«Фотоны занимаются тем, что харасят электроны» — как работает цвет в квантовой физике

Квантовая физика, Космос, Физика

Почему предметы имеют цвет?

(Расшифровка этого видео: https://arbuzery.ru/watch/kak-rabotaet-tsvet-s-tochki-zreniya-kvantovoj-fiziki/)

О, ребята, тут еще добавка про зеркала.

Почему отражение зеркала имеет те же цвета, что и предметы

Меня всю дорогу мучил вопрос: если зеркала работают по принципу поглощения фотонов и потом их переиспускания, то почему мы видим те же самые цвета в отражении? Электрон поглощает фотон, перескакивает на другой уровень, потом падает обратно на свой и испускает фотон. У этого фотона должен быть уже меньший заряд — энергия-то уже потрачена! А энергия света — это цвет! То есть мы должны подходить к зеркалу, например, в зеленой майке, а в отражении видеть красную.

Но этого же не происходит.

Оказывается, я совершенно забыла, что в металле у нас есть свободные электроны!

(синенькие — это свободные электроны. На нижней картинке — упорядоченный ток)

Эти электроны УЖЕ свободны, они болтаются там сами по себе, между атомами. Им не нужна энергия для того, чтобы оторваться от атома, то есть — чтобы потратить её.

Как работают заряженные частицы и электромагнетизм

Для начала: как работают заряженные частицы. Если электрон находится в покое — вокруг него статичное электрическое поле. Но как только он приходит в движение, то сразу инициирует вокруг себя магнитное поле.

Магнитное поле Земли-то откуда берется?

Жидкое металлическое ядро нашей Земли внутри вращается и работает как динамо-машина, то есть там электроны идут по кругу и инициируют вокруг себя магнитное поле.

Так вот, один электрон формируют вокруг себя магнитное поле. Магнитное поле инициирует электрическое, электрическое — магнитное, магнитное — электрическое, и так до бесконечности.  Так и появляется электромагнитная волна. Например, ток — это электромагнитная волна.

Электроны пошли в определенном направлении, — и всё! Пошла туда электромагнитная волна. Электроны идут медленно, а волна идет со скоростью света!

Отвлеклась.

Электроны могут двигаться по-другому. Они могут вибрировать, то есть находиться как бы примерно в одном месте, но раскачиваться. И вот смотрите, что происходит.

Фотон имеет определенный цвет. Кто не знает так же, как я раньше — белых фотонов не бывает. Я думала, что каждый фотон содержит в себе все волны. Нет. Каждый фотон имеет одну длину волны, то есть это либо красный фотон, либо синий, либо зеленый и т.п.

У каждого цвета есть, соответственно, определенная частота и определенная амплитуда, определенная длина волны. Голубенький — такой длины, красненький — такой.

Длины волн в зависимости от цвета

И когда луч света, то есть фотон, попадает в свободный электрон, что начинает делать электрон?

Он, как на лошади, начинает на нем скакать. Осциллировать это называется. То есть идет волна, и электрон на ней скачет вверх-вниз. А в итоге вокруг него начинают инициироваться вот эти поля — магнитное-электрическое, магнитное-электрическое.

Но они начинают вибрировать с такой же частотой, как частота этого фотона!

То есть испущенная электроном электромагнитная волна имеет точно такую же частоту, что и фотон, что и попавший в него свет. И поэтому отражение в зеркале такого же цвета, что и предмет!

Это то, что касается зеркал.

Квантовые точки

Вернемся к предметам и их цветам.

Вы представляете, оказывается, существует два объяснения: есть классическая физика, то есть электромагнетизм, видимо, Максвелла, а есть электромагнетизм уже квантовый. И два этих объяснения объясняют все по-разному.

Но мне ближе квантововое, потому что — квантовые точки!

Помните, я рассказывала, что наш учёный получил Нобелевскую премию в 2023 году. В прошлом году получил Нобелевку за квантовые точки. Он эти квантовые точки придумал аж в 80-х годах прошлого века! Представляете, еще когда в СССР работал! Но он уже много лет в США работает. И вот, наконец, награда нашла героя.

