¿Cómo puede un objeto absorber tantas longitudes de onda, si sus energías deben coincidir con una transición de nivel de energía de un electrón?

Question

Creo que tengo un malentendido de algunos principios, pero no he podido, ni siquiera a través de bastante investigación, entender este problema.

Mi comprensión actual de la transmisión, la reflexión y la absorción es la siguiente:

La transmisión se produce cuando la energía de un fotón incidente no se corresponde con la transición energética de ningún electrón dentro del material. Por lo tanto, el fotón no interactúa con los átomos/electrones y se transmite a través de ellos.

La absorción se produce cuando la energía del fotón incidente es exactamente igual a la de la transición energética de un electrón. El fotón es absorbido y excita un electrón a un estado superior.

Reflexión Siento que mi comprensión es defectuosa, ya que he leído múltiples puntos de vista diferentes. Creo que un fotón es absorbido por un átomo, excitando un electrón. El electrón, sin embargo, vuelve a pasar casi inmediatamente a un nivel de energía inferior, emitiendo un fotón de idéntica longitud de onda.

Mi pregunta sobre la reflexión es:

• ¿Por qué algunas longitudes de onda son absorbidas e inmediatamente reemitidas? Supongo que se debe a que el electrón se encuentra en un tipo de estado inestable y, por tanto, vuelve a su nivel de energía anterior.

Dado un objeto sólido que nos parece rojo (por lo tanto, refleja longitudes de onda entre 625 y 740 nm), ¿cómo es posible que todas las demás longitudes de onda incidentes sean absorbidas? Deben ser absorbidas, ya que la única longitud de onda que se refleja está en el rango del "rojo", y puedo ver claramente que no hay luz visible que se transmita a través del objeto. Sin embargo, según mis conocimientos, las longitudes de onda sólo pueden ser absorbidas si corresponden a la transición energética de un electrón, lo que no es el caso de todas las longitudes de onda del espectro visible.

¿Cómo es posible entonces que sean absorbidos? Además, si el electrón se excita a un nivel superior, ¿se limita a almacenar la energía? ¿Toma forma térmica?

Supongo que tal vez no pueda aplicar sin más estos principios de absorción, que me enseñaron sólo en relación con un solo átomo, a un cuerpo complejo formado por miles de millones de átomos. ¿Podría alguien explicarme mejor mis dudas sobre la absorción y la reflexión? Muchas gracias.

Answer 1

Su malentendido es muy común y bastante fácil de cometer. Básicamente, lo primero que se presenta a los estudiantes es la termodinámica de los gases monoatómicos ideales. Esto es bueno porque es simple y fácil de entender, pero puede ser problemático porque las características específicas de la sustancia simple pueden ser malinterpretadas como características generales de todas las sustancias.

En un gas monoatómico ideal la luz puede interactuar bien por dispersión o bien por absorción de una cantidad de energía correspondiente a una transición atómica*. Obsérvese que en este último caso el fotón no es absorbido por el electrón sino por el átomo en su conjunto, ya que el átomo tiene diferentes estados internos correspondientes a la energía absorbida. En consecuencia, los gases monoatómicos ideales tienden a ser transparentes, excepto en unas pocas frecuencias**.

Ahora, considera un gas molecular. Al igual que un átomo tiene estados internos que un electrón no tiene, una molécula tiene estados internos que un átomo no tiene. Algunos estados corresponden a transiciones electrónicas en la molécula, pero otros corresponden a modos rotacionales o vibracionales. Las transiciones electrónicas moleculares, combinadas con las transiciones vibracionales y rotacionales moleculares, dan lugar a una multitud de líneas de absorción, formando a menudo bandas de absorción continuas, por lo que muchas veces éstas no son visiblemente transparentes.

Ahora, considera un sólido. Al igual que una molécula tiene estados que no tiene un átomo, un sólido tiene estados que no tiene una molécula. Los modos rotacional y vibracional adquieren grados de libertad adicionales y pueden actuar sobre grupos bastante grandes de moléculas (por ejemplo, los fonones). Estos estados pueden tener niveles de energía tan espaciados que forman bandas continuas, y se denominan bandas de energía. Cualquier energía en la banda será fácilmente absorbida. Esto hace que la mayoría de los sólidos sean opacos, ya que absorben bandas anchas de radiación.

Por último, cuando un fotón es absorbido puede ser reemitido en la misma longitud de onda para volver al estado energético original. Sin embargo, si hay otros estados energéticos disponibles, la energía puede ser emitida y retenida en diferentes niveles energéticos. Por ejemplo, un fotón UV podría ser absorbido y un fotón visible podría ser emitido junto con un aumento de un grado de libertad rotacional.

*Incluso para un gas monoatómico ideal existen otros mecanismos menos comunes como la ionización y la dispersión inelástica profunda, pero para mayor claridad estos se desestiman aquí.

**Nótese que incluso para un gas monoatómico ideal las bandas de frecuencia no son infinitamente estrechas sino que tienen cierta amplitud. Esto se debe a dos factores. En primer lugar, la anchura de los picos está fundamentalmente limitada por la relación de incertidumbre tiempo-energía que dice que $2 \Delta T \ \Delta E \ge \hbar$ donde $\Delta E$ es la anchura de la banda de energía y $\Delta T$ es la duración de la transición. En segundo lugar, el movimiento térmico aleatorio del gas provocará un ensanchamiento Doppler y de la presión de la banda de frecuencias.

