Un atomo ha un colore?

Un atomo ha un colore? La risposta in questo caso dipende da come definisci "avere un colore". Il termine "colore" si riferisce alla luce visibile a una frequenza specifica o a una miscela di frequenze della luce visibile. Pertanto, la parola "colore" descrive la componente di frequenza di qualsiasi tipo di luce visibile. Ogni volta che è presente la luce visibile, possiamo descriverla come avente un colore specifico.

Con questo in mente, ci sono molti modi diversi in cui un oggetto può riflettere o emettere luce visibile. Quindi, ci sono molti modi in cui un oggetto può "avere colore". Sebbene un singolo atomo isolato possa riflettere o emettere luce visibile in diversi modi, non partecipa a tutti.

Se definisci "colorato" in modo molto ristretto, in modo che includa solo certi meccanismi, gli atomi non hanno colore. Se definisci "ha colore" in modo più ampio, allora gli atomi hanno colore. Diamo un'occhiata ai diversi modi in cui un oggetto può riflettere o emettere luce visibile e applicarli a un atomo.

1. Riflessione, rifrazione e assorbimento volumetrico:

Il modo più comune in cui gli oggetti quotidiani possono inviare luce visibile nei nostri occhi è attraverso la riflessione volumetrica, la rifrazione e l'assorbimento. Tutti e tre questi effetti fanno parte dello stesso meccanismo fisico: l'interazione di un raggio di luce esterno con molti atomi contemporaneamente.

Quando la luce bianca, contenente tutti i colori, colpisce la superficie di una mela rossa, le onde luminose arancioni, gialle, verdi e blu vengono assorbite dagli atomi della superficie della mela e convertite in calore, mentre le onde rosse sono per lo più riflesse. di nuovo nei nostri occhi. Parte della luce passa anche attraverso la buccia della mela e si piega leggermente mentre la attraversa. Gli scienziati chiamano questa trasmissione curva della luce "rifrazione". Alcuni materiali, come il vetro, lasciano entrare molta luce, mentre altri materiali, come le mele, molto poca.

Il punto chiave qui è che la riflessione, la rifrazione e l'assorbimento tradizionali sono un fenomeno volumetrico in cui ogni raggio di luce interagisce con migliaia o milioni di atomi allo stesso tempo. Ciò ha senso se si considera che la luce visibile ha una lunghezza d'onda circa mille volte più lunga degli atomi. Le onde luminose visibili hanno una lunghezza compresa tra 400 e 700 nanometri, a seconda del colore. Al contrario, gli atomi hanno una dimensione di circa 0,2 nanometri.

Questa discrepanza è il motivo per cui non è possibile vedere i singoli atomi attraverso un microscopio ottico. Gli atomi sono molto più piccoli della luce che stai cercando di usare per vederli. Pertanto, il colore di un oggetto, che è il risultato della tradizionale riflessione volumetrica, rifrazione e assorbimento, è il risultato di come più atomi sono collegati e posizionati insieme, piuttosto che il colore effettivo dei singoli atomi.

Ad esempio, prendi atomi di carbonio e collegali nel reticolo di un diamante, e avrai diamanti puri. Invece, prendi gli atomi di carbonio e collegali in piani esagonali e avrai la grafite grigia. La natura dei legami tra molti atomi determina il colore tradizionale del materiale, non il tipo degli atomi stessi. Se non hai alcun legame tra gli atomi, ti ritroverai con un gas monoatomico invisibile (almeno secondo la riflessione, la rifrazione e l'assorbimento tradizionali).

Il colore della maggior parte degli oggetti di uso quotidiano che ci circondano, dalle mele alle matite e alle sedie, nasce dalla tradizionale riflessione volumetrica, rifrazione e assorbimento. Questo meccanismo di consegna della luce è così pervasivo e intuitivo che potremmo definire in modo restrittivo la "presenza del colore" per includere solo questo meccanismo. Pertanto, tenendo presente questa definizione ristretta, un singolo atomo è troppo piccolo per avere un colore.

1. Radiazione termica:

Se la barra di ferro è sufficientemente riscaldata, si illuminerà di rosso. Pertanto, possiamo dire che il colore della barra di ferro rovente è rosso. Tuttavia, il colore rosso del tondino di ferro in questo caso è dovuto alla radiazione termica, che è un meccanismo molto diverso dalla riflessione, rifrazione e assorbimento di massa.

Nel meccanismo della radiazione termica, gli atomi di un oggetto si scontrano tra loro con una forza tale da emettere luce. Più specificamente, le collisioni fanno sì che gli elettroni e gli atomi siano eccitati a stati di energia superiore, e quindi gli elettroni e gli atomi emettono luce mentre tornano a stati di energia inferiore. Poiché le collisioni dovute al movimento termico sono casuali, provocano l'eccitazione di un'ampia gamma di energie.

Di conseguenza, la radiazione termica emessa contiene molti colori, coprendo un'ampia gamma di frequenze. La cosa interessante della radiazione termica è che il suo colore dipende più dalla temperatura dell'oggetto e non dal materiale dell'oggetto. Ogni materiale solido si illumina di rosso se puoi portarlo alla temperatura desiderata senza vaporizzare o reagire chimicamente. La chiave per la radiazione termica è che è una proprietà emergente dell'interazione di molti atomi. Pertanto, un singolo atomo non può emettere radiazioni termiche. Quindi, anche se espandiamo la definizione di "avere colore" per includere la radiazione termica, i singoli atomi non avranno ancora colore. In questo caso, la risposta alla domanda "Un atomo ha un colore?" negativo.

