Divulgación Cuestiones sobre la interacción luz-materia

[alexpglez]

Hola a todos!
Siempre había escuchado que la para ver objetos mediante radiación luminosa, ésta tendría que ser de menor longitud de onda que la del objeto. Esto mismo contaban los profesores del instituto para argumentar que no se pueden ver los átomos directamente, con un microscopio óptico muy potente. Hoy mismo en un artículo divulgativo he leído que intentar ver un átomo con luz es parecido a analizar un jarrón arrojando balones de baloncesto.
Querría saber exactamente por qué ocurre esto, mediante una aproximación buena mediante palabras de las matemáticas de la interacción luz-materia. ¿Qué tiene que ver la distancia entre dos máximos de una onda electromagnética con esto?

A su vez querría preguntar (ya que no recuerdo muy bien), la explicación física del color de los objetos.
Cuando un determinado objeto es de un cierto color, ¿es porque el objeto absorbe momentáneamente para luego emitir unos tipos de ondas lumínicas de ciertas longitudes concretas que forman ese color? ¿Qué pasa con el resto de ondas lumínicas?
(Conjeturo que el objeto absorbe pero no emite estas longitudes de onda restantes, ¿quedarían pues en forma de energía cinética de los átomos y energía térmica del sistema vistos cuánticamente como estados excitados de los átomos y moléculas?)
A su vez, los cristales, imagino que están sus átomos tan bien alineados, que la mayoría de la radiación pasa desapercibida a través, mientras que sólo una pequeña parte se absorbe y emite, y otra pequeña parte se absorbe como calor.

Gracias, saludos

[Julián]

Re: Cuestiones sobre la interacción luz-materia

Querría saber exactamente por qué ocurre esto, mediante una aproximación buena mediante palabras de las matemáticas de la interacción luz-materia. ¿Qué tiene que ver la distancia entre dos máximos de una onda electromagnética con esto?

El periodo de una onda está relacionada con la frecuencia y esta con los cuantos de energía de una onda EM $E = hf$. Ahora bien, las interacciones implican intercambio energético. Las cargas libres, es decir, no ligadas a un sistema no tienen restricciones en los intercambios energéticos. Es por esto que en una interacción entre fotón - electrón libre siempre hay dispersión y no absorción (si bien recuerdo Alriga realizó todo el desarrollo de esto en un blog).
Ahora las cargas en los átomos, moléculas están ligadas en orbitales o bandas de energía (cristales) y solo pueden realizar interacciones con saltos fijos o cuantos de energía.

¿es porque el objeto absorbe momentáneamente para luego emitir unos tipos de ondas lumínicas de ciertas longitudes concretas que forman ese color?

Si y esto depende de la emisividad del objeto. Con emisividad unitaria estamos ante el cuerpo negro ideal.

¿Qué pasa con el resto de ondas lumínicas?
(Conjeturo que el objeto absorbe pero no emite estas longitudes de onda restantes, ¿quedarían pues en forma de energía cinética de los átomos y energía térmica del sistema vistos cuánticamente como estados excitados de los átomos y moléculas?)

Temperatura, energía interna.

A su vez, los cristales, imagino que están sus átomos tan bien alineados, que la mayoría de la radiación pasa desapercibida a través, mientras que sólo una pequeña parte se absorbe y emite, y otra pequeña parte se absorbe como calor.

Que un material sea "transparente" implica que no posee un gap entre las bandas de energía (entre banda de valencia y de conducción) con saltos de energía que corresponden a ese cuanto de radiación, dependiente de la longitud de onda. Recuerda que si bien los núcleos en un cristal están bastante ordenados espacialmente, existen electrones de valencia, que al unirse forman bandas de energía. Es decir, en la unión de dichos átomos se "generan" la banda de valencia y la banda de conducción, de manera tal que existe un gap entre estas, en los metales (el metal forma estructuras cristalinas) el gap es muy pequeño de manera tal que con una pequeña energía térmica los electrones de valencia alcanzan la banda de conducción. La banda de conducción está localizada en todo el cristal. Si la frecuencia de la radiación no alcanza para dicho salta de energía, esta no interaccionará con el cristal.