Answer 2

Las otras respuestas cubren casi todo, pero me gustaría añadir que a cualquier temperatura por encima del cero absoluto, hay un grado de ensanchamiento de la línea causado por el desplazamiento Doppler: algunos de los átomos se mueven hacia ti, y otros se alejan, y eso significará que en tu marco de referencia pueden absorber muchas frecuencias diferentes de luz. Esto es importante en astronomía.

Answer 3

Dale y Arpad ya han dado grandes respuestas, pero quiero corregir algo que has dicho y que también contribuye a tu confusión:

La transmisión se produce cuando la energía de un fotón incidente no se corresponde con la transición energética de ningún electrón dentro del material. Por lo tanto, el fotón no interactúa con los átomos / electrones y se transmite a través de .

Esta afirmación no es correcta. La realidad se aproxima más a la afirmación que has dado en la reflexión:

Creo que un fotón es absorbido por un átomo, excitando un electrón. El electrón, sin embargo, vuelve a pasar casi inmediatamente a un nivel de energía inferior, emitiendo un fotón de idéntica longitud de onda.

Esta "absorción momentánea" es la que hace surgir el índice de refracción de los materiales. Cuanto más cerca esté la frecuencia del fotón de la frecuencia de una transición de energía en un átomo, "más tiempo pasa absorbido hasta ser reemitido", esta es la razón por la que el índice de refracción se hace más alto cuanto más cerca esté de una línea de absorción.

Esta absorción de energía y reemisión se denomina dispersión de Rayleigh, y el fotón reemitido puede ser emitido en cualquier dirección aleatoria (con la distribución de probabilidad siguiendo la distribución de radiación de la antena). Sin embargo, como esto ocurre en múltiples átomos, las ondas interfieren constructivamente sólo en la dirección de avance, e interfieren destructivamente en cualquier otra dirección. Esto lo explica maravillosamente Boyd en su libro de óptica no lineal:

Answer 4

Tienes muchas preguntas, responderé a todas las que pueda.

Cuando un fotón interactúa con un átomo, pueden ocurrir tres cosas:

1. la dispersión elástica, es decir, la reflexión en el espejo, se produce cuando un fotón mantiene su nivel de energía, su fase y cambia de dirección

2. la dispersión inelástica, el fotón cede parte de su energía al átomo y cambia de dirección, calienta el material

3. absorción, el fotón deja de existir y cede toda su energía al sistema electrón/átomo absorbente

Ahora se pregunta por qué un objeto rojo es rojo. Ahora es muy importante entender que la reflexión es una dispersión elástica, y los espejos (la mayoría de los metales) no tienen su propio color, sólo reflejan toda la luz incidente. El oro y algunos otros metales son excepciones.

Ahora bien, ¿por qué una pared roja es roja? No es (sólo) por reflexión, sino porque la mayoría de los fotones incidentes son, como dices, absorbidos y reemitidos. La mayoría de los fotones que se reemiten son de longitud de onda roja. Sea cual sea la longitud de onda del fotón incidente, la superficie del material es tal, que los átomos absorben casi todas las longitudes de onda (reflejan algunas), y reemiten la longitud de onda roja. Ahora bien, esto es por la luz solar natural, que es mayormente blanca, que contiene una combinación de todas las longitudes de onda visibles, y la mayoría de estas longitudes de onda se absorben, pero sólo la longitud de onda roja se emite.

Pero, ¿cómo lo hace este muro? Los átomos de la superficie de la pared tienen esta capacidad de absorber todo tipo de longitudes de onda visibles, y seguir emitiendo longitudes de onda rojas. El sistema átomo/electrón absorbe un fotón de cierta longitud de onda, se excita. Luego, el sistema de átomos/electrones se relaja de una manera espacial, que podría ser la emisión de múltiples fotones, cascadas, etc., pero sobre todo emitiendo longitud de onda roja.

Es muy importante entender que una pared blanca aparecerá de color rojo, si se ilumina con luz roja. Lo que ocurre entonces es que los átomos de la superficie absorben todas las longitudes de onda rojas y las reemiten. La pared de color blanco es capaz de hacer eso, los átomos son capaces de reemitir los mismos fotones de longitud de onda que absorbieron.

En el caso de la pared, se trata de una reflexión difusa. Los espejos, hacen reflexión especular, que es dispersión elástica.

En su caso, la pared hace una reflexión difusa, y la mayoría de los fotones son absorbidos y reemitidos en direcciones aleatorias. Los espejos, la dispersión elástica, el mantenimiento del nivel de energía, la fase y el ángulo relativo de los fotones, esta es la única manera de mantener una imagen de espejo.

El muro no puede hacer eso. Sólo puede reemitir el fotón en direcciones aleatorias, y sólo reemite ciertas longitudes de onda dependiendo de los átomos de la superficie de la pared. Una pared blanca es capaz de reemitir las mismas longitudes de onda que absorbió, mientras que una pared roja sólo emite longitudes de onda rojas, en su mayor parte, independientemente de la longitud de onda que absorba.