원자에 색이 있습니까? 이 경우의 대답은 "색상을 갖기 위해"를 정의하는 방법에 따라 다릅니다. 용어 "색상"은 특정 주파수의 가시 광선 또는 가시광 선의 혼합 주파수를 의미합니다. 따라서 "색상"이라는 단어는 모든 유형의 가시광 선의 주파수 구성 요소를 나타냅니다. 가시 광선이 존재할 때마다 특정 색상을 갖는 것으로 설명 할 수 있습니다.
이를 염두에두고 물체가 가시 광선을 반사하거나 방출 할 수있는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 따라서 개체가 "색상을 가질"수있는 여러 가지 방법이 있습니다. 하나의 고립 된 원자가 여러 가지 방식으로 가시 광선을 반사하거나 방출 할 수 있지만 모두에 참여하지는 않습니다.
"색상"을 매우 좁게 정의하여 특정 메커니즘 만 포함하면 원자에는 색상이 없습니다. "색상 있음"을 더 광범위하게 정의하면 원자도 색상을 갖습니다. 물체가 가시 광선을 반사하거나 방출하고 각각을 원자에 적용 할 수있는 다양한 방법을 살펴 보겠습니다.
- 체적 반사, 굴절 및 흡수 :
물체가 눈에 가시 광선을 보내는 가장 일반적인 방법은 체적 반사, 굴절 및 흡수를 통하는 것입니다. 이 세 가지 효과는 모두 동일한 물리적 메커니즘의 일부입니다. 즉, 동시에 많은 원자와 외부 광선 빔의 상호 작용입니다.
모든 색을 포함하는 백색광이 빨간 사과의 표면에 닿으면 주황색, 황색, 녹색, 청색 광파가 사과 표면의 원자에 흡수되어 열로 변환되고 적색 파동은 대부분 반사됩니다. 다시 우리 눈으로. 빛의 일부는 사과 껍질을 통과하여 통과하면서 약간 구부러집니다. 과학자들은이 빛의 곡선 투과를 "굴절"이라고 부릅니다. 유리와 같은 일부 재료는 많은 빛을 받아들이고 사과와 같은 다른 재료는 거의 빛을받지 않습니다.
여기서 핵심은 전통적인 반사, 굴절 및 흡수가 각 광선이 동시에 수천 또는 수백만 개의 원자와 상호 작용하는 체적 현상이라는 것입니다. 가시 광선이 원자보다 약 천 배 더 긴 파장을 가지고 있다고 생각할 때 이것은 의미가 있습니다. 가시광 선의 길이는 색상에 따라 400 ~ 700 나노 미터입니다. 반대로 원자의 크기는 약 0.2 나노 미터입니다.
이러한 불일치는 광학 현미경으로 개별 원자를 볼 수없는 이유입니다. 원자는 보는 데 사용하려는 빛보다 훨씬 작습니다. 따라서 기존의 체적 반사, 굴절 및 흡수의 결과 인 물체의 색상은 개별 원자의 실제 색상이 아니라 여러 원자가 연결되고 위치하는 방식의 결과입니다.
예를 들어 탄소 원자를 다이아몬드 격자에 연결하면 순수한 다이아몬드가 있습니다. 대신, 탄소 원자를 가져와 육각 평면으로 연결하면 회색 흑연이 생깁니다. 많은 원자 사이의 결합 특성에 따라 원자 자체의 유형이 아니라 재료의 전통적인 색상이 결정됩니다. 원자 사이에 결합이 전혀 없으면 보이지 않는 단일 원자 가스로 끝납니다 (적어도 전통적인 반사, 굴절 및 흡수에 따르면).
사과에서 연필과 의자에 이르기까지 우리 주변의 대부분의 일상적인 물체의 색상은 전통적인 체적 반사, 굴절 및 흡수에서 비롯됩니다. 이 빛 전달 메커니즘은 매우 광범위하고 직관적이므로이 메커니즘 만 포함하도록 "색상의 존재"를 좁게 정의 할 수 있습니다. 따라서이 좁은 정의를 염두에두고 단일 원자는 너무 작아서 색을 갖지 못합니다.
- 열 복사 :
철봉이 충분히 가열되면 빨간색으로 빛납니다. 따라서 우리는 붉은 색 철봉의 색이 빨간색이라고 말할 수 있습니다. 그러나이 경우 철봉의 붉은 색은 벌크 반사, 굴절 및 흡수와는 매우 다른 메커니즘 인 열 복사 때문입니다.
열 복사 메커니즘에서 물체의 원자는 빛을 방출하는 힘으로 서로 충돌합니다. 보다 구체적으로, 충돌은 전자와 원자가 더 높은 에너지 상태로 여기되도록 한 다음 전자와 원자가 다시 낮은 에너지 상태로 전환되면서 빛을 방출합니다. 열 운동으로 인한 충돌은 무작위이기 때문에 광범위한 에너지가 여기됩니다.
결과적으로 방출 된 열 복사는 다양한 주파수를 포함하는 많은 색상을 포함합니다. 열 복사의 흥미로운 점은 색상이 물체의 재질이 아니라 물체의 온도에 더 의존한다는 것입니다. 모든 고체 물질은 기화 또는 화학적 반응없이 원하는 온도로 만들 수있는 경우 빨간색으로 빛납니다. 열 복사의 핵심은 그것이 많은 원자의 상호 작용의 새로운 특성이라는 것입니다. 따라서 단일 원자는 열 복사를 방출 할 수 없습니다. 따라서 열복사를 포함하도록 "색을 가짐"의 정의를 확장하더라도 개별 원자는 여전히 색상을 갖지 않습니다. 이 경우 "원자는 색이 있습니까?"라는 질문에 대한 대답입니다. 부정.
