Hat ein Atom eine Farbe? Die Antwort in diesem Fall hängt davon ab, wie Sie "eine Farbe haben" definieren. Der Begriff "Farbe" bezieht sich auf sichtbares Licht mit einer bestimmten Frequenz oder auf eine Mischung von Frequenzen des sichtbaren Lichts. Daher beschreibt das Wort "Farbe" die Frequenzkomponente jeder Art von sichtbarem Licht. Wann immer sichtbares Licht vorhanden ist, können wir es als eine bestimmte Farbe beschreibend beschreiben.
In diesem Sinne gibt es viele verschiedene Möglichkeiten, wie ein Objekt sichtbares Licht reflektieren oder emittieren kann. Daher gibt es viele Möglichkeiten, wie ein Objekt „Farbe haben“ kann. Während ein einzelnes isoliertes Atom sichtbares Licht auf verschiedene Weise reflektieren oder emittieren kann, ist es nicht an allen beteiligt.
Wenn Sie "farbig" sehr eng definieren, so dass es nur bestimmte Mechanismen enthält, haben Atome keine Farbe. Wenn Sie "Farbe haben" weiter definieren, haben Atome Farbe. Schauen wir uns die verschiedenen Möglichkeiten an, wie ein Objekt sichtbares Licht reflektieren oder emittieren kann, und wenden jedes auf ein Atom an.
- Volumenreflexion, Brechung und Absorption:
Die alltägliche Art und Weise, wie Objekte sichtbares Licht in unsere Augen senden können, ist die volumetrische Reflexion, Brechung und Absorption. Alle drei Effekte sind Teil desselben physikalischen Mechanismus: der Wechselwirkung eines externen Lichtstrahls mit vielen Atomen gleichzeitig.
Wenn weißes Licht, das alle Farben enthält, auf die Oberfläche eines roten Apfels trifft, werden die orange, gelben, grünen und blauen Lichtwellen von den Atomen der Apfeloberfläche absorbiert und in Wärme umgewandelt, während die roten Wellen meistens reflektiert werden. zurück in unsere Augen. Ein Teil des Lichts geht auch durch die Schale des Apfels und biegt sich leicht, wenn er durch ihn hindurchgeht. Wissenschaftler nennen diese gekrümmte Lichtdurchlässigkeit "Brechung". Einige Materialien wie Glas lassen viel Licht herein, während andere Materialien wie Äpfel sehr wenig Licht hereinlassen.
Der entscheidende Punkt hierbei ist, dass traditionelle Reflexion, Brechung und Absorption ein volumetrisches Phänomen sind, bei dem jeder Lichtstrahl gleichzeitig mit Tausenden oder Millionen von Atomen interagiert. Dies ist sinnvoll, wenn man bedenkt, dass sichtbares Licht eine Wellenlänge hat, die etwa tausendmal länger ist als Atome. Sichtbare Lichtwellen sind je nach Farbe zwischen 400 und 700 Nanometer lang. Im Gegensatz dazu sind Atome etwa 0,2 Nanometer groß.
Diese Diskrepanz ist der Grund, warum Sie einzelne Atome nicht durch ein optisches Mikroskop sehen können. Atome sind viel kleiner als das Licht, mit dem Sie sie sehen wollen. Somit ist die Farbe eines Objekts, die das Ergebnis traditioneller volumetrischer Reflexion, Brechung und Absorption ist, das Ergebnis der Verknüpfung und Positionierung mehrerer Atome und nicht die tatsächliche Farbe der einzelnen Atome.
Nehmen Sie zum Beispiel Kohlenstoffatome und verbinden Sie sie mit dem Gitter eines Diamanten, und Sie haben reine Diamanten. Nehmen Sie stattdessen Kohlenstoffatome und verbinden Sie sie zu hexagonalen Ebenen, und Sie haben grauen Graphit. Die Art der Bindungen zwischen vielen Atomen bestimmt die traditionelle Farbe des Materials, nicht die Art der Atome selbst. Wenn Sie überhaupt keine Bindungen zwischen Atomen haben, erhalten Sie ein einatomiges Gas, das unsichtbar ist (zumindest gemäß traditioneller Reflexion, Brechung und Absorption).
