Есть ли у атома цвет?

Есть ли у атома цвет? Ответ в данном случае зависит от того, как вы определяете «иметь цвет». Термин «цвет» относится к видимому свету с определенной частотой или к смеси частот видимого света. Следовательно, слово «цвет» описывает частотную составляющую любого типа видимого света. Каждый раз, когда присутствует видимый свет, мы можем описать его как имеющий определенный цвет.

Имея это в виду, существует множество различных способов отражения или излучения видимого света объектом. Таким образом, есть много способов, которыми объект может «иметь цвет». Хотя одиночный изолированный атом может отражать или излучать видимый свет несколькими способами, он участвует не во всех.

Если вы определяете «имеющий цвет» очень узко, так что он включает только определенные механизмы, тогда атомы не имеют цвета. Если вы определяете «иметь цвет» более широко, то атомы действительно имеют цвет. Давайте рассмотрим различные способы отражения или излучения видимого света объектом и применим каждый из них к атому.

1. Объемное отражение, преломление и поглощение.

Наиболее распространенный повседневный способ, которым объекты могут посылать видимый свет в наши глаза, — это объемное отражение, преломление и поглощение. Все эти три эффекта являются частью одного и того же физического механизма: взаимодействия внешнего луча света со многими атомами одновременно.

Когда белый свет, содержащий все цвета, попадает на поверхность красного яблока, оранжевые, желтые, зеленые и синие световые волны поглощаются атомами поверхности яблока и преобразуются в тепло, а красные волны в основном отражаются. обратно в наши глаза. Часть света также проходит через кожуру яблока и слегка изгибается при прохождении через нее. Ученые называют эту изогнутую передачу света «преломлением». Некоторые материалы, такие как стекло, пропускают много света, в то время как другие материалы, такие как яблоки, пропускают очень мало.

Ключевым моментом здесь является то, что традиционное отражение, преломление и поглощение представляют собой объемное явление, когда каждый луч света взаимодействует с тысячами или миллионами атомов одновременно. Это имеет смысл, если учесть, что видимый свет имеет длину волны примерно в тысячу раз больше, чем атомы. Видимые световые волны имеют длину от 400 до 700 нанометров, в зависимости от цвета. Напротив, атомы имеют размер около 0,2 нанометров.

Это несоответствие является причиной того, что вы не можете увидеть отдельные атомы в оптический микроскоп. Атомы намного меньше того света, который вы пытаетесь использовать, чтобы их увидеть. Таким образом, цвет объекта, который является результатом традиционного объемного отражения, преломления и поглощения, является результатом того, как несколько атомов связаны и расположены вместе, а не результатом фактического цвета отдельных атомов.

Например, возьмите атомы углерода и свяжите их в решетку алмаза, и вы получите чистые алмазы. Напротив, возьмите атомы углерода и свяжите их в гексагональные плоскости, и вы получите серый графит. Характер связей между многими атомами определяет традиционный цвет материала, а не тип самих атомов. Если у вас вообще нет связей между какими-либо атомами, вы получите одноатомный газ, который невидим (по крайней мере, в соответствии с традиционным отражением, преломлением и поглощением).

Цвет большинства окружающих нас предметов повседневного обихода, от яблок до карандашей и стульев, возникает из-за традиционного объемного отражения, преломления и поглощения. Этот механизм доставки света настолько распространен и интуитивно понятен, что мы могли бы определить «наличие цвета» узко, чтобы включить только этот механизм. Поэтому, имея в виду это узкое определение, отдельный атом слишком мал, чтобы иметь цвет.

2. Тепловое излучение

Если достаточно нагреть пруток железа, он загорится красным. Поэтому можно сказать, что цвет раскаленного железного прутка красный. Однако красный цвет железного стержня в этом случае обусловлен тепловым излучением, которое является механизмом, который сильно отличается от объемного отражения, преломления и поглощения.

В механизме теплового излучения атомы объекта сталкиваются друг с другом с такой силой, что излучают свет. Точнее, столкновения вызывают возбуждение электронов и атомов в более высокие энергетические состояния, а затем электроны и атомы излучают свет, когда они переходят обратно в более низкие энергетические состояния. Поскольку столкновения из-за теплового движения являются случайными, они приводят к возбуждению широкого диапазона энергии.

В результате излучаемое тепловое излучение содержит много цветов, охватывающих широкий диапазон частот. Что интересно в тепловом излучении, так это то, что его цвет больше зависит от температуры объекта, а не от материала объекта. Каждый твердый материал светится красным, если вы можете довести его до нужной температуры без его испарения или химической реакции. Ключ к тепловому излучению заключается в том, что это возникающее свойство взаимодействия многих атомов. Таким образом, отдельный атом не может излучать тепловое излучение. Таким образом, даже если мы расширим определение «имеющий цвет», включив в него тепловое излучение, отдельные атомы все равно не будут иметь цвета.  В этом случае, ответ на вопрос «Есть ли у атома цвет?» отрицательный.