- 레일리 산란 :
보다 정보 적으로 "장파장 산란"이라고 불리는 레일리 산란은 빛이 개별 원자와 분자에서 반사되는 경우입니다. 그러나 빛은 원자보다 훨씬 크기 때문에 레일리 산란은 실제로 원자와 같은 작은 입자에서 나오는 광파의 "반사"가 아니라 광파의 전기장에 입자가 잠기는 경우입니다.
전기장은 입자에서 진동하는 전기 쌍극자를 유도 한 다음 방출합니다. 메커니즘이 너무 다르기 때문에 작은 입자에 의한 백색광의 Rayleigh 산란은 항상 동일한 광범위한 색상을 생성하며 파란색과 보라색이 가장 강합니다. Rayleigh 산란의 색상은 항상 동일하며 (입사광이 흰색이라고 가정) 산란 물체의 재질과 거의 무관합니다.
따라서 개별 원자는 레일리 산란에 참여한다는 의미에서 실제로 색상을 가지고 있습니다. 예를 들어, 지구의 대기는 주로 작은 산소 (O2)와 질소 (N2) 분자로 구성됩니다. 이 분자들은 매우 멀리 떨어져있어 분리 된 분리 된 분자로 작용합니다.
일광 흰색 햇빛이 고립 된 공기 분자를 비추면 레일리 산란에 따라 산란되어 하늘이 희끄무레 한 청자색이됩니다. 낮 하늘을 볼 수 있다는 사실은 작은 개별 분자가 어떤 형태의 색을 가질 수 있음을 시사합니다. 하늘에 대해 이야기 할 때 작은 분자에 대해 이야기 할 때 동일한 원리가 개별 원자에 적용됩니다. 올바르게 이해되면 레일리 산란의 색상은 관련된 실제 원자 유형보다 상호 작용 자체에 더 많이 의존합니다. 하늘이 파랗다 고해서 질소 원자가 파랗다는 의미는 아닙니다. 라만 산란은 레일리 산란보다 훨씬 덜 일반적이지만이 논의의 맥락에서 거의 동일합니다. 라만 산란은 입사광 에너지의 일부가 입자 내부에서 손실되어 산란광이 주파수에서 더 낮게 이동한다는 점에서 다릅니다.
- 가스 방전 :
가스 방전 (예 : 네온 불빛)은 "색을 갖는"단일 원자의 개념에 가장 잘 맞는 메커니즘 일 것입니다. 가스 방전은 순수한 원자를 저밀도 가스 상태에서 서로 절연 한 다음 전류로 에너지를 공급할 때 발생하는 현상입니다.
원자가 여기에서 제거되면 가시 광선을 방출합니다. 여기서 요점은 특정 원자가 특정 방식으로 만 여기되고, 조명되고, 빛을 방출 할 수 있다는 것입니다. 이것은 가스 방전 중 원자의 색이 관련된 원자의 유형에 크게 의존한다는 사실로 이어집니다. 가스 방전 중 원자의 주파수 스펙트럼은 특정 원자 유형의 "지문"색상으로 간주됩니다.
예를 들어, 실제 네온 사인은 네온 원자 자체가 가스 방전 아래에서 빨간색이기 때문에 항상 빨간색입니다. 가스 방출의 아르곤 원자는 라벤더, 나트륨 원자는 노란색, 수은 원자는 파란색입니다. "네온"조명에 의해 생성되는 많은 색상은 서로 다른 가스를 혼합하여 얻을 수 있습니다. 특정 원자를 감지하기 위해 화학에서 사용되는 "화염 테스트"는 본질적으로 덜 제어되고 덜 순수한 버전의 방전 램프입니다.
형광 (예 : 형광등 전구), 인광 및 가스 레이저 방사는 개별 원자 또는 단순 분자의 전자 여기를 포함한다는 점에서 가스 방전과 유사합니다. 원자가 모든 특징적인 색을 방출하도록하는 가스 방전과는 달리; 형광, 인광 및 레이저 방사선은 모두 특정 전이를 사용하여 특정 원자 색상 만 방출합니다. 원자의 색을 결정하는 관점에서 보면 가스 방전의 특수한 경우라고 볼 수 있습니다.
물체 나 재료가 가시 광선을 방출하거나 반사 할 수있는 다른 방법이 많이 있습니다. 예를 들어, 반도체 전자-정공 재결합 (LED에서), Cherenkov 복사, 화학 반응, 싱크로트론 복사 또는 sonoluminescence를 통해; 그러나 그것들은 모두 많은 원자의 상호 작용과 관련이 있거나 전혀 원자가 없기 때문에 현재 문제와 관련이 없습니다.
원자에 색이 있습니까?
결론 : 전통적인 반사, 굴절, 흡수 및 열 복사의 의미에서 개별 원자는 보이지 않습니다. 레일리 산란 및 가스 방전의 의미에서 원자는 색을 띕니다.
2021-05-08 03:20:25
작가: Vitalii Babkin