¿Qué pasa con una superficie determina su color?

Esta pregunta es demasiado amplia. Se trata de TODOS los objetos del universo que tienen una superficie, es decir, todo. Voy a evitar dar una conferencia aquí.

En algunos líquidos y en la mayoría de los gases, la estructura electrónica de cada átomo o molécula individual es suficiente para describir sus espectros.

La "propiedad" que está buscando en el caso de los sólidos es la estructura de la banda . Vea esta página para una buena introducción, especialmente la sección sobre aislantes y dopajes. La gente llegó al punto en que necesitaba describir el espectro de sólidos por parámetros (macroscópicos) en lugar de las transiciones atómicas y de banda (además de eso, a veces hay que considerar correcciones relativistas): Absorción y dispersión o fluorescencia . Consulte esta página para obtener una explicación más breve, tenga en cuenta que esto es válido no solo para la luz visible. Para una incidencia normal, la dispersión hacia atrás es "reflexión", mientras que la dispersión hacia adelante es "transmisión". El color que vea también dependerá de la planitud de la superficie., pero esto no afecta la física de la dispersión de la luz.

Un hecho interesante es que podría ver (en realidad no puede, esto es válido para los rayos X) que la luz se "refleja" en más de un punto debido a la ley de Bragg .

Por último, de acuerdo con su título OP, podría considerar leer más sobre rejillas , en las que se trabaja la superficie para manipular colores específicamente.

Varias respuestas aquí ya hablan con gran detalle sobre cómo los orbitales de electrones afectan si un fotón será absorbido o no, pero esta no es toda la historia. El color de la radiación reflejada es, de hecho, el único factor si la superficie es completamente plana y perfectamente reflectante, excluyendo la radiación del cuerpo negro, pero la mayoría de las superficies no lo son.

Tomemos, por ejemplo, todos los colores vibrantes en la cola de un pavo real. Pueden parecer una amplia variedad de verdes, azules y otros colores. Ahora, si observa las mismas plumas después de aplanar la superficie, verá que los pigmentos en las plumas son en realidad marrones. Este tipo de coloración se deriva de cómo las estructuras microscópicas interactúan con la radiación y se denomina coloración estructural. Por ejemplo, una estructura similar a una rejilla producirá un patrón de color que va con el gradiente del arco iris, tal como lo hace en un experimento de rejilla de difracción adecuado. Este mismo tipo de efecto también puede provenir de las diferencias en las profundidades de reflexión, como es el caso de los derrames de petróleo, lo que hace que también reflejen un patrón similar al del arco iris.

También existe la radiación de cuerpo negro, que está asociada con la temperatura del objeto. Este efecto hace que los objetos más calientes irradien parte de su energía térmica de tal manera que los objetos más calientes brillen más y con un pico que se desplace hacia longitudes de onda más altas.

Interesante pregunta. Creo que tiene que ver con los niveles de energía de los átomos de la superficie. Supongo que comprende el concepto de orbitales atómicos: cuando la luz se encuentra con una superficie, las longitudes de onda absorbidas son aquellas que contienen la cantidad correcta de energía para mover electrones hasta el siguiente orbital.

... Tras una búsqueda en Google: si la diferencia de energía entre dos posibles estados orbitales consecutivos es ΔE, entonces los fotones absorbidos serán de frecuencia ν = (2πΔE)/h, donde h es la constante de Planck.

Un material muestra un color cuando la luz se refleja en una superficie. Cuando una cierta longitud de onda llega a una superficie, si la energía$E=\frac{hc}{\lambda}$del fotón corresponde a la diferencia entre dos estados electrónicos, entonces tiene una cierta probabilidad de ser absorbido. Por supuesto, la probabilidad de ser absorbido depende de la densidad de los estados electrónicos.

Si un fotón no se absorbe, atravesará el material. Entonces se dirá que este material es transparente a su longitud de onda.$\lambda$.

Si el fotón es absorbido, será reemitido en ninguna dirección en particular. Pero al ser emitido hacia el interior del material será absorbido nuevamente, por lo que se favorecerá la dirección hacia el exterior del material (porque en esta dirección los fotones no serán absorbidos). Esas longitudes de onda se están reflejando.

Al mirar el material, verá un espectro compuesto por todas las longitudes de onda reflejadas, y eso hará su color.

Paul G. Hewitt tiene una excelente descripción no matemática de esto en su libro Conceptual Physics.

Golpea un diapasón y vibra a una frecuencia característica, su Frecuencia Natural. El diapasón puede emitir otras frecuencias, pero se amortiguan más rápido que la frecuencia objetivo. La amortiguación absorbe energía de la vibración y se vuelve térmica si no se convierte en sonido.

Puedes pensar en muchas cosas como si estuvieran hechas de diminutos diapasones. Así que golpear un metal suena diferente a golpear madera.

La rigidez de un resorte puede determinar la frecuencia de sus vibraciones. Nuevamente tiene una frecuencia natural.

Al igual que estos ejemplos, puede pensar en los átomos y las moléculas como diminutos diapasones ópticos que vuelven a emitir parte de la luz y absorben el resto. Pasa algo de luz.

El color que ves depende de varias características de las interacciones atómicas y moleculares. Por ejemplo, la fuerza con la que un electrón está unido a su átomo principal es aproximadamente análoga a la rigidez de un resorte.

Las vibraciones en general a menudo se pueden aproximar mediante el análisis del movimiento armónico simple.

Esta es la razón por la que Planck pudo analizar la interacción de la radiación del cuerpo negro con la materia asumiendo que la radiación interactúa con diminutos "osciladores armónicos" en la superficie del cuerpo negro.

Gran pregunta: abre mucha física. Mi ejemplo favorito es "¿por qué algunos metales conductores se ven dorados/cobre/etc. en lugar de grises?" Resulta que se debe a los efectos relativistas que actúan sobre los orbitales de varios electrones.

Luego está el arrendajo azul, cuyo color azul es completamente interferométrico en lugar de absorbente/reflectante.

y más :-)

Editado para brindar información sobre los mecanismos cuánticos del color en los metales. Citando de páginas de wikipedia,

El color característico del cobre resulta de las transiciones electrónicas entre las capas atómicas 3d llenas y las 4s medio vacías; la diferencia de energía entre estas capas es tal que corresponde a la luz naranja.

(referencias disponibles en la página "Cobre")

Mientras que la mayoría de los demás metales puros son de color gris o blanco plateado, el oro es de color amarillo ligeramente rojizo. Este color está determinado por la densidad de los electrones débilmente ligados (valencia); esos electrones oscilan como un medio de "plasma" colectivo descrito en términos de una cuasipartícula llamada plasmón. La frecuencia de estas oscilaciones se encuentra en el rango ultravioleta para la mayoría de los metales, pero cae en el rango visible para el oro debido a sutiles efectos relativistas que afectan los orbitales alrededor de los átomos de oro. Efectos similares imparten un tono dorado al cesio metálico.

Las referencias incluyen esta página , así como varios libros.