Цвет, прозрачность и квантовая механика⁠⁠

Предисловие: длинные посты с квантовыми абстракциями малоинтересны, поэтому сегодня более прикладная тема. Посмотрим, почему яблоки зелёные, металлы блестят, а стекло прозрачное с точки зрения квантовой механики. Длиннопост (как неожиданно).

Для сегодняшнего рассказа мы вспомним, что всё окружающее нас вещество состоит из молекул, молекулы состоят из атомов, а атомы состоят из протонов и нейтронов в ядре и электронов вокруг ядра. Именно электроны становятся героями сегодняшнего дня.

Электроны не просто так свалены в кучу где-то рядом с ядром - у каждого из них есть своё место. Ещё со школьных времён все помнят эту картинку и упражнения:

Руки-то помнят...

Сначала мы заполняем нижние уровни, потом уровни повыше и так далее. Частицы стремятся в состояние с наименьшей энергией, а чем ближе к ядру, тем меньше энергии нужно, чтобы там остаться. Можно сравнить с полётами в космос: чтобы просто стоять на Земле, никакой энергии не нужно; чтобы выйти на орбиту вокруг Земли, нужна кинетическая энергия, то есть нужно разогнать тело до минимальной скорости; чтобы улететь куда-нибудь в Солнечной системе, энергии нужно больше, то есть скорость должна быть выше.

Но постойте - это же 8 класс химии, где тут квантовая механика? Квантовая механика говорит нам, что электрон может подняться на уровень повыше, если поглотит квант энергии, или скатиться ниже, если квант энергии отдаст. Причём, чем больше энергии будет у фотона, тем на более высокий уровень может подняться электрон. Фиолетовое излучение обладает большей энергией, чем красное, поэтому поглощение такого фотона отправит электрон на уровень выше, чем поглощение красного. Верно и обратное - чем ниже электрон скатится, тем больше энергии будет у фотона. Уровень электрона, ниже которого он уже упасть не может, называется основным уровнем, а все уровни с большей энергией - возбуждёнными.

Все фотоны отправляются в horny jail

Более того, квантовая механика говорит нам, что не каждый фотон может быть поглощён. Если энергетического уровня, куда может прыгнуть электрон, для данного атома нет, то такой фотон не будет поглощён электроном. Фотон, так как является квантом электромагнитной волны, всё ещё может взаимодействовать с электрическим полем электрона с изменением своей энергии. Или с атомами и молекулами в целом, если они значительно меньше его длины волны, без изменения своей энергии. Всё это приводит к рассеянию излучения, то есть изменению траектории фотона.

Вышеописанное верно для одинокого сферического атома в вакууме. Однако, реальный мир устроен несколько сложнее. Когда несколько атомов собираются вместе, они начинают влиять друг на друга своими электромагнитными полями, что приводит к увеличению числа энергетических уровней. Когда атомом становится слишком много и близко друг к другу (как в реальном теле), отличить один уровень от другого практически невозможно, и их называют зонами. Те зоны, где никаких электронов нет и быть не может, называются запрещёнными.

Научные сотрудники поздравляют друг друга с успешным завершением долгого эксперимента.

Также из-за усложнения системы, электрон может потратить энергию не на генерацию фотона, а на взаимодействие с другими электронами, своим или соседним ядром, если этот вариант допустим с точки зрения распределения энергии. Это позволит увеличить энергию движения атома, то есть температуру тела.

Резюмируя:

• фотон может быть поглощён веществом, а затем излучён;

• фотон может быть поглощён веществом, и его энергия перейдёт телу;

• фотон не может быть поглощён;

• фотон будет рассеян на атоме или молекуле.

Конечно, эти процессы могут происходить в одном теле одновременно, так как оно не состоит из атомов одного типа, равномерно распределённых в пространстве, или не происходить вовсе, если фотон на своём пути не встретил ни одного атома из-за малой плотности вещества или его малой толщины. Тем не менее, этих знаний будет достаточно, чтобы ответить на вопросы из начала поста.

• Если фотоны не поглощаются и слабо рассеиваются, то такое вещество будет прозрачным. Например, стекло прозрачное в видимом диапазоне, так как вещество не может поглотить фотоны с такой энергией, но поглощает излучение, например, в ультрафиолетовом диапазоне. Причём, можно заметить, что чем толще стекло, тем более размытое изображение за ним, точно также, как размыты дальние объекты в воздухе. Это означает, что стекло, как и воздух, слабо рассеивает излучение. В пользу этого также говорит возможность использовать даже оконное стекло, как зеркало, если за ним что-то поглощающее (тёмный двор, например) - часть рассеянных фотонов долетает обратно к нам, и мы можем их увидеть на контрасте с тёмным фоном.

• Если фотоны поглощаются, но часть энергии уходит телу, а часть излучается, то такое вещество будет иметь цвет тех фотонов, которые излучаются. Зелёное яблоко поглощает все фотоны, но излучает только зелёные, энергия остальных остаётся у яблока, нагревая его. Чем меньше диапазон излучённых длин волн, тем насыщеннее будет цвет.

• Если фотоны всех длин волн поглощаются, и их энергия полностью остаётся у тела, то такое вещество будет чёрным. Именно поэтому чёрные вещи быстрее нагреваются на солнце, потому что они не могут излучить энергию обратно. Самоё чёрное вещество поглощает 99.965% всего излучения за счёт своей структуры преобразуя всю энергию фотонов в тепло.

• Если же фотоны всех длин волн поглощаются и излучаются, то такое вещество будет белым. Причём, стоит различать "белое" и "зеркальное", вспоминая про рассеяние на малых объектах. Чем более однородная структура поверхности вещества, тем больше направленного рассеяния будет, тем более зеркальная будет поверхность. Так, например, срез металла в большей степени белый, так как у металлов много энергетических уровней, и они могут излучать широкий спектр фотонов, и блестящий из-за рассеяния на хаотичных неровностях. При шлифовке поверхности, она становится более однородной, рассеяние лучше направлено, металл становится отражающим.

Надеюсь, эта тема окажется более интересна и применима к реальности.