Un atome a-t-il une couleur? La réponse dans ce cas dépend de la façon dont vous définissez «avoir une couleur». Le terme «couleur» fait référence à la lumière visible à une fréquence spécifique ou à un mélange de fréquences de lumière visible. Par conséquent, le mot «couleur» décrit la composante de fréquence de tout type de lumière visible. Chaque fois que la lumière visible est présente, nous pouvons la décrire comme ayant une couleur spécifique.
Dans cet esprit, il existe de nombreuses façons pour un objet de réfléchir ou d'émettre de la lumière visible. Ainsi, il existe de nombreuses façons dont un objet peut «avoir de la couleur». Si un seul atome isolé peut réfléchir ou émettre de la lumière visible de plusieurs manières, il ne participe pas à tout.
Si vous définissez «coloré» très étroitement, de sorte qu'il n'inclut que certains mécanismes, alors les atomes n'ont pas de couleur. Si vous définissez «avoir une couleur» plus largement, alors les atomes ont une couleur. Regardons les différentes façons dont un objet peut réfléchir ou émettre de la lumière visible et appliquer chacune d'elles à un atome.
- Réflexion, réfraction et absorption volumétriques:
La manière la plus courante au jour le jour pour les objets d'envoyer de la lumière visible dans nos yeux est la réflexion volumétrique, la réfraction et l'absorption. Ces trois effets font partie du même mécanisme physique: l'interaction d'un faisceau de lumière externe avec de nombreux atomes en même temps.
Lorsque la lumière blanche, contenant toutes les couleurs, atteint la surface d'une pomme rouge, les ondes lumineuses orange, jaune, verte et bleue sont absorbées par les atomes de la surface de la pomme et converties en chaleur, tandis que les ondes rouges sont principalement réfléchies. retour dans nos yeux. Une partie de la lumière traverse également la peau de la pomme et se courbe légèrement lorsqu'elle la traverse. Les scientifiques appellent cette transmission courbe de la lumière «réfraction». Certains matériaux, comme le verre, laissent entrer beaucoup de lumière, tandis que d'autres matériaux, comme les pommes, très peu.
Le point clé ici est que la réflexion, la réfraction et l'absorption traditionnelles sont un phénomène volumétrique où chaque rayon de lumière interagit avec des milliers ou des millions d'atomes en même temps. Cela a du sens quand on considère que la lumière visible a une longueur d'onde environ mille fois plus longue que les atomes. Les ondes lumineuses visibles mesurent entre 400 et 700 nanomètres de longueur, selon la couleur. En revanche, les atomes ont une taille d'environ 0,2 nanomètre.
Cet écart est la raison pour laquelle vous ne pouvez pas voir des atomes individuels à travers un microscope optique. Les atomes sont beaucoup plus petits que la lumière que vous essayez d'utiliser pour les voir. Ainsi, la couleur d'un objet, qui est le résultat de la réflexion volumétrique traditionnelle, de la réfraction et de l'absorption, est le résultat de la façon dont plusieurs atomes sont liés et positionnés ensemble, plutôt que la couleur réelle des atomes individuels.
Par exemple, prenez des atomes de carbone et liez-les dans le réseau d'un diamant, et vous avez des diamants purs. Au lieu de cela, prenez des atomes de carbone et liez-les dans des plans hexagonaux et vous avez du graphite gris. La nature des liaisons entre de nombreux atomes détermine la couleur traditionnelle du matériau, et non le type des atomes eux-mêmes. Si vous n'avez aucune liaison entre les atomes, vous vous retrouvez avec un gaz monoatomique invisible (du moins selon la réflexion, la réfraction et l'absorption traditionnelles).
La couleur de la plupart des objets quotidiens qui nous entourent, des pommes aux crayons et chaises, découle de la réflexion volumétrique traditionnelle, de la réfraction et de l'absorption. Ce mécanisme de délivrance de lumière est si omniprésent et intuitif que nous pourrions définir étroitement la «présence de couleur» pour n'inclure que ce mécanisme. Par conséquent, avec cette définition étroite à l'esprit, un seul atome est trop petit pour avoir une couleur.
- Rayonnement thermique:
Si la barre de fer est suffisamment chauffée, elle deviendra rouge. Par conséquent, nous pouvons dire que la couleur de la barre de fer chauffée au rouge est rouge. Cependant, la couleur rouge de la tige de fer dans ce cas est due au rayonnement thermique, qui est un mécanisme très différent de la réflexion, de la réfraction et de l'absorption en vrac.
Dans le mécanisme du rayonnement thermique, les atomes d'un objet se heurtent avec une telle force qu'ils émettent de la lumière. Plus précisément, les collisions provoquent l'excitation des électrons et des atomes vers des états d'énergie supérieure, puis les électrons et les atomes émettent de la lumière lorsqu'ils reviennent à des états d'énergie plus faible. Étant donné que les collisions dues au mouvement thermique sont aléatoires, elles entraînent l'excitation d'une large gamme d'énergies.
En conséquence, le rayonnement thermique émis contient de nombreuses couleurs, couvrant une large gamme de fréquences. Ce qui est intéressant à propos du rayonnement thermique, c'est que sa couleur dépend davantage de la température de l'objet, et non du matériau de l'objet. Chaque matériau solide brille en rouge si vous pouvez l'amener à la température souhaitée sans se vaporiser ni réagir chimiquement. La clé du rayonnement thermique est qu'il s'agit d'une propriété émergente de l'interaction de nombreux atomes. Ainsi, un seul atome ne peut pas émettre de rayonnement thermique. Ainsi, même si nous élargissons la définition de «avoir de la couleur» pour inclure le rayonnement thermique, les atomes individuels n'auront toujours pas de couleur. Dans ce cas, la réponse à la question "Un atome a-t-il une couleur?" négatif.
