Um átomo tem cor?

Um átomo tem cor? A resposta neste caso depende de como você define "ter uma cor". O termo "cor" refere-se à luz visível em uma frequência específica ou a uma mistura de frequências de luz visível. Portanto, a palavra "cor" descreve o componente de frequência de qualquer tipo de luz visível. Sempre que houver luz visível, podemos descrevê-la como tendo uma cor específica.

Com isso em mente, há muitas maneiras diferentes de um objeto refletir ou emitir luz visível. Assim, existem muitas maneiras pelas quais um objeto pode “ter cor”. Embora um único átomo isolado possa refletir ou emitir luz visível de várias maneiras, ele não participa de todas.

Se você definir "colorido" de maneira muito restrita, de forma que inclua apenas certos mecanismos, os átomos não terão cor. Se você definir “tem cor” de forma mais ampla, então os átomos têm cor. Vejamos as diferentes maneiras como um objeto pode refletir ou emitir luz visível e aplicar cada uma a um átomo.

1. Reflexão volumétrica, refração e absorção:

A maneira mais comum de os objetos no dia-a-dia enviarem luz visível aos nossos olhos é por meio de reflexão volumétrica, refração e absorção. Todos os três efeitos fazem parte do mesmo mecanismo físico: a interação de um feixe de luz externo com muitos átomos ao mesmo tempo.

Quando a luz branca, contendo todas as cores, atinge a superfície de uma maçã vermelha, as ondas de luz laranja, amarela, verde e azul são absorvidas pelos átomos da superfície da maçã e convertidas em calor, enquanto as ondas vermelhas são refletidas principalmente. de volta em nossos olhos. Parte da luz também passa pela casca da maçã e se curva ligeiramente ao passar por ela. Os cientistas chamam essa transmissão curva de luz de "refração". Alguns materiais, como o vidro, deixam entrar muita luz, enquanto outros materiais, como maçãs, muito pouca.

O ponto chave aqui é que a reflexão, refração e absorção tradicionais são um fenômeno volumétrico onde cada raio de luz interage com milhares ou milhões de átomos ao mesmo tempo. Isso faz sentido quando você considera que a luz visível tem um comprimento de onda cerca de mil vezes maior do que os átomos. As ondas de luz visíveis têm entre 400 e 700 nanômetros de comprimento, dependendo da cor. Em contraste, os átomos têm cerca de 0,2 nanômetros de tamanho.

Essa discrepância é a razão pela qual você não pode ver átomos individuais através de um microscópio óptico. Os átomos são muito menores do que a luz que você está tentando usar para vê-los. Assim, a cor de um objeto, que é o resultado da reflexão volumétrica tradicional, refração e absorção, é o resultado de como vários átomos estão ligados e posicionados juntos, ao invés da cor real dos átomos individuais.

Por exemplo, pegue átomos de carbono e conecte-os na estrutura de um diamante e você terá diamantes puros. Em vez disso, pegue átomos de carbono e conecte-os em planos hexagonais e você terá grafite cinza. A natureza das ligações entre muitos átomos determina a cor tradicional do material, não o tipo dos próprios átomos. Se você não tem nenhuma ligação entre nenhum átomo, você acaba com um gás monoatômico que é invisível (pelo menos de acordo com a reflexão, refração e absorção tradicionais).

A cor da maioria dos objetos do cotidiano ao nosso redor, de maçãs a lápis e cadeiras, surge da reflexão volumétrica tradicional, refração e absorção. Esse mecanismo de distribuição de luz é tão difundido e intuitivo que poderíamos definir de forma restrita a "presença de cor" para incluir apenas esse mecanismo. Portanto, com essa definição limitada em mente, um único átomo é muito pequeno para ter uma cor.

1. Radiação térmica:

Se a barra de ferro for aquecida o suficiente, ela brilhará em vermelho. Portanto, podemos dizer que a cor da barra de ferro em brasa é vermelha. No entanto, a cor vermelha da barra de ferro, neste caso, deve-se à radiação térmica, que é um mecanismo muito diferente da reflexão, refração e absorção em massa.

No mecanismo de radiação térmica, os átomos de um objeto colidem uns com os outros com tanta força que emitem luz. Mais especificamente, as colisões fazem com que elétrons e átomos sejam excitados para estados de energia mais alta e, então, elétrons e átomos emitem luz à medida que fazem a transição de volta para estados de energia mais baixa. Como as colisões devido ao movimento térmico são aleatórias, elas resultam em uma ampla gama de energias sendo excitadas.

Como resultado, a radiação térmica emitida contém muitas cores, cobrindo uma ampla faixa de frequências. O que é interessante sobre a radiação térmica é que sua cor depende mais da temperatura do objeto, e não do material do objeto. Todo material sólido brilha em vermelho se você puder trazê-lo à temperatura desejada sem vaporizar ou reagir quimicamente. A chave para a radiação térmica é que ela é uma propriedade emergente da interação de muitos átomos. Assim, um único átomo não pode emitir radiação térmica. Assim, mesmo se expandirmos a definição de “ter cor” para incluir a radiação térmica, os átomos individuais ainda não terão cor. Nesse caso, a resposta à pergunta "Um átomo tem cor?" negativo.