Die Farbe der meisten Alltagsgegenstände um uns herum, von Äpfeln über Bleistifte bis hin zu Stühlen, ergibt sich aus der traditionellen volumetrischen Reflexion, Brechung und Absorption. Dieser Lichtabgabemechanismus ist so allgegenwärtig und intuitiv, dass wir das "Vorhandensein von Farbe" eng definieren könnten, um nur diesen Mechanismus einzuschließen. In Anbetracht dieser engen Definition ist ein einzelnes Atom daher zu klein, um eine Farbe zu haben.
- Wärmestrahlung:
Wenn die Eisenstange ausreichend erhitzt ist, leuchtet sie rot. Daher können wir sagen, dass die Farbe der glühenden Eisenstange rot ist. Die rote Farbe des Eisenstabs ist in diesem Fall jedoch auf Wärmestrahlung zurückzuführen, ein Mechanismus, der sich stark von Volumenreflexion, Brechung und Absorption unterscheidet.
Beim Mechanismus der Wärmestrahlung kollidieren die Atome eines Objekts mit einer solchen Kraft miteinander, dass sie Licht emittieren. Insbesondere bewirken Kollisionen, dass Elektronen und Atome zu Zuständen höherer Energie angeregt werden, und dann emittieren Elektronen und Atome Licht, wenn sie in Zustände niedrigerer Energie zurückkehren. Da Kollisionen aufgrund thermischer Bewegung zufällig sind, führen sie dazu, dass ein breiter Bereich von Energien angeregt wird.
Infolgedessen enthält die emittierte Wärmestrahlung viele Farben, die einen weiten Frequenzbereich abdecken. Das Interessante an Wärmestrahlung ist, dass ihre Farbe stärker von der Temperatur des Objekts und nicht vom Material des Objekts abhängt. Jedes feste Material leuchtet rot, wenn Sie es auf die gewünschte Temperatur bringen können, ohne zu verdampfen oder chemisch zu reagieren. Der Schlüssel zur Wärmestrahlung liegt darin, dass sie eine aufkommende Eigenschaft der Wechselwirkung vieler Atome ist. Somit kann ein einzelnes Atom keine Wärmestrahlung emittieren. Selbst wenn wir die Definition von „Farbe haben“ um Wärmestrahlung erweitern, haben einzelne Atome immer noch keine Farbe. In diesem Fall die Antwort auf die Frage "Hat ein Atom eine Farbe?" Negativ.
- Rayleigh-Streuung:
Rayleigh-Streuung wird informativer als "langwellige Streuung" bezeichnet, wenn Licht von einzelnen Atomen und Molekülen reflektiert wird. Da Licht jedoch viel größer als Atome ist, ist die Rayleigh-Streuung nicht wirklich eine "Reflexion" einer Lichtwelle von einem kleinen Teilchen wie einem Atom, sondern ein Fall des Eintauchens eines Teilchens in das elektrische Feld einer Lichtwelle.
Das elektrische Feld induziert im Teilchen einen oszillierenden elektrischen Dipol, der dann emittiert. Weil der Mechanismus so unterschiedlich ist, erzeugt die Rayleigh-Streuung von weißem Licht durch kleine Partikel immer die gleiche große Farbpalette, wobei Blau und Violett am stärksten sind. Die Farbe der Rayleigh-Streuung ist immer gleich (vorausgesetzt, das einfallende Licht ist weiß) und weitgehend unabhängig vom Material des Streuobjekts.
Daher hat ein einzelnes Atom tatsächlich eine Farbe in dem Sinne, dass es an der Rayleigh-Streuung beteiligt ist. Beispielsweise besteht die Erdatmosphäre hauptsächlich aus kleinen Sauerstoff- (O2) und Stickstoffmolekülen (N2). Diese Moleküle sind so weit voneinander entfernt, dass sie als separate isolierte Moleküle wirken.
