原子には色がありますか？この場合の答えは、「色を付ける」をどのように定義するかによって異なります。 「色」という用語は、特定の周波数の可視光、または可視光の周波数の混合物を指す。したがって、「色」という言葉は、あらゆるタイプの可視光の周波数成分を表します。可視光が存在するときはいつでも、それを特定の色を持っていると説明することができます。
これを念頭に置いて、オブジェクトが可視光を反射または放出する方法はたくさんあります。したがって、オブジェクトが「色を持つ」ことができる多くの方法があります。単一の孤立した原子は、いくつかの方法で可視光を反射または放出できますが、すべてに関与しているわけではありません。
「色付き」を非常に狭く定義して、特定のメカニズムのみが含まれるようにすると、原子には色がなくなります。 「色を持っている」をより広く定義すると、原子は色を持っています。オブジェクトが可視光を反射または放出し、それぞれを原子に適用するさまざまな方法を見てみましょう。
1.体積反射、屈折、吸収：
オブジェクトが可視光を目に送ることができる最も一般的な日常の方法は、体積反射、屈折、および吸収によるものです。これらの3つの効果はすべて、同じ物理メカニズムの一部です。つまり、外部光線と多くの原子との相互作用が同時に発生します。
すべての色を含む白色光が赤いリンゴの表面に当たると、オレンジ、黄色、緑、青の光の波がリンゴの表面の原子に吸収されて熱に変換されますが、赤い波はほとんど反射されます。私たちの目に戻ります。光の一部はリンゴの皮も通過し、リンゴを通過するときにわずかに曲がります。科学者たちは、この湾曲した光の透過を「屈折」と呼んでいます。ガラスのようないくつかの材料は多くの光を取り入れますが、リンゴのような他の材料はほとんど光を取り入れません。
ここで重要な点は、従来の反射、屈折、吸収は、各光線が同時に数千または数百万の原子と相互作用する体積現象であるということです。これは、可視光の波長が原子の約1000倍長いことを考えると理にかなっています。可視光の波の長さは、色によって異なりますが、400〜700ナノメートルです。対照的に、原子のサイズは約0.2ナノメートルです。
この不一致が、光学顕微鏡で個々の原子を見ることができない理由です。原子は、それらを見るために使用しようとしている光よりもはるかに小さいです。したがって、従来の体積反射、屈折、吸収の結果であるオブジェクトの色は、個々の原子の実際の色ではなく、複数の原子がどのようにリンクされて配置されているかの結果です。
たとえば、炭素原子を取り、それらをダイヤモンドの格子にリンクすると、純粋なダイヤモンドができあがります。代わりに、炭素原子を取り、それらを六角形の平面にリンクすると、灰色のグラファイトができます。多くの原子間の結合の性質は、原子自体のタイプではなく、材料の従来の色を決定します。どの原子にも結合がまったくない場合、（少なくとも従来の反射、屈折、吸収によれば）目に見えない単原子ガスになってしまいます。
リンゴから鉛筆や椅子まで、私たちの周りのほとんどの日常の物体の色は、伝統的な体積反射、屈折、吸収から生じます。この光の供給メカニズムは非常に普及していて直感的であるため、このメカニズムのみを含めるように「色の存在」を狭義に定義することができます。したがって、この狭い定義を念頭に置いて、単一の原子は小さすぎて色を付けることができません。
2.熱放射：
鉄の棒が十分に加熱されると、赤く光ります。したがって、真っ赤な鉄の棒の色は赤であると言えます。ただし、この場合の鉄の棒の赤色は熱放射によるものであり、これはバルクの反射、屈折、吸収とは大きく異なるメカニズムです。
熱放射のメカニズムでは、物体の原子が互いに衝突して発光します。より具体的には、衝突により、電子と原子がより高いエネルギー状態に励起され、次に、電子と原子がより低いエネルギー状態に戻るときに発光します。熱運動による衝突はランダムであるため、広範囲のエネルギーが励起されます。
