Ce culoare au atomii?

Este greu să ne imaginăm o lume fără culori pentru că pur și simplu, culorile sunt peste tot în jurul nostru. Toată materia este alcătuită din atomi, dar te-ai întrebat vreodată, dacă atomii au culoare? Răspunsul depinde de felul cum definim cuvântul „culoare”. Culoarea se referă la lumina vizibilă cu o anumită frecvență sau o combinație de frecvențe. Lumina este o sursă de radiații electromagnetice de diferite lungimi de undă și intensități, adică, o suprapunere de radiații monocromatice. Lumina atunci când e prezentă, o putem descrie ca având o anumită culoare și intensitate.

Reflecție, refracție și absorbție

Noi vedem obiectele datorită reflecției, refracției si absorbției luminii de către respectivele obiecte. Aceste trei efecte fac parte din același mecanism fizic: interacțiunea unui fascicul de lumină extern cu mai mulți atomi în același timp. Atunci când lumina albă, care conține toate culorile, atinge suprafața unui măr roșu, undele portocalii, galbene, verzi și albastre sunt absorbite de atomii din coaja mărului și se transformă în căldură, în timp ce undele roșii sunt reflectate în cea mai mare parte înapoi, către ochii noștri.

Reflecția, refracția și absorbția constituie un fenomen în care fiecare fascicul de lumină interacționează cu zeci până la milioane de atomi în același timp. Acest lucru se datorează faptului că lumina vizibilă are o lungime de undă care este aproximativ de 1000 de ori mai mare decât un atom. Un fascicul de lumină are o lungime de undă de la 400 nanometri până la 700 nanometri, în funcție de culoare, iar atomii au o lățime de aproximativ 0,2 nanometri. Această diferență este motivul pentru care nu putem vedea un singur atom utilizând un microscop optic. Atomii sunt mult mai mici decât grosimea unui fascicul de lumină folosit pentru a observa un atom.

Culoarea unui obiect care rezultă din reflexia în masă, refracția și absorbția este, prin urmare, rezultatul modului în care mai mulți atomi sunt legați împreună și aranjați, și nu un rezultat al culorii reale a atomilor individuali. De exemplu, dacă luăm niște atomi de carbon putem obține un diamant incolor, dar dacă schimbăm legăturile dintre aceeași atomi de carbon putem obține grafit. Felul cum atomii crează legături determină culoarea unui material, nu tipul atomului.

Culoarea obiectelor din jurul nostru este dată de reflexia în masă, refracția și absorbția. Acest mecanism este atât de comun și intuitiv încât am putea crede ca este normal ca orice obiect să aibă o culoare. Dar un singur atom este prea mic pentru a avea o culoare.

Radiația termică

Dacă încălzim suficient de mult o bară de fier, aceasta se va înroșii. Prin urmare, am putea spune că o bară de fier fierbinte este roșie. Însă culoarea roșie se datorează radiației termice, care este un mecanism diferit de reflecția în masă, refracția și absorbția. În mecanismul de radiație termică, atomii unui obiect se agită atât de puternic încât emit lumină. Mai exact, coliziunile fac ca electronii și atomii să treacă la stări de energie mai mari, iar apoi electronii și atomii să emită lumină când trec înapoi în stări de energie mai mici. Interesant este că, culoarea sa este mai mult rezultatul temperaturii obiectului și ține mai puțin de tipul materialului. Fiecare material solid va înroșii dacă îl încălzim la temperatura potrivită pentru a reacționa chimic.

Radiația termică este deci o proprietate emergentă a interacțiunii a mai multor atomi. Ca atare, un singur atom nu poate emite radiații termice, deci nu poate avea o culoare.

Dispersia Rayleigh

Dispersia Rayleigh este numită astfel după fizicianul britanic Lord Rayleigh și se referă la împrăștierea elastică a luminii de către particule de dimensiuni mult mai mici decât lungimea de undă a radiației (de exemplu atomi sau molecule). Culoarea albastră a cerului senin se datorează împrăștierii Rayleigh a luminii solare în atmosfera Pământului. Câmpul electric oscilant al undei de lumină acționează asupra încărcăturii unei particule, făcându-le să se miște la aceeași frecvență. Prin urmare, particula devine un dipol mic radiant ale cărei radiații le vedem ca lumină dispersată.

Deoarece mecanismul este atât de diferit, dispersia Rayleigh a luminii albe din particule creează întotdeauna aceeași gamă de culori, albastru și violet fiind cele mai puternice.

Prin urmare, un singur atom are o culoare în sensul că participă la dispersia lui Rayleigh. De exemplu, atmosfera pământului este compusă mai ales din molecule de oxigen și azot. Atunci când lumina soarelui lovește moleculele de aer izolate, se împrăștie în funcție de dispersia lui Rayleigh, transformând cerul într-un albastru-violet. Culoarea împrăștierii Rayleigh ține mai mult de interacțiunea în sine decât de tipurile de atomi implicați. Doar pentru că cerul este albastru nu înseamnă că atomii de azot sunt albaștrii. Dispersia Raman este mult mai rară decât dispersia Rayleigh, dar este aproape identică în acest context. Dispersia Raman este diferită prin faptul că o parte din energia incidentă a luminii este pierdută intern în particule, astfel încât lumina împrăștiată este deplasată mai jos în frecvență.

Descărcarea în gaze

Descărcarea în gaz este probabil mecanismul care ne arată că atomii pot avea culoare. Această descărcare se întâmplă atunci când atomii, izolați unul de celălalt într-un gaz rarefiat, sunt excitați folosind curent electric. Atunci când atomii sunt dezexcitați, emit lumină vizibilă care este strâns legată de tipul atomului implicat. Spectrul de frecvență al unui atom în timpul descărcării gazului este considerat “amprenta” de culoare a acelui tip de atom. De exemplu, neonul pur emite lumină roșie, argonul o lumină violet, iar atomii de mercur emit o lumină albastră. Multe dintre culorile generate de lămpile numite “neon” sunt obținute prin amestecarea a mai multor gaze diferite.

Există multe moduri în care un obiect sau un material poate emite sau reflectă lumină vizibilă; cum ar fi prin electroluminescență (în LED-uri), radiația Cherenkov, reacțiile chimice, radiația sincrotronică sau sonoluminiscența; dar toate acestea implică interacțiunea a mai multor atomi și astfel nu sunt relevante pentru subiectul nostru.

Pe scurt, în sensul reflexiei, refracției, absorbției și radiației termice, atomii individuali sunt invizibili. În sensul dispersiei Rayleigh și a descărcării electrice în gaze, atomii au culoare.

Bibliografie:
https://www.zmescience.com/
http://wtamu.edu/
https://ro.wikipedia.org