Wenn Tageslicht weißes Sonnenlicht auf isolierte Luftmoleküle trifft, streut es gemäß Rayleigh-Streuung und macht den Himmel weißlich bläulich lila. Die Tatsache, dass wir den Tageshimmel sehen können, legt nahe, dass kleine, einzelne Moleküle irgendeine Form von Farbe haben können. Wenn wir über kleine Moleküle sprechen, wenn wir über den Himmel sprechen, gilt das gleiche Prinzip für einzelne Atome. Wenn man es richtig versteht, hängt die Farbe bei der Rayleigh-Streuung mehr von der Wechselwirkung selbst ab als von den tatsächlichen Arten der beteiligten Atome. Nur weil der Himmel blau ist, heißt das nicht unbedingt, dass die Stickstoffatome blau sind. Raman-Streuung ist viel seltener als Rayleigh-Streuung, aber im Kontext dieser Diskussion fast identisch. Die Raman-Streuung unterscheidet sich darin, dass ein Teil der Energie des einfallenden Lichts innerhalb des Partikels verloren geht, so dass das gestreute Licht in der Frequenz niedriger verschoben wird.
- Gasentladung:
Eine Gasentladung (wie Neonlicht) ist möglicherweise der Mechanismus, der am besten zum Konzept eines einzelnen Atoms passt, das "eine Farbe hat". Eine Gasentladung ist das, was passiert, wenn Sie reine Atome nehmen, sie in einem Gaszustand niedriger Dichte voneinander isolieren und sie dann mit elektrischem Strom versorgen.
Wenn Atome aus der Anregung entfernt werden, emittieren sie sichtbares Licht. Der entscheidende Punkt hierbei ist, dass ein bestimmtes Atom nur auf eine bestimmte Weise angeregt, beleuchtet und Licht emittiert werden kann. Dies führt dazu, dass die Farbe eines Atoms während einer Gasentladung sehr stark von der Art des Atoms abhängt. Das Frequenzspektrum eines Atoms während einer Gasentladung wird als der Farb- "Fingerabdruck" dieses bestimmten Atomtyps angesehen.
Beispielsweise sind echte Neonzeichen immer rot, weil die Neonatome selbst unter der Gasentladung rot sind. Argonatome in einer Gasentladung sind Lavendel, Natriumatome sind gelb und Quecksilberatome sind blau. Viele der von "Neon" -Lampen erzeugten Farben werden durch Mischen verschiedener Gase erzielt. Der "Flammentest", der in der Chemie zum Nachweis bestimmter Atome verwendet wird, ist im Wesentlichen eine weniger kontrollierte und weniger reine Version einer Entladungslampe.
Es ist zu beachten, dass Fluoreszenz (wie in einer fluoreszierenden Glühbirne), Phosphoreszenz und Gaslaserstrahlung der Gasentladung insofern ähnlich sind, als sie die Anregung von Elektronen in einzelnen Atomen oder einfachen Molekülen beinhalten. Im Gegensatz zu einer Gasentladung, bei der ein Atom alle seine charakteristischen Farben emittiert; Fluoreszenz, Phosphoreszenz und Laserstrahlung beinhalten alle die Verwendung bestimmter Übergänge, so dass nur bestimmte Atomfarben emittiert werden. Unter dem Gesichtspunkt der Bestimmung der Farbe von Atomen können sie als Sonderfälle einer Gasentladung betrachtet werden.
Es gibt viele andere Möglichkeiten, wie ein Objekt oder Material sichtbares Licht emittieren oder reflektieren kann. zum Beispiel durch Halbleiter-Elektronen-Loch-Rekombination (in LEDs), Cherenkov-Strahlung, chemische Reaktionen, Synchrotronstrahlung oder Sonolumineszenz; Sie hängen jedoch alle mit der Wechselwirkung vieler oder gar keiner Atome zusammen und sind daher für das aktuelle Thema irrelevant.
Hat ein Atom eine Farbe?
Fazit: Im Sinne traditioneller Reflexion, Brechung, Absorption und Wärmestrahlung sind einzelne Atome unsichtbar. Atome haben im Sinne von Rayleigh-Streuung und Gasentladung eine Farbe.
2021-05-08 03:20:25
Autor: Vitalii Babkin