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

Su malentendido es muy común y bastante fácil de hacer. Básicamente, lo primero que se suele introducir 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 malinterpretarse como características generales de todas las sustancias.

En un gas monoatómico ideal, la luz puede interactuar dispersándose o absorbiendo una cantidad de energía correspondiente a una transición atómica*. Nótese que en este último caso el fotón no es absorbido por el electrón sino por el átomo como un todo porque el átomo tiene diferentes estados internos correspondientes a la energía absorbida. Como resultado, los gases monoatómicos ideales tienden a ser transparentes excepto en unas pocas frecuencias estrechas**.

Ahora, considere un gas molecular. Así como un átomo tiene estados internos que un electrón no tiene, de manera similar una molécula tiene estados internos que un átomo no tiene. Algunos estados corresponden a transiciones de electrones en la molécula, pero otros corresponden a modos rotacionales o vibratorios. Las transiciones electrónicas moleculares combinadas con las transiciones vibratorias y rotacionales moleculares dan lugar a una multitud de líneas de absorción, a menudo formando bandas de absorción continuas, por lo que muchas veces estas no son visiblemente transparentes.

Ahora, considere un sólido. Así como una molécula tiene estados que un átomo no tiene, de manera similar un sólido tiene estados que una molécula no tiene. Los modos rotacional y vibratorio ganan grados de libertad adicionales y pueden actuar sobre grupos bastante grandes de moléculas (por ejemplo, fonones). Estos estados pueden tener niveles de energía que están tan próximos entre sí que forman bandas continuas y se denominan bandas de energía. Cualquier energía en la banda se absorberá fácilmente. Esto hace que la mayoría de los sólidos se vuelvan opacos, ya que absorben amplias bandas de radiación.

Finalmente, cuando se absorbe un fotón, puede volver a emitirse a la misma longitud de onda para volver al estado de energía original. Sin embargo, si hay otros estados de energía disponibles, la energía se puede emitir y retener en diferentes niveles de energía. Por ejemplo, se podría absorber un fotón UV y se podría emitir un fotón visible junto con un aumento en el grado de libertad de rotación.

*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 descuidan aquí.

**Tenga en cuenta que incluso para un gas monoatómico ideal, las bandas de frecuencia no son infinitamente estrechas, pero tienen cierta amplitud. Esto es causado por dos factores. Primero, el ancho de los picos está fundamentalmente limitado por la relación de incertidumbre tiempo-energía que dice que$2 \Delta T \ \Delta E \ge \hbar$dónde$\Delta E$es el ancho de la banda de energía y$\Delta T$es el tiempo de vida de la transición. En segundo lugar, el movimiento térmico aleatorio del gas provocará el Doppler y la ampliación de la presión de la banda de frecuencia.

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

Dale y Arpad ya dieron excelentes respuestas, pero quiero corregir algo que dijiste que también contribuye a tu confusión:

la transmisión ocurre cuando la energía de un fotón incidente no corresponde a la transición de energía 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 acerca más a la afirmación que diste en la reflexión:

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

Esta "absorción momentánea" es lo que hace que surja el índice de refracción de los materiales. Cuanto más se acerca la frecuencia del fotón a la frecuencia de una transición de energía en un átomo, "más tiempo pasa absorbido hasta que se vuelve a emitir", es por eso que el índice de refracción aumenta cuanto más cerca se está de una línea de absorción.

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

Tienes muchas preguntas, responderé todas las que pueda.

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

1. la dispersión elástica, es decir, la reflexión especular, es cuando un fotón mantiene su nivel de energía, fase y cambia de dirección

2. 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 absorbente electrón/átomo

Ahora estás preguntando 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, simplemente reflejan toda la luz incidente. El oro y algunos otros metales son excepciones.

Ahora, ¿por qué una pared roja es roja? No es (solo) la reflexión, sino porque la mayoría de los fotones incidentes son, como usted dice, absorbidos y reemitidos. La mayoría de los fotones que se vuelven a emitir son de longitud de onda roja. Cualquiera que 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 vuelven a emitir la longitud de onda roja. Ahora bien, esto es por la luz solar natural, que es en su mayoría blanca, que contiene una combinación de todas las longitudes de onda visibles, y la mayoría de estas longitudes de onda se absorben, pero solo se emite la longitud de onda roja.

Pero, ¿cómo hace esto este muro? Los átomos en la superficie de la pared tienen la 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 átomo/electrón se relaja de manera espacial, que podría ser una emisión de múltiples fotones, cascadas, etc., pero principalmente emitiendo longitudes de onda rojas.

Es muy importante comprender que una pared blanca se verá roja si la iluminas con una luz roja. Lo que sucede entonces es que los átomos en la superficie absorben todas las longitudes de onda rojas y vuelven a emitir las mismas. La pared de color blanco es capaz de hacer eso, los átomos pueden volver a emitir fotones de la misma 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 difunde la reflexión y la mayoría de los fotones se absorben y se vuelven a emitir en direcciones aleatorias. Espejos, dispersión elástica, manteniendo el nivel de energía, la fase y el ángulo relativo de los fotones, esta es la única forma de mantener una imagen especular.

La pared no puede hacer eso. Solo puede volver a emitir el fotón en direcciones aleatorias y solo puede volver a emitir ciertas longitudes de onda dependiendo de los átomos de la superficie de la pared. Una pared blanca puede volver a emitir las mismas longitudes de onda que absorbió, mientras que una pared roja solo emite longitudes de onda rojas, independientemente de la longitud de onda que absorba.