1. Diffusione di Rayleigh:

In modo più informativo chiamato "dispersione a lunghezza d'onda lunga", la diffusione di Rayleigh è quando la luce viene riflessa da singoli atomi e molecole. Ma poiché la luce è molto più grande degli atomi, la diffusione di Rayleigh non è realmente un "riflesso" di un'onda luminosa da una piccola particella come un atomo, ma piuttosto un caso di immersione di una particella nel campo elettrico di un'onda luminosa.

Il campo elettrico induce un dipolo elettrico oscillante nella particella, che poi emette. Poiché il meccanismo è così diverso, la diffusione di Rayleigh della luce bianca da parte di piccole particelle produce sempre la stessa vasta gamma di colori, con il blu e il viola che sono i più forti. Il colore della diffusione di Rayleigh è sempre lo stesso (supponendo che la luce incidente sia bianca) ed è ampiamente indipendente dal materiale dell'oggetto di diffusione.

Pertanto, un singolo atomo ha effettivamente un colore nel senso che partecipa alla diffusione di Rayleigh. Ad esempio, l'atmosfera terrestre è composta principalmente da piccole molecole di ossigeno (O2) e azoto (N2). Queste molecole sono così distanti tra loro che agiscono come molecole isolate separate.

Quando la luce solare bianca colpisce le molecole d'aria isolate, si disperde secondo la dispersione di Rayleigh, rendendo il cielo di un viola bluastro biancastro. Il fatto che possiamo vedere il cielo diurno suggerisce che piccole molecole individuali possono avere una qualche forma di colore. Quando parliamo di piccole molecole quando parliamo del cielo, lo stesso principio si applica ai singoli atomi. Quando correttamente compreso, il colore nella diffusione di Rayleigh dipende più dall'interazione stessa che dai tipi effettivi di atomi coinvolti. Solo perché il cielo è blu non significa necessariamente che gli atomi di azoto siano blu. Lo scattering Raman è molto meno comune dello scattering Rayleigh, ma quasi identico nel contesto di questa discussione. La diffusione Raman differisce in quella parte dell'energia della luce incidente viene persa all'interno della particella, in modo che la luce diffusa venga spostata di frequenza inferiore.

1. Scarico di gas:\

Una scarica di gas (come la luce al neon) è forse il meccanismo che meglio si adatta al concetto di un singolo atomo "avente un colore". Una scarica di gas è ciò che accade quando si prendono atomi puri, li si isola l'uno dall'altro in uno stato di gas a bassa densità e quindi li si energizza con una corrente elettrica.

Quando gli atomi vengono rimossi dall'eccitazione, emettono luce visibile. Il punto chiave qui è che un particolare atomo può essere eccitato, illuminato ed emesso luce solo in un certo modo. Ciò porta al fatto che il colore di un atomo durante una scarica di gas dipende molto dal tipo di atomo coinvolto. Lo spettro di frequenza di un atomo durante una scarica di gas è considerato "l'impronta digitale" del colore di quel particolare tipo di atomo.

Ad esempio, le vere insegne al neon sono sempre rosse perché gli stessi atomi di neon sono rossi sotto la scarica di gas. Gli atomi di argon in una scarica di gas sono lavanda, gli atomi di sodio sono gialli e gli atomi di mercurio sono blu. Molti dei colori prodotti dalle luci "neon" si ottengono mescolando diversi gas. Il "test di fiamma" utilizzato in chimica per rilevare determinati atomi è essenzialmente una versione meno controllata e meno pura di una lampada a scarica.

Si noti che la fluorescenza (come in una lampadina fluorescente), la fosforescenza e la radiazione laser a gas sono simili alla scarica di gas in quanto coinvolgono l'eccitazione di elettroni in singoli atomi o molecole semplici. A differenza di una scarica di gas, che fa sì che un atomo emetta tutti i suoi colori caratteristici; fluorescenza, fosforescenza e radiazione laser comportano l'uso di determinate transizioni in modo che vengano emessi solo determinati colori atomici. Dal punto di vista della determinazione del colore degli atomi, possono essere considerati casi speciali di scarica di gas.

Ci sono molti altri modi in cui un oggetto o un materiale può emettere o riflettere la luce visibile; per esempio, attraverso la ricombinazione elettrone-lacuna dei semiconduttori (nei LED), la radiazione di Cherenkov, le reazioni chimiche, la radiazione di sincrotrone o la sonoluminescenza; ma sono tutti collegati all'interazione di molti atomi o addirittura nessun atomo e quindi sono irrilevanti per la questione attuale.

Un atomo ha un colore?

In conclusione: nel senso della riflessione tradizionale, rifrazione, assorbimento e radiazione termica, i singoli atomi sono invisibili. Nel senso della diffusione di Rayleigh e della scarica di gas, gli atomi hanno un colore.

Autore: Vitalii Babkin