为什么金、银具有独特的光泽，与普通的金属不同？ 第1页

金子的金色来自于电子的相对论效应。

对于可见光来说，黄光和蓝光是互补的，金子显黄色，说明当可见光照射在金子上时，蓝光被吸收而黄光被反射进入我们的眼睛。所以问题就变成了：为什么金子会吸收蓝光。

光子会激发金属中的电子跃迁，但电子跃迁的能量不是连续的，只有达到轨道间的能量差才能使跃迁发生。当光子的能量消耗在电子跃迁这个过程中时，宏观上我们看到的就是某种可见光被吸收。在银原子中，电子跃迁发生在4d到5s轨道间，这个能量差落在紫外区域，所以肉眼是感觉不到的，于是银子对可见光几乎没有吸收，白光进，白光返，所以银子是白色的。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。

感谢 @叛逆者 提醒，这里放一张金属的反射谱更加直观。我特意标注了可见光的波长范围，可见金原子在这个范围内的吸收率有多高。

但是为什么金子的5d到6s轨道间的能量差会更小，以至于落在了可见光区域呢？这就要考虑相对论效应了。s轨道是非常紧贴原子核的轨道，因为s轨道上的电子在原子核附近的概率密度比其他如p，d，f轨道都大。因此，s轨道上的电子必须以极大的速度运行，以免“掉入”原子核中，这个速度有多大呢？几乎超过了光速的一半！爱因斯坦的相对论告诉我们随着运动速度的增加，质量就会增加。因此电子质量增加而导致轨道半径缩短，导致s轨道的能量变低；并且，随着s轨道的收缩，d和f轨道被向外推导致能量升高。综合来说就是：在金原子中，6s轨道由于轨道收缩效应能量变低而5d轨道由于屏蔽效应能量变高，一来一回使两个轨道间的能量差变小，导致了红移，因此落在了可见光蓝光的范围内。

那么相对论效应为什么在金原子中这么显著而在银原子中就不显著了呢？这是因为原子序数 。波尔第一轨道速度可以用一个简易方程表示：

其中137是用原子序数归一后的光速。银的原子序数为47，算出来的速度为47/137 = 34%光速，而金的原子序数为79，算出来的速度为79/137 = 58%光速。所以相对论效应非常显著。

事实上，金并非是唯一显黄色的金属，对于原子序数比较大的金属这种相对论效应都会体现。比如金属铯（ = 55），也是黄的。

【摘自】

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这是一件 99.99% 高纯度的金标本。

你有没有想过，为什么别的金属总是银白色，唯独金子（Au）是高贵的金黄色？

然而你相信吗？这些液体的缤纷色彩，也来自货真价实的金，而且是金属状态的金。

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我们从小就知道「黄灿灿的金子」，可你有没有想过为什么大多数金属都是银色，金子偏偏就是金色？这个问题可远比一般人想象得博大精深多了。

首先，所谓金色就是黄色带有强烈的反光，即所谓「金属光泽」。与表面平滑带来的光泽不同，金属只要没有研成极细的粉末，即便表面粗糙也能熠熠生辉。这是它们独特的材料属性，与它们良好的导电性关系密切。

我们在中学时代就知道，金属容易失去最外层的电子，在金属晶体内部形成一个自由电子的汪洋大海，这给金属带来了良好的导电性。同时，这些自由电子也形成了一个等离子体，可以与电磁波相互作用。

光是电磁波，当它撞上金属的表面，就会在电子汪洋中掀起涟漪，消耗很多能量。同时，光具有粒子性，不能合并或拆分，物质必须一个一个地吸收它们。——出于这些量子力学机制，只有那些能量非常高的光才能被金属吸收。可见光能量太低，全被反射掉了。这让金属焕发出极强的白色光泽，或者说「银色」。

但黄金的原子序数颇高，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——我们用相对论量子化学研究它。

简单地说，原子周围束缚着很多电子，它们按照能量高低分层排布，最外层的电子决定了原子的大部分物理、化学性质。

而 Au 原子有六层电子，最内层的那个电子有极高的能量，可以认为是以 65% 的光速飞驰，狭义相对论带来的质量效应不可忽略。这个电子因此变得沉重，轨道半径缩小，使得最外层电子的轨道也跟着缩小，因此变得格外稳定，稳定的外层电子给金带来了相当稳定的化学性质。在自然界中，它几乎是唯一一种总以单质形态出现，不需要冶炼就能获得的金属元素，这让它所有古老文明中都占据了极重要的位置。

不仅如此，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。

但事情并没有就此结束。我们既然知道了金色的来源，就有机会改变它们的颜色：金子研磨成粉通常还是金色，可以用作昂贵的颜料甚至化妆品。

但如果我们采用一些特殊的手段，制备出纳米尺度的超细金粉，就会发现它们在水中形成了深浅不同的红色胶体。如果进一步控制颗粒的形状，就能让它们变出赤橙黄绿青蓝紫等各种颜色。

这是因为纳米级的金颗粒尺寸太小，其中的自由电子不足已形成汪洋，只能形成水洼，可见光在其表面掀起的电磁波涟漪会强烈地共振，影响可见光的吸收频率，就如同松紧不同的琴弦能奏出丰富的乐音，形状不同的金颗粒也发出了绚丽的色彩。