¿Por qué los objetos son opacos?

Gran pregunta - respuesta parcial.

Gran parte de la opacidad de la mayoría de los objetos se debe a una combinación de dispersión y absorción. En discontinuidades en el índice de refracción, la luz tiene una probabilidad de refractarse o reflejarse. Cuando agrega, por ejemplo, partículas de dióxido de titanio a la pintura, crea muchos puntos de dispersión pequeños. Esto es lo que hace que la pintura blanca (y el papel, etc.) parezcan "blancas": los fotones se dispersan hasta que vuelven a salir.

Ahora el color es el resultado de diferentes probabilidades de dispersión y absorción. Cuando un fotón trata de salir de la superficie (para cualquier reflexión no especular, esto generalmente implica múltiples interacciones), tiene la posibilidad de excitar un electrón (ya sea el electrón que pertenece a un átomo, o más probablemente el electrón que es compartido entre los átomos de una molécula como parte de su enlace) y ser absorbido. Ahora, a menudo, este electrón excitado tiene muchas formas diferentes de perder su energía nuevamente: si fue excitado del estado A al B, no tiene que hacer la transición de regreso de B a A, pero podría ir a algún estado (intermedio) C en cambio.

Y al hacerlo, el color de la luz cambia...

Si no está familiarizado con el tema, este enlace (wiki) puede brindarle un conocimiento básico de lo que sucede en un átomo simple de H, y luego puede ampliarlo a través de artículos relacionados.

Todas sus 4 preguntas están relacionadas, y agregué [0-] a la declaración en su premisa:

Los fotones en todas las frecuencias que golpean un objeto son absorbidos de diferentes maneras (absorbidos, reflejados, refractados, dispersados, transformados en energía térmica) por los átomos , no solo [0-] por los electrones .

Los electrones (1-) no se quedan en el mismo estado, siguen saltando a diferentes niveles de excitación y bajando de nuevo al estado (2-) original.

(3-) en su descenso emiten todo tipo de fotones, de distintas frecuencias , como podéis ver en el enlace, pero normalmente solo uno en el espectro visual. Entonces ves azul porque esa es la única frecuencia que puedes detectar. Y la luz que ves proviene todo el tiempo de diferentes electrones.

(4-) tiene razón, la luz proviene principalmente de los electrones externos, pero no se refleja principalmente . Eso es lo que te está engañando y confundiendo, si la luz fuera reflejada verías todas las frecuencias. La luz se emite y las frecuencias son, por así decirlo, filtradas por los electrones, absorben todas las frecuencias y devuelven solo algunas.

Espero haber cubierto todos los aspectos de tus dudas.

Todo está vinculado, por lo que responder a uno aclarará el resto. No se quedan en ese mismo estado, si ese fuera el caso entonces tienes el problema que mencionas en el punto 3). Después de ser excitado, un electrón pierde su energía por varios mecanismos. Algunos de ellos irradian de nuevo "luz" o, más generalmente, ondas electromagnéticas en otras frecuencias fuera del espectro visible, y no necesariamente en la misma longitud de onda. Mientras que otros pierden su energía a través de la transferencia a otras excitaciones en los sistemas como fonones.

El problema con el color es más como que la longitud de onda en particular es dispersada elásticamente por el átomo (sistema compuesto por electrones y núcleo). Esta dispersión se puede entender de alguna manera como si los átomos estuvieran trabajando como una antena que irradia una longitud de onda particular y, por lo tanto, el color particular.

Proporcionaré una respuesta a esta pregunta junto con respuestas a algunos de mis comentarios en este hilo (además de proporcionar un par de referencias rápidas).

La interacción de la radiación / luz electromagnética (EM) con la materia (objetos materiales) involucra varias cosas. Con respecto a la opacidad/transparencia de los materiales, la siguiente figura muestra lo que sucede (referencia: http://www.uotechnology.edu.iq/appsciences/filesPDF/material/lectures/2c/3-Materials_prperties8.pdf ):

Las ondas EM interactúan con un material a través de su (micro)estructura, lo que significa principalmente zonas de electrones/energía (más la estructura nuclear, el tamaño del material, el grosor, el ángulo de incidencia, etc.)

Los efectos (detallados) se calculan usando mecánica cuántica. Debido a la interacción de una onda EM con la estructura del material, la cantidad de reflexión/absorción/transmisión depende de la longitud de onda/frecuencia de la onda EM incidente (relacionada con la relación de Einstein-Planck$E=hv$,$E$energía de onda EM,$h$Constante de Planck,$v$frecuencia de onda EM)

En resumen, la microinteracción es la siguiente:

un fotón con una energía dada puede interactuar con un electrón (con una energía dada) y hacer que el electrón salte a otra órbita/zona de energía, por lo que el fotón es absorbido , o puede ser dispersado/desviado por un electrón, por lo que el fotón se refleja/ atenuado o podría no interactuar (dependiendo de la energía/longitud de onda del fotón y las zonas de energía del material), por lo tanto, el fotón se transmite .

Para caracterizar la cantidad de opacidad/transparencia de un objeto material (con respecto a la radiación EM de una longitud de onda determinada), se utilizan varios coeficientes , basados ​​en la Ley de Beer-Lambert (y fórmulas similares). Para obtener aproximaciones más detalladas, puede consultar, por ejemplo, https://newton.ex.ac.uk/research/emag/pubs/pdf/Hooper_OE_2008.pdf

El color (percibido) de un objeto material depende de qué longitudes de onda (visibles) reflejan y absorben. Por lo tanto, un material que absorbe todas las longitudes de onda (visibles) y no refleja ninguna aparecerá como "negro", mientras que un material que refleja todas las longitudes de onda (visibles) y no absorbe ninguna aparecerá como "blanco". Un material que refleja longitudes de onda (visibles) alrededor de la longitud de onda "roja", aparecería como "rojo", mientras que un material que absorbe solo longitudes de onda alrededor del "rojo" (visible) y refleja todo lo demás aparecería como el "color complementario del rojo". y así.

Está claro de lo anterior, que la opacidad/transparencia de un objeto material es una función primaria de la frecuencia de la onda de luz/EM (o longitud de onda) (en general diferente para cada objeto material). Como tal, hay ciertos (rangos de) longitudes de onda de radiación EM con respecto a los cuales los objetos materiales son (en su mayoría) transparentes u (en su mayoría) opacos.

Con respecto a los metales (según un comentario), los metales son en su mayoría opacos en el rango de luz visible, mientras que en su mayoría son transparentes en el rango de rayos X/$\gamma$-rayos (referencia: http://higheredbcs.wiley.com/legacy/college/callister/0470125373/conceptcheck_ans/ch19.pdf basado en http://phys.thu.edu.tw/~hlhsiao/mse-web_ch21.pdf )

Una pregunta de física sobre la transparencia de las bolsas de plástico en la radiación infrarroja

Cualquier persona interesada en experimentar, aquí hay un buen manual sobre la medición de la luz .