その結果、放出される熱放射には多くの色が含まれ、広範囲の周波数をカバーします。熱放射について興味深いのは、その色がオブジェクトの材料ではなく、オブジェクトの温度に依存していることです。気化したり化学反応したりせずに目的の温度にすることができれば、すべての固体材料は赤く光ります。熱放射の鍵は、それが多くの原子の相互作用の新たな特性であるということです。したがって、単一の原子は熱放射を放出できません。したがって、「色を持っている」の定義を熱放射を含むように拡張しても、個々の原子には色がありません。この場合、「原子には色がありますか？」という質問に対する答えです。負。
3.レイリー散乱：
より情報的に「長波長散乱」と呼ばれるレイリー散乱は、光が個々の原子や分子から反射される場合です。しかし、光は原子よりもはるかに大きいため、レイリー散乱は実際には原子などの小さな粒子からの光波の「反射」ではなく、光波の電界に粒子を浸す場合です。
電場は粒子内に振動する電気双極子を誘導し、それが放出されます。メカニズムが非常に異なるため、小さな粒子による白色光のレイリー散乱は、常に同じ幅広い色を生成し、青と紫が最も強くなります。レイリー散乱の色は常に同じであり（入射光が白であると仮定）、散乱オブジェクトの材料にほとんど依存しません。
したがって、個々の原子は、レイリー散乱に関与するという意味で実際に色を持っています。たとえば、地球の大気は主に小さな酸素（O2）と窒素（N2）の分子で構成されています。これらの分子は非常に離れているため、別々の孤立した分子として機能します。
日光の白い太陽光が孤立した空気分子に当たると、レイリー散乱に従って散乱し、空を白っぽい青紫色にします。昼間の空が見えるという事実は、小さな個々の分子が何らかの形の色を持っている可能性があることを示唆しています。私たちが空について話すときに小分子について話すとき、同じ原理が個々の原子に当てはまります。適切に理解されると、レイリー散乱の色は、実際に関与する原子の種類よりも相互作用自体に依存します。空が青いからといって、必ずしも窒素原子が青いとは限りません。ラマン散乱はレイリー散乱ほど一般的ではありませんが、この議論の文脈ではほとんど同じです。ラマン散乱は、入射光のエネルギーの一部が粒子内で失われるという点で異なります。そのため、散乱光の周波数は低くシフトします。
4.ガス放電：
ガス放電（ネオンライトなど）は、おそらく「色を持っている」単一の原子の概念に最もよく適合するメカニズムです。ガス放電とは、純粋な原子を取り、それらを低密度のガス状態で互いに絶縁し、次に電流でそれらにエネルギーを与えるときに起こることです。
原子が励起から外されると、それらは可視光を放出します。ここで重要な点は、特定の原子は特定の方法でのみ励起、照明、および発光できるということです。これは、ガス放電中の原子の色が関与する原子のタイプに大きく依存するという事実につながります。ガス放電中の原子の周波数スペクトルは、その特定のタイプの原子の色の「指紋」であると見なされます。
たとえば、実際のネオンサインは常に赤です。これは、ネオン原子自体がガス放電下で赤であるためです。ガス放電中のアルゴン原子はラベンダー、ナトリウム原子は黄色、水銀原子は青色です。 「ネオン」ライトによって生成される色の多くは、さまざまなガスを混合することによって実現されます。特定の原子を検出するために化学で使用される「炎色試験」は、本質的に制御が不十分で純度の低いバージョンの放電ランプです。
蛍光（蛍光灯など）、リン光、およびガスレーザー放射は、個々の原子または単純な分子内の電子の励起を伴うという点で、ガス放電に似ていることに注意してください。ガス放電とは異なり、原子はその特徴的な色をすべて放出します。蛍光、リン光、およびレーザー放射はすべて、特定の原子色のみが放出されるように、特定の遷移の使用を伴います。原子の色を決定する観点から、それらはガス放電の特殊なケースと見なすことができます。
オブジェクトまたはマテリアルが可視光を放出または反射する方法は他にもたくさんあります。たとえば、半導体の電子正孔再結合（LED）、チェレンコフ放射、化学反応、シンクロトロン放射、またはソノルミネッセンスを介して。しかし、それらはすべて、多くの原子の相互作用に関連しているか、原子がまったくないことに関連しているため、現在の問題とは無関係です。
原子には色がありますか？
結論：従来の反射、屈折、吸収、熱放射の意味では、個々の原子は見えません。レイリー散乱とガス放電の意味で、原子には色があります。
2021-05-08 03:20:25
著者: Vitalii Babkin