3. Рэлеевское рассеяние.

Более информативно называемое «длинноволновым рассеянием», рэлеевское рассеяние — это когда свет отражается от отдельных атомов и молекул. Но поскольку свет намного больше, чем атомы, рэлеевское рассеяние на самом деле не является «отражением» световой волны от маленькой частицы, такой как атом, а скорее является случаем погружения частицы в электрическое поле световой волны.

Электрическое поле индуцирует колеблющийся электрический диполь в частице, которая затем излучает. Поскольку механизм настолько различен, рэлеевское рассеяние белого света на мелких частицах всегда создает один и тот же широкий диапазон цветов, причем синий и фиолетовый являются самыми сильными. Цвет рэлеевского рассеяния всегда один и тот же (при условии, что падающий свет белый) и в основном не зависит от материала рассеивающего объекта.

Следовательно, отдельный атом действительно имеет цвет в том смысле, что он участвует в рэлеевском рассеянии. Например, атмосфера Земли состоит в основном из небольших молекул кислорода (O₂) и молекул азота (N₂). Эти молекулы расположены настолько далеко друг от друга, что действуют как отдельные изолированные молекулы.

Когда дневной белый солнечный свет попадает на изолированные молекулы воздуха, он рассеивается в соответствии с рассеянием Рэлея, делая небо беловато-голубовато-фиолетовым. Тот факт, что мы можем видеть дневное небо, свидетельствует о том, что небольшие отдельные молекулы могут иметь некоторую форму цвета. Когда мы говорим о маленьких молекулах, когда речь идет о небе, тот же принцип применим к отдельным атомам. При правильном понимании цвет в рэлеевском рассеянии больше зависит от самого взаимодействия, чем от реальных типов участвующих атомов. То, что небо голубое, не обязательно означает, что атомы азота голубые. Рамановское рассеяние встречается гораздо реже, чем рассеяние Рэлея, но почти идентично в контексте этого обсуждения. Рамановское рассеяние отличается тем, что часть энергии падающего света теряется внутри частицы, так что рассеянный свет смещается ниже по частоте.

4. Газовый разряд

Газовый разряд (например, неоновый свет), возможно, является механизмом, который лучше всего соответствует представлению об отдельном атоме, «имеющем цвет». Газовый разряд — это то, что происходит, когда вы берете чистые атомы, изолируете их друг от друга в газовом состоянии с низкой плотностью, а затем возбуждаете их с помощью электрического тока.

Когда атомы выводятся из возбуждения, они излучают видимый свет. Ключевым моментом здесь является то, что конкретный атом может возбуждаться, высвечиваться и излучать свет только определенным образом. Это приводит к тому, что цвет атома во время газового разряда очень сильно зависит от типа задействованного атома. Частотный спектр атома во время газового разряда считается цветным «отпечатком пальца» этого конкретного типа атома.

Например, настоящие неоновые вывески всегда красные, потому что сами атомы неона красные под газовым разрядом. Атомы аргона в газовом разряде имеют бледно-лиловый цвет, атомы натрия желтые, а атомы ртути синие. Многие цвета, создаваемые «неоновыми» огнями, достигаются путем смешивания разных газов. «Испытание пламенем», используемое в химии для обнаружения определенных атомов, по сути, представляет собой менее контролируемую и менее чистую версию газоразрядной лампы.

Обратите внимание, что флуоресценция (например, в люминесцентной лампочке), фосфоресценция и излучение газового лазера похожи на газовый разряд, поскольку они включают возбуждение электронов в отдельных атомах или простых молекулах. В отличие от газового разряда, который заставляет атом излучать все свои характерные цвета; флуоресценция, фосфоресценция и лазерное излучение включают использование определенных переходов, так что излучаются только определенные атомные цвета. С точки зрения определения цвета атомов они могут рассматриваться как частные случаи газового разряда.

Есть много других способов, которыми объект или материал могут излучать или отражать видимый свет; например, через полупроводниковую электронно-дырочную рекомбинацию (в светодиодах), черенковское излучение, химические реакции, синхротронное излучение или сонолюминесценцию; но все они связаны с взаимодействием множества атомов или вообще без атомов и поэтому не имеют отношения к текущему вопросу.

Есть ли у атома цвет?

В итоге: в смысле традиционного отражения, преломления, поглощения и теплового излучения отдельные атомы невидимы. В смысле рэлеевского рассеяния и газового разряда атомы имеют цвет.