1. Espalhamento de Rayleigh:

Mais informativamente chamado de "espalhamento de comprimento de onda longo", o espalhamento de Rayleigh ocorre quando a luz é refletida de átomos e moléculas individuais. Mas como a luz é muito maior do que os átomos, o espalhamento de Rayleigh não é realmente um "reflexo" de uma onda de luz de uma pequena partícula como um átomo, mas sim um caso de imersão de uma partícula no campo elétrico de uma onda de luz.

O campo elétrico induz um dipolo elétrico oscilante na partícula, que então emite. Como o mecanismo é tão diferente, o espalhamento de Rayleigh da luz branca por pequenas partículas sempre produz a mesma ampla gama de cores, com o azul e o violeta sendo os mais fortes. A cor do espalhamento de Rayleigh é sempre a mesma (assumindo que a luz incidente é branca) e é amplamente independente do material do objeto de espalhamento.

Portanto, um átomo individual de fato tem uma cor no sentido de que participa do espalhamento de Rayleigh. Por exemplo, a atmosfera da Terra é composta principalmente de pequenas moléculas de oxigênio (O2) e nitrogênio (N2). Essas moléculas estão tão distantes umas das outras que agem como moléculas isoladas separadas.

Quando a luz do sol branca atinge as moléculas de ar isoladas, ela se espalha de acordo com a dispersão de Rayleigh, tornando o céu um roxo esbranquiçado azulado. O fato de podermos ver o céu diurno sugere que pequenas moléculas individuais podem ter alguma forma de cor. Quando falamos sobre pequenas moléculas, quando falamos sobre o céu, o mesmo princípio se aplica a átomos individuais. Quando bem compreendida, a cor no espalhamento de Rayleigh depende mais da própria interação do que dos tipos reais de átomos envolvidos. Só porque o céu é azul não significa necessariamente que os átomos de nitrogênio sejam azuis. O espalhamento Raman é muito menos comum do que o espalhamento Rayleigh, mas quase idêntico no contexto desta discussão. O espalhamento Raman difere na medida em que parte da energia da luz incidente é perdida dentro da partícula, de modo que a luz espalhada é desviada para uma frequência menor.

1. Descarga de gás:

Uma descarga de gás (como luz de néon) é talvez o mecanismo que melhor se ajusta ao conceito de um único átomo "tendo uma cor". Uma descarga de gás é o que acontece quando você pega átomos puros, os isola uns dos outros em um estado de gás de baixa densidade e os energiza com uma corrente elétrica.

Quando os átomos são removidos da excitação, eles emitem luz visível. O ponto-chave aqui é que um átomo específico só pode ser excitado, iluminado e emitir luz de uma determinada maneira. Isso leva ao fato de que a cor de um átomo durante uma descarga de gás depende muito do tipo de átomo envolvido. O espectro de frequência de um átomo durante uma descarga de gás é considerado a "impressão digital" da cor desse tipo específico de átomo.

Por exemplo, os sinais de néon reais são sempre vermelhos porque os próprios átomos de néon ficam vermelhos sob a descarga de gás. Os átomos de argônio em uma descarga de gás são lavanda, os átomos de sódio são amarelos e os átomos de mercúrio são azuis. Muitas das cores produzidas pelas luzes "neon" são obtidas pela mistura de diferentes gases. O "teste de chama" usado em química para detectar certos átomos é essencialmente uma versão menos controlada e menos pura de uma lâmpada de descarga.

Observe que a fluorescência (como em uma lâmpada fluorescente), fosforescência e radiação de laser de gás são semelhantes à descarga de gás, pois envolvem a excitação de elétrons em átomos individuais ou moléculas simples. Ao contrário de uma descarga de gás, que faz com que um átomo emita todas as suas cores características; fluorescência, fosforescência e radiação laser envolvem o uso de certas transições de modo que apenas certas cores atômicas são emitidas. Do ponto de vista da determinação da cor dos átomos, eles podem ser considerados casos especiais de descarga de gás.

Existem muitas outras maneiras pelas quais um objeto ou material pode emitir ou refletir luz visível; por exemplo, por meio de recombinação elétron-buraco semicondutor (em LEDs), radiação Cherenkov, reações químicas, radiação síncrotron ou sonoluminescência; mas todos eles estão relacionados à interação de muitos átomos ou nenhum átomo e, portanto, são irrelevantes para a questão atual.

Um átomo tem cor?

Conclusão: no sentido de reflexão, refração, absorção e radiação térmica tradicionais, os átomos individuais são invisíveis. No sentido de espalhamento de Rayleigh e descarga de gás, os átomos têm uma cor.

Autor: Vitalii Babkin