Как объект может поглощать столько длин волн, если их энергии должны соответствовать переходу энергетического уровня электрона?

Ваше непонимание очень распространено, и его довольно легко сделать. По сути, то, с чем студентов обычно знакомят в первую очередь, — это термодинамика идеальных одноатомных газов. Это хорошо, потому что это просто и легко для понимания, но может быть проблематично, потому что свойства, характерные для простого вещества, могут быть неправильно поняты как общие свойства всех веществ.

В идеальном одноатомном газе свет может взаимодействовать либо рассеивая, либо поглощая количество энергии, соответствующее атомному переходу*. Заметим, что в последнем случае фотон поглощается не электроном, а атомом в целом, поскольку атом имеет различные внутренние состояния, соответствующие поглощенной энергии. В результате идеальные одноатомные газы имеют тенденцию быть прозрачными, за исключением нескольких узких** частот.

Теперь рассмотрим молекулярный газ. Точно так же, как у атома есть внутренние состояния, которых нет у электрона, точно так же у молекулы есть внутренние состояния, которых нет у атома. Одни состояния соответствуют электронным переходам в молекуле, другие — вращательным или колебательным модам. Молекулярные электронные переходы в сочетании с молекулярными колебательными и вращательными переходами приводят к возникновению множества линий поглощения, часто образующих непрерывные полосы поглощения, поэтому во многих случаях они визуально непрозрачны.

Теперь рассмотрим твердое тело. Как у молекулы есть состояния, которых нет у атома, так и у твердого тела есть состояния, которых нет у молекулы. Вращательные и колебательные моды получают дополнительные степени свободы и могут действовать на довольно большие группы молекул (например, на фононы). Эти состояния могут иметь уровни энергии, расположенные так близко друг к другу, что они образуют непрерывные полосы, которые называются энергетическими зонами. Любая энергия в полосе будет легко поглощаться. Это делает большинство твердых тел непрозрачными, поскольку они поглощают широкие полосы излучения.

Наконец, когда фотон поглощается, он может повторно излучаться с той же длиной волны, чтобы вернуться в исходное энергетическое состояние. Однако, если доступны другие энергетические состояния, энергия может излучаться и сохраняться на разных энергетических уровнях. Например, ультрафиолетовый фотон может быть поглощен, а видимый фотон может быть испущен вместе с увеличением вращательной степени свободы.

*Даже для идеального одноатомного газа существуют другие менее распространенные механизмы, такие как ионизация и глубоконеупругое рассеяние, но для ясности здесь ими пренебрегают.

**Обратите внимание, что даже для идеального одноатомного газа полосы частот не бесконечно узки, а имеют некоторую ширину. Это вызвано двумя факторами. Во-первых, ширина пиков фундаментально ограничена соотношением неопределенности время-энергия, которое говорит, что$2 \Delta T \ \Delta E \ge \hbar$где$\Delta E$- ширина энергетической зоны и$\Delta T$это время жизни перехода. Во-вторых, случайное тепловое движение газа вызовет доплеровское и барическое уширение полосы частот.

Другие ответы охватывают почти все, но я хотел бы добавить, что при любой температуре выше абсолютного нуля существует степень уширения линии, вызванная доплеровским сдвигом: одни атомы движутся к вам, а другие — прочь, и это будет означать что в вашей системе отсчета они могут поглощать много разных частот света. Это важно в астрономии.

Дейл и Арпад уже дали отличные ответы, но я хочу исправить то, что вы сказали, что также способствует вашему замешательству:

передача происходит, когда энергия падающего фотона не соответствует энергетическому переходу электрона внутри материала. Поэтому фотон не взаимодействует с атомами/электронами и передается через них .

Это утверждение неверно. Реальность более близка к заявлению, которое вы дали в размышлении:

Я считаю, что фотон поглощается атомом, возбуждая электрон. Однако электрон почти сразу же переходит обратно на более низкий энергетический уровень, испуская фотон с той же длиной волны.

Это «мгновенное поглощение» является причиной появления показателя преломления материалов. Чем ближе частота фотона к частоте энергетического перехода в атоме, «тем больше времени он поглощается до повторного излучения», поэтому показатель преломления становится выше, чем ближе вы находитесь к линии поглощения.

Это поглощение энергии и переизлучение называется рэлеевским рассеянием, и переизлученный фотон может быть испущен в любом случайном направлении (с распределением вероятностей, следующим за распределением излучения антенны). Однако, поскольку это происходит в нескольких атомах, волны конструктивно интерферируют только в прямом направлении и деструктивно интерферируют в любом другом направлении. Это прекрасно объясняет Бойд в своей книге по нелинейной оптике:

У вас много вопросов, я отвечу на все, что смогу.

Когда фотон взаимодействует с атомом, могут произойти три вещи:

1. упругое рассеяние, то есть зеркальное отражение, когда фотон сохраняет свой энергетический уровень, фазу и меняет направление

2. неупругое рассеяние, фотон отдает часть своей энергии атому, и меняет направление, нагревает материал

3. поглощение, фотон прекращает свое существование и отдает всю свою энергию поглощающей системе электрон/атом

Теперь вы спрашиваете, почему красный предмет красный. Теперь очень важно понять, что отражение — это упругое рассеяние, а зеркала (большинство металлов) не имеют своего цвета, они просто отражают весь падающий свет. Исключением являются золото и некоторые другие металлы.

Теперь, почему красная стена красная? Это не (просто) отражение, а потому, что большинство падающих фотонов, как вы говорите, поглощаются и переизлучаются. Большинство фотонов, которые переизлучаются, имеют красную длину волны. Какой бы ни была длина волны падающего фотона, поверхность материала такова, что атомы поглощают почти все длины волн (некоторые отражают) и переизлучают красную длину волны. Теперь это естественный солнечный свет, который в основном белый, содержащий комбинацию всех видимых длин волн, и большая часть этих длин волн поглощается, но излучается только красная длина волны.

Но как эта стена делает это? Атомы на поверхности стены обладают способностью поглощать все виды видимых длин волн и при этом излучать волны красного цвета. Система атом/электрон поглощает фотон определенной длины волны, возбуждается. Затем система атом/электрон релаксирует пространственным образом, что может быть многократным излучением фотонов, каскадами и т. д., но в основном излучением с красной длиной волны.

Очень важно понимать, что белая стена будет казаться красной, если на нее посветить красным светом. Что происходит тогда, так это то, что атомы на поверхности поглощают все красные длины волн и повторно излучают то же самое. Стена белого цвета способна на это, атомы способны переизлучать фотоны с той же длиной волны, что и поглощаемые.

В случае стены это диффузное отражение. Зеркала дают зеркальное отражение, то есть упругое рассеяние.

В вашем случае стена диффузно отражает, и большинство фотонов поглощаются и переизлучаются в случайных направлениях. Зеркала, упруго рассеивающие, сохраняющие уровень энергии, фазу и относительный угол фотонов, это единственный способ сохранить зеркальное отображение.

Стена не может этого сделать. Он может переизлучать фотон только в случайных направлениях и переизлучать только определенные длины волн в зависимости от поверхностных атомов стенки. Белая стена способна повторно излучать те же длины волн, что и поглощаемые, в то время как красная стена излучает только красную длину волны, в основном независимо от того, какую длину волны она поглощает.