- Diffusion de Rayleigh:
Plus informativement appelée «diffusion à longue longueur d'onde», la diffusion Rayleigh est lorsque la lumière est réfléchie par des atomes et des molécules individuels. Mais comme la lumière est beaucoup plus grande que les atomes, la diffusion de Rayleigh n'est pas vraiment une "réflexion" d'une onde lumineuse provenant d'une petite particule comme un atome, mais plutôt un cas d'immersion d'une particule dans le champ électrique d'une onde lumineuse.
Le champ électrique induit un dipôle électrique oscillant dans la particule, qui émet alors. Parce que le mécanisme est si différent, la diffusion Rayleigh de la lumière blanche par de petites particules produit toujours la même large gamme de couleurs, le bleu et le violet étant les plus forts. La couleur de la diffusion Rayleigh est toujours la même (en supposant que la lumière incidente est blanche) et est largement indépendante du matériau de l'objet diffusant.
Par conséquent, un atome individuel a bien une couleur dans le sens où il participe à la diffusion de Rayleigh. Par exemple, l'atmosphère terrestre est principalement composée de petites molécules d'oxygène (O2) et d'azote (N2). Ces molécules sont si éloignées qu'elles agissent comme des molécules isolées séparées.
Lorsque la lumière du jour blanche du soleil frappe des molécules d'air isolées, elle se disperse selon la diffusion de Rayleigh, donnant au ciel un violet bleuté blanchâtre. Le fait que nous puissions voir le ciel de jour suggère que de petites molécules individuelles peuvent avoir une certaine forme de couleur. Lorsque nous parlons de petites molécules lorsque nous parlons du ciel, le même principe s'applique aux atomes individuels. Lorsqu'elle est bien comprise, la couleur de la diffusion Rayleigh dépend plus de l'interaction elle-même que des types réels d'atomes impliqués. Le fait que le ciel soit bleu ne signifie pas nécessairement que les atomes d'azote sont bleus. La diffusion Raman est beaucoup moins courante que la diffusion Rayleigh, mais presque identique dans le contexte de cette discussion. La diffusion Raman diffère en ce qu'une partie de l'énergie de la lumière incidente est perdue à l'intérieur de la particule, de sorte que la lumière diffusée est décalée plus bas en fréquence.
- Décharge de gaz:
Une décharge de gaz (comme la lumière au néon) est peut-être le mécanisme qui correspond le mieux au concept d'un atome unique «ayant une couleur». Une décharge de gaz est ce qui se produit lorsque vous prenez des atomes purs, que vous les isolez les uns des autres dans un état gazeux de faible densité, puis que vous les alimentez avec un courant électrique.
Lorsque les atomes sont retirés de l'excitation, ils émettent de la lumière visible. Le point clé ici est qu'un atome particulier ne peut être excité, éclairé et émettre de la lumière que d'une certaine manière. Cela conduit au fait que la couleur d'un atome lors d'une décharge gazeuse dépend beaucoup du type d'atome impliqué. Le spectre de fréquences d'un atome pendant une décharge gazeuse est considéré comme la couleur "empreinte digitale" de ce type particulier d'atome.
Par exemple, les véritables enseignes au néon sont toujours rouges parce que les atomes de néon eux-mêmes sont rouges sous la décharge de gaz. Les atomes d'argon dans une décharge gazeuse sont de la lavande, les atomes de sodium sont jaunes et les atomes de mercure sont bleus. La plupart des couleurs produites par les lampes «néons» sont obtenues en mélangeant différents gaz. Le "test de flamme" utilisé en chimie pour détecter certains atomes est essentiellement une version moins contrôlée et moins pure d'une lampe à décharge.
Notez que la fluorescence (comme dans une ampoule fluorescente), la phosphorescence et le rayonnement laser à gaz sont similaires à la décharge gazeuse en ce qu'ils impliquent l'excitation d'électrons dans des atomes individuels ou des molécules simples. Contrairement à une décharge gazeuse, qui fait qu'un atome émet toutes ses couleurs caractéristiques; la fluorescence, la phosphorescence et le rayonnement laser impliquent tous l'utilisation de certaines transitions de sorte que seules certaines couleurs atomiques sont émises. Du point de vue de la détermination de la couleur des atomes, ils peuvent être considérés comme des cas particuliers de décharge gazeuse.
Il existe de nombreuses autres façons dont un objet ou un matériau peut émettre ou réfléchir la lumière visible; par exemple, par recombinaison électron-trou de semi-conducteur (dans les LED), rayonnement Cherenkov, réactions chimiques, rayonnement synchrotron ou sonoluminescence; mais ils sont tous liés à l'interaction de nombreux atomes ou pas d'atomes du tout et ne sont donc pas pertinents pour la question actuelle.
Un atome a-t-il une couleur?
L'essentiel: dans le sens traditionnel de la réflexion, de la réfraction, de l'absorption et du rayonnement thermique, les atomes individuels sont invisibles. Au sens de diffusion de Rayleigh et de décharge gazeuse, les atomes ont une couleur.
2021-05-08 03:20:25
Auteur: Vitalii Babkin