Алексей Екимов, нобелевский лауреат. Нобелевская премия 2023 года в области химии

Так вот, объясняю принцип работы квантовых точек, благодаря которому вы поймете, как вообще это работает — излучение цвета.

Квантовые точки — это такие искусственные молекулы. Синтетические молекулы.

Они состоят из атомов. Атомы состоят из ядра, а вокруг электроны. У всех атомов разное расстояние между ядром и каждым следующим энергетическим уровнем, на котором находятся электроны.

Мне очень сложно это все понять в современных концепциях того, как сейчас электроны представляют:

Ну если знать типы стоячих волн, которые образуют электроны, то немного понятно ))

Поэтому я все время обращаюсь к старой доброй модели Бора.

Тут все понятно. Есть орбиты, на которых находятся электроны, и есть расстояние между этими орбитами. Сейчас это называется «оболочки», а не орбиты. Не путайте с орбиталями! Это вообще другое.

Так вот, между этими оболочками определенное расстояние. И именно это расстояние определяет квантование.

Что такое квантование? Это то, что электрон может перескакивать только с одного уровня на другой. Преодолевать именно определенное расстояние.

Ну это как вы едете на лифте с этажа на этаж — вы можете выйти только на этаже. Вы не можете зависнуть — выйти из лифта и зависнуть в воздухе между перекрытиями.

Также и электрон — он перескакивает с уровня на уровень. А для того, чтобы перескочить — ему нужно определенное количество энергии. Именно определенный квант.

Энергетические уровни внутри молекулы из 2 атомов натрия

И вот, например, на эту квантовую точку начинают светить светом. Чем больше эту точку сжимают, тем больше она светится в ответ синим, голубым, потом вообще бело-голубым. Чем больше точку расширяют, тем больше она становится красной.

Чем это определяется?

Когда мы сжимаем точку, получается, что расстояние между этажами — между энергетическими уровнями, — тоже сокращается. И кстати, одновременно же увеличивается притяжение между ядром и электронами! Поэтому, чтобы выскочить на более высокий уровень, или вообще вырваться оттуда, электрону нужно больше энергии.

И смотрите, как это великолепно взаимосвязано: больше энергии для света это более короткая длина волны! И это как раз та длина волны, которая пролезает между этими энергетическими уровнями. Ну это же какая-то магия вообще взаимосвязи!

То есть электрон поглощает фотон определенной энергии, перескакивает на более высокий уровень, а когда проваливается обратно, он способен испустить фотон только той длины волны, которая пролезет туда, между этими этажами. То есть она должна быть определенного квантованного уровня.

И маленькая точка испускает голубой свет, а в большую между этажами длинная волна влезает — красная, например, и поэтому она красным светится.

Итак, мы поняли взаимосвязь между величиной атома, между расстояниями и тем, какие цвета этот атом способен поглощать и испускать.

Почему небо голубое?

Нил Деграсс Тайсон (астрофизик) по тому же принципу объясняет, почему небо голубое.

В атмосфере сами молекулы воздуха, сами атомы, такие маленькие, что они могут рассеивать только голубой свет. Так вот, когда Солнце светит на нас, проходят солнечные лучи сквозь атмосферу, то электроны поглощают голубенькие фотоны. Переиспускают их, и происходит рассеяние. То есть во все стороны идет переизлучение голубых волн. А остальные цветовые волны проходят насквозь.

И вот поэтому, мне кажется, у нас есть иллюзия, что солнце желтое. Ну по вечерам-то это уже не иллюзия!

Когда фотоны проходят уже сквозь атмосферу по вечерам, как бы параллельно Земле, толща преодолеваемого воздуха гораздо больше, чем если сверху светить. Поэтому голубой по пути рассеивается полностью. Он до нас не доходит. А доходят до нас только желтые, красные волны.

