神奇变色杯,玩的不是魔术是科学

来源 :科学大众(中学) | 被引量 : 0次 | 上传用户:polaris20092009
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  我们看到的色彩从哪里来
  为了理解变色杯的变色现象,我们首先要明白一个道理,为什么不同的物体会显示出不同的颜色呢?
  我们知道,自然界中的太阳光或者其他的自然光实际上都不是单一颜色的,而是很多颜色的光混合起来的结果,有红外线、紫外线以及我们的眼睛能够看到的可见光。大干世界的各种颜色,都是通过“赤橙黄绿青蓝紫”的可见光向我们表现的,因此我们这里只关心有颜色的可见光。这样一来,我们可以简单地把自然白光理解为红色、蓝色和绿色这3种颜色的光的混合。因此,当自然光照射到一件物品上时,物品表面的材料会吸收某些特定颜色的光,导致物品呈现出被吸收的光颜色的补色。例如,一个陶瓷水杯吸收红色光,则会呈现出青色,吸收绿色光,则会呈现出品红色,而吸收蓝色光,会呈现出黄色。如果杯子能够吸收所有颜色的光,则会呈现出黑色,如果对所有颜色的光都不吸收,则会呈现出白色。现在大家应该明白了吧,一个杯子所表现出的颜色,取决于杯子表面的材料能够吸收的光的颜色。因此,变色杯之所以会变色,就是因为在不同温度下杯子表面的材料吸收了不同颜色的光。
  温度原来是关键
  温度对材料性能的影响是一个很常见的现象,大家所熟悉的“热胀冷缩”现象,就是温度改变材料体积的典型例子。那么,温度对材料吸收光的能力有什么影响呢?又有哪些材料可以在不同温度下吸收不同颜色的光,从而表现出不同的颜色呢?
  大家都知道,世界上的一切物质都是原子相互结合而形成的。实际上,原子中还包括了原子核和电子,它们在一件物体或材料中都起到了重要的作用。所有的原子核会组成一个“骨架”结构,而所有的电子同时也会在这个“骨架”的基础上形成“肌肉和血液”一样的结构。如果材料只有原子核结构的“骨架”,那么光可以从“骨架”之间的空隙“穿透”过去,因此我们可以认为电子结构的“血肉”才是决定材料对光的吸收的关键。
  当温度提高时,原子结构会以热胀冷缩的方式发生变化,电子结构自然也会随之变化,因此,理论上所有材料对光的吸收都会随着温度发生变化。然而,这种最基本的变化对材料吸收光的能力影响非常小,如果想让白色的陶瓷杯子呈现红色,差不多需要把杯子加热到1000℃。热水当然无法达到这样的温度,因此变色杯显然利用的不是这种原理。
  变色杯的“魔术奥秘"
  实际上,有一些材料在温度提高时原子核结构的“骨架”不但会发生热胀冷缩,还会发生一些强烈的变化,因此电子结构的“血肉”自然也会发生强烈的变化。这种现象其实并不少见,例如,冰在温度高于0℃时会变为结构完全不同的水,而水在温度高于100℃时还会变为结构完全不同的水蒸气。不过,冰融化、水蒸发都不会改变水的颜色,因为水对光并没有太多的吸收。聪明的科学家经过不懈的努力,终于找到了一些随着温度变化颜色也发生变化的材料,我们通常把这种材料称为热致变色材料。正如前文所说的,这样的材料都有一些共同的特征,例如随着温度变化发生结构的强烈变化,而结构发生变化之后,材料对光的吸收也会发生明显的变化。例如,有一种结构复杂的有机染料,常温的时候对各种颜色的光都不吸收,但在温度提高到70~80℃时,会吸收蓝色光和绿色光,从而呈现出红色。另外,科学家们还发现了一些在温度提高之后会呈现蓝色、绿色等颜色的变色染料。
  用这些奇妙的变色染料绘制成各种文字和图案,印刷到陶瓷杯子的表面,然后再将带有图案的陶瓷杯子进行适当的处理,这样就制成了一个变色杯。包装一下,贴上标签,推上商场的货架,当我们把这个变色杯买回家中,倒上热水,哇,它就会神奇地把漂亮的图案呈现在我们面前了!怎么样,这样有趣奇妙的变色杯,你不想要一个吗?
  (责任编辑:白玉磊 责任校对:夏越)
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