜筒的望远镜
金属并不是在任何情况下都能呈现出金属光泽
如果金属表面被打磨得很粗糙，或者变成粉末，就没有那么闪亮了。当金属粉末不太小时，一般金属都呈暗灰色或黑色。
这是因为在粉末状时，金属晶格排列得不规则，晶面取向杂乱，入射光按多个角度进行反射，吸收可见光后辐射不出去，人在任意一个位置观测时，总会觉得其反光强度小于周围环境的照度，因而产生“黑色粉末”的错觉。
图4 用球磨机在保护介质中研磨铝粉
金属呈现金属光泽的物理本质
金属光泽与金属的晶体结构有关，由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，金属中自由电子数量巨大，我们中学的时候管这种自由电子的汪洋叫做电子海。当光线投射到金属表面上时，自由电子吸收所有频率的光，然后很快放出各种频率的光。
1、可见光的频率小于自由电子的极化频率。金属内电子海中的自由电子的电磁响应决定了金属对低于某一个频率的光子具有较强的反射率，超过这个频率的光子则完全透明。这可以理解为频率过高，自由电子由于惯性，其震动无法赶上导致。可以想象，这个频率起点和电子的质量有关，而且成反比。大部分金属的这个（极化）频率都远远大于可见光，所以金属都可以反射可见光。
图5 光电效应实验
2、菲涅尔反射定律。金属的表面比较光滑平整，因此能对入射光进行满足菲涅尔反射定律的平面反射。这样一来取决于光源的位置，人眼看到金属反射出来的光强和观测角度有关，这就是所谓“光泽”。
3、量子力学的解释。光具有波粒二象性，当光子撞上金属的表面，就会在电子海中掀起涟漪，消耗很多能量。由于金属中的自由电子能级是不连续的，只有光子的能力于特定轨道之间的能量差相等才能被电子吸收，可见光的频率太低，几乎全部被反射。这就是金属光泽由来的量子力学解释。
图6 杨氏双缝实验
金子的特殊颜色与其能带有关
看一下图7，这是金子的反射谱。从这张图中，我们可以很直观滴看出，但是对于金子来说，电子的跃迁发生在5d到6s轨道中间，这个能量差落在低能量的可见光区域，且等于蓝光光子的能量，所以金原子对可见光是白光进，蓝光吸，黄光返，黄光进入我们的眼睛，所以我们看到的金子一般都是黄色的。
图7 铝、银、金的反射图谱
金子的颜色与相对论效应
为什么金子自由电子能带这么特殊呢？这是由于黄金的原子序数是79，这使得它们不但受这些量子机制的约束，还显著地体现出了相对论效应。而金原子有六层电子，最内层的那个电子有极高的能量，我们利用波尔第一轨道速度方程去计算：其中137是用原子序数归一后的光速。金的原子序数为79，算出来的速度为79/137 = 58%光速，超过了光速的一半，狭义相对论带来的质量效应不可忽略。
这个电子质量变大，轨道半径变小，使得最外层电子的轨道也跟着收缩，因此金元素变得格外稳定。更小的轨道半径使得金原子的外层电子更加容易跃迁。体现在宏观上，就是可以吸收能量更低的光子——比如可见光中的蓝紫光。由于颜色的互补原理，它们就展现出了鲜艳的橙黄色。
图8 相对论质速方程
五颜六色的黄金
可能有小伙伴注意到，我刚才说：“我们看到的金子一般都是黄色的”，难道还有其它颜色的金子吗？这是真的。前面我们解释了金子颜色产生的原因，如果我们在此基础上，重新对金子进行加工，把它们磨成不同颗粒细度的纳米颗粒，这个时候，由于金子的尺寸太小，它的最外层电子不能形成巨大的自由移动的海洋，只能在小范围内移动。
图9 五颜六色的纳米金溶液
当光子撞击在这样的黄金的表面，电子水洼就会产生剧烈地涟漪，从而影响对可见光的吸收频率。如果我们能够进一步控制这些纳米级别的黄金颗粒的形状，我们就可以让它变出各种颜色。
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