Прозрачность

Отсюда нам становится еще понятна прозрачность. Чем больше расстояние между молекулами, тем большее количество фотонов может пройти насквозь, не наткнувшись ни на что.

Если взять воду или какие-то жидкости — чем более плотная жидкость, тем атомы в ней плотнее друг к другу. Но все равно часть фотонов проходит насквозь, поэтому жидкость прозрачная.

Различные расстояния между молекулами воды в ее разных состояниях, снизу вверх: холодная, тёплая, лёд

Другая часть уже отражается. Scattering происходит — рассеяние. Поэтому вода может быть голубоватая, зеленоватая, ну или коричневая — это когда уже частички грязи, они же крупные, и они отражают другой цвет.

Плотные предметы и цвет

И отсюда мы плавно переходим к непрозрачным предметам.

Так как разные материалы состоят из разных соединений молекул, а там столько всего понамешано — всяких соединений, и все атомы разные, разного размера. А это значит, что каждый атом будет поглощать, а потом испускать определенный цвет.

И вот, например, один испускает зеленый, а другой рядом испускает синий. И в целом мы получаем цвет морской волны. Или один испускает желтый, другой красный. В целом мы получаем оранжевый.

Мне понравилась, как одна индийская физичка сказала:

«Фотоны занимаются тем, что харасят электроны»

Харассмент — это сексуальные домогательства на рабочем месте. То есть ходят эти фотоны и пристают к электронам: «Давай повибрируем!»

В общем, некоторые фотоны попадают в электроны, те начинают либо а осциллировать, либо поглощать-переиспускать, прыгать с уровня на уровень. Вот так мы получаем цвет, который мы видим.

Но что с остальным спектром?

Часть фотонов, увы, не встречает свои вторые половинки, все атомы их отвергают. И тогда эти фотоны начинают просто толкотню между атомами. Как бодрые такие заходят в метро и давай всех локтями распихивать. А к чему это приводит? К тому, что атомы начинают от злости закипать.

И вот мы получаем с вами преобразование энергии света в энергию тепла!

Предметы начинают, нагреваться. Пляж нагреется за день, а потом ночь наступит, и радиация пошла — тепловое излучение. Камни остывают.

Но там, ребята, происходит еще куча всего! Потому что излучений этих тыща! Ну не тысяча, конечно, но там же всякие невидимого спектра: радиоволны, UF-излучение, микроволны, какие-нибудь выбитые электроны от ядра — это уже рентгеновское излучение. Поэтому все эти крутые телескопы, которые снимают галактики, они, оказываются, снимают их в разных спектрах, чтобы мы могли посмотреть. И по этим спектрам учёные-то и понимают, из каких молекул состоят звездные скопления, потому что разные молекулы дают разные излучения.

Галактика, снятая в разных спектрах — от ультрафиолетового в левом нижнем углу до инфракрасного в нижнем правом

 

Крабовая туманность в спектрах слева направо, сверху вниз: радиоволны, инфракрасная радиация, видимый спектр, ультрафиолетовая радиация, низкоэнергетический рентген (Chandra), высокоэнергетический рентген (HEFT) — 15-минутная выдержка

Цвет и зрение

То, как наше зрение работает — это, конечно, вообще отдельная история. Но мне понравились следующие две картинки.

Вот здесь две банки разного цвета. И нам кажется, что правая синего цвета. На самом деле здесь нет синего пигмента вообще, в этой банке использованы только серые оттенки. Но вы представляете, какой у нас потрясающий мозг?!? Он распознает, что сцена освещена оранжевым светом и достраивает картинку. То есть он дает нам понять, что банка синяя.

И вот еще интересно про желтую машину.

Мы можем подумать, что она желтая, потому что она излучает только желтый цвет. На самом деле она излучает весь спектр, указанный на картинке.

А если мы оставим только желтый, то выглядит она вот так, такого болотного цвета:

 

(Частично по материалам Quora)

Кому интересно про электромагнетизм электронов (в частности про осцилляцию), мне кажется — тут с точки зрения классической физики: