你看到颜色时,究竟看到了什么
把一杯橙汁举到阳光照进来的窗前,它泛着橙色的光。但橙汁并没有“发出”橙色的光——发光的是太阳,而阳光是白色的,是所有颜色一次性混在一起。橙汁真正做的事恰恰相反:它悄悄地吞掉一些颜色,放走另一些。橙汁恰好大量吸收蓝光、放走大部分红光和黄光,剩下进入你眼睛的光就看起来是橙色。所以,颜色在很大程度上讲的是“一种物质拿走了什么”的故事。
如果一种物质是靠吸光来“吞掉”颜色,那么浓度越高的物质应该吞掉越多,液体也应该看起来越暗。事实正是如此:淡茶颜色浅,浓茶呈深棕色。你的眼睛其实已经在做一次粗略的化学测量了。整个分光光度法领域,不过是把“瞄一眼那杯茶”这件事变成了仔细的、可量化的版本。
光是一把有许多刻度的尺子
光以波的形式传播,就像池塘上的涟漪,而从一个波峰到下一个波峰的距离就是它的波长。我们的眼睛把短波长读作蓝色和紫色,把中等波长读作绿色,把较长的波长读作橙色和红色。我们能看见的这整道彩虹,只是一个更庞大的波家族——电磁波谱——中的一小片,这个家族还包括看不见的成员,比如紫外线(比紫光更短)、红外线(比红光更长)、无线电波和 X 射线。
为什么有些东西有颜色,有些没有
纯水是无色的,盐水也是。可只要溶进一小撮高锰酸钾,水就变成鲜艳的紫色。差别就在溶解分子的结构上。分子中那个天生就会吸收可见光、从而赋予分子颜色的部分,叫作发色团,源自希腊语“颜色的携带者”。高锰酸根有一个发色团,食盐没有,所以盐水仍然清澈。
这正是“靠光来测量”的威力所在,也是它的局限所在。如果你的物质带有发色团,你常常只凭它把溶液染色的强弱就能测出它的量。如果它无色,你也许得先用一点化学手段给它接上一个发色团——但那是后面指南的内容了。眼下,关键想法很简单:颜色就是被吸收的光,而被吸收的量取决于在场的有色物质有多少。
两个诚实的词:透过与吸收
当光照到一杯有色溶液上时,我们关心的结果只有两种:一部分穿过去,一部分被吞掉。从另一侧透出来的那部分占比,叫作透射率。如果有一半的光透了过去,透射率就是二分之一,即 50%。没能透过去的那部分,实际上就是被吸收掉了。这是描述同一件事的两种说法,就像说一只杯子是半满还是半空。
从肉眼到仪器
眼睛很了不起,却是不可靠的证人。它们会疲劳、会彼此分歧,也无法告诉你一杯茶的浓度是 0.30 还是 0.34 个单位。于是化学家把这份工作交给一台机器:它让选定的单一颜色的光透过样品,再用一只稳定的电子眼,精确地测量有多少光透了出来。这就把“看起来暗了一点”换成了一个你可以写下、重复、比较的数字。本阶梯接下来的一切,都建立在这一次替换之上:用一个仔细的数字,取代一次随意的瞥见。