真問真答:金屬光澤從哪來

這既是一個物理問題，也是一個化學問題，但歸根結底是個物理問題。

實際上，金屬光澤就是強烈的鏡面反射，只要能將大量入射光線集中地反射回來，就會產生金屬光澤，水面上的油漬甚至昆蟲的外骨骼都有這樣能力。然而相比其它各種材料，金屬的鏡面反射能力就格外值得一提了。

▍這是一隻吉丁蟲的鞘翅、胸板和盾片。甲蟲的外骨骼常常格外光滑，能產生金屬的質感

鏡面反射大概算得上是中學物理最簡單的概念，我們對它的理解往往集中於「反射面非常光滑」這一點上。然而簡單想一想，並非所有材料經過拋光都能像金屬那樣熠熠生輝：

比如大理石地板拋光後足以映出人的倒影，卻仍然一派幽黑；陶瓷也可以做到細膩光滑，卻從來不能閃爍銀光；而一口破鋁鍋哪怕用鋼絲球磨得一塌糊塗也仍能泛出白花花的光暈——所以顯而易見的，材料特性也是影響光反射的重要因素。

中學化學教育我們，金屬元素的最外層電子通常較少，易於丟失，表現為強烈的還原性。而在金屬晶體內部，這幾個外層電子會被金屬原子「放棄」，在整個晶體內部構成一個自由電子的汪洋，相當於一個瀰漫的等離子體——這不僅給金屬帶來了良好的導電性，還帶來了對可見光強大的反射能力。前者比較簡單，在中學課上就已經講過；而要理解它們對可見光的反射，就需要一些額外的擴展知識了。

▍金屬晶體中自由電子的示意圖——它們在常溫下做無規則運動，但是在外加電場下可以定向運動，形成電流

首先的，光也是電磁波，一組交互變換的電場和磁場。當它抵達金屬表面上的時候，電場部分就會在自由電子的汪洋中掀起一波漣漪，並在此過程中消耗能量——如果用術語描述，就是「電磁波激起了等離子體振蕩」。

宏觀物體有一個固有頻率，只與物體自身有關，而與外力無關，比如無論怎麼敲打玻璃杯，玻璃杯發出的聲音頻率都一樣；等離子受高頻電磁波擾動而振蕩時也會有一個固有頻率，稱為「等離子體頻率」，它只與等離子體中的自由電子密度有關，而與電磁波的強度無關——但接下來的事情就與宏觀世界非常不同了。

在我們的經驗裡，外力施加給振子，無論大小都能讓振子運動起來，只是振幅不同；但是在微觀世界裡，量子效應就會表現出來：電磁波既是波也是粒子，這種粒子就是光子，它的能量由電磁波的頻率唯一決定。

一個光子進入等離子體，必須消耗能量激發一個等離子體頻率的等離子振蕩，剩下的能量才會繼續傳播；而如果一個光子的能量不足以激發這樣一個振蕩，就會被原封不動地彈開，無論多少光子都沒有區別，不像宏觀世界裡那樣可以累積起來。

換句話說，一個光子轟擊在金屬表面上，若且唯若它的頻率大於等離子體頻率才能被吸收，否則就會反射走。然而等離子體中的自由電子密度相當大，這就讓金屬中的等離子體頻率相當高，通常要達到紫外線波段，頻率更低的可見光就會被強烈反射——所以在同樣的光滑程度下，金屬對可見光的反射能力就比一般材料高出數倍。

▍幾種金屬對不同波段電磁波的反射能力，在 0.4 微米到 0.7 微米的可見光範圍都有很高的反射率

但是出於另外一些更加複雜的機制，有些金屬還能吸收某些特定波段的可見光，於是顯出特有的顏色。

比如金出於相對論效應，可以吸收藍紫色光，顯出明亮的黃色；銅由於兩個亞電子層之間的電子躍遷，可以吸收藍色到黃綠色的光，表現出端莊的紅色，而且比其它的金屬暗一些——像這樣有顏色的金屬單質還有銀金色的銫和藍色的鋨。

▍人工結晶的 99.99%高純度金晶體

▍天然銅是銅的單質礦物

所以可以預料，其它含有大量自由電子的材料也可能顯出金屬光澤，比如石墨由於獨特的蜂窩狀片層結構，每個碳原子都有一個富餘的電子，這些電子幾乎是自由的，所以煤炭鉛筆芯都有一種閃閃發光的色澤。

而對於那些非常缺乏自由電子的材料，比如各種絕緣體，電磁波就不會遭遇這樣的等離子體振蕩，直接作用於材料的價電子，引起電子躍遷，消耗一部分能量，在宏觀上通常表現為某些頻率的可見光被吸收了——這不但讓這些材料反光率更低，也讓這些材料的顏色較金屬更加豐富。

另外，還有一些材料，比如玻璃和許多晶體，能通過一系列的耦合作用，把光子傳遞到材料的另一側，就表現為透明——這將涉及更加複雜的物理過程，這裡就不再贅述了。

▍堇青石是一種矽酸鹽晶體，有很強的透光性，而且對不同偏振方向的光有不同的折射率，所以在不同的方向看上去有不同的顏色