Albedo se define de diferentes maneras, pero una definición común es que albedo es la reflectividad difusa de la superficie de un material, en luz visible.
La reflectividad difusa debe distinguirse de la reflectividad especular, ya que la reflexión difusa envía luz en muchas direcciones, mientras que para la reflexión especular el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Entonces, la energía se refleja en una sola dirección, en la reflexión especular.
La reflectividad difusa depende de una variedad de factores, y no todos tienen que ver con la mecánica cuántica.
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Pero, si un material absorbe radiación fuertemente en el rango visible de longitudes de onda, entonces tendrá un albedo bajo.
Para tener una idea de lo que está sucediendo a nivel mecánico cuántico que hace que una sustancia como el carbón absorba fuertemente la luz visible, debe considerar la estructura molecular del carbón.
El carbón es, hablando de manera muy general y flexible, una mezcla muy complicada de hidrocarburos aromáticos policíclicos: estos son tipos especiales de moléculas que contienen carbono e hidrógeno que tienen múltiples anillos hexagonales de carbono.
También puede haber azufre y nitrógeno presentes en el carbón, en un nivel de 1-2%, pero ese es un detalle que puede ignorarse, para empezar.
La aromaticidad puede ocurrir en los hidrocarburos cuando no hay suficientes hidrógenos por carbono para usar los 4 electrones de valencia de cada átomo de carbono en un solo enlace covalente.
También puede haber una gran cantidad de grafito en el carbón, pero el grafito en sí mismo es un tipo de hidrocarburo aromático policíclico, verifique su estructura, a pesar de que el grafito carece por completo de hidrógeno.
Pero de nuevo, lo importante a tener en cuenta es que el carbón contiene una mezcla complicada de hidrocarburos aromáticos policíclicos.
Aromático es un término de la química que no tiene nada que ver con el olor. Se refiere a la estabilidad adicional de ciertos hidrocarburos cíclicos, que se debe a la hibridación sp2 de los orbitales de carbono que se produce en los planos de los anillos de carbono. La hibridación sp2 deja un electrón extra por átomo de carbono en el orbital p no hibridado, que está orientado perpendicular al plano del anillo. Los electrones en los orbitales p son libres de moverse, por encima y por debajo del plano de los átomos de carbono en el anillo.
Estos electrones p-orbitales adicionales, por ejemplo, en un hidrocarburo aromático muy simple como el benceno forman enlaces pi (un orbital molecular con un tipo específico de simetría).
Los enlaces pi son los que hacen que los hidrocarburos aromáticos sean algo más estables que los no aromáticos, como las grasas saturadas; piense, por ejemplo, que la mantequilla es algo amarillenta, refleja la luz difusamente y definitivamente no tiene un albedo tan bajo como el carbón.
En un hidrocarburo cíclico aromático, los electrones pi se deslocalizan y son libres de moverse alrededor de los anillos hexagonales de los átomos de carbono.
En el grafito, los electrones pi son libres de moverse por todo el espacio entre los planos paralelos del cristal de grafito, cada plano consiste en celosías de átomos de carbono bidimensionales hexagonales muy compactas. Esto hace que el grafito sea un muy buen conductor eléctrico.
La deslocalización de los electrones también resulta importante para las propiedades ópticas del grafito y el carbón.
¿Por qué?
Porque para absorber un fotón, en lugar de simplemente dispersarlo, una molécula debe hacer una transición de un estado de energía más bajo a un estado de energía más alto.
Esta absorción generalmente ocurre con mucha fuerza, solo cuando los electrones pueden moverse libremente a un nuevo nivel cuya diferencia de energía con respecto al original está muy cerca de la energía del fotón absorbido.
Eso significa que debe haber dos niveles de energía molecular presentes aproximadamente en el espacio de energía correcto, aproximadamente igual a la energía del fotón, para que la molécula pueda absorber fuertemente un fotón de esa energía.
Ahora, en general, los modos de vibración de los núcleos en los átomos que forman una molécula, o los modos de rotación, si la molécula es libre de girar, tienen una energía más baja (en el rango IR), mientras que los enlaces covalentes individuales entre los átomos tienden a tienen estados excitados que están en energías correspondientes a la radiación UV. Por lo tanto, las estructuras moleculares en las que no hay electrones deslocalizados tienden a no absorber fuertemente la radiación electromagnética visible.
Pero cuando hay electrones pi deslocalizados asociados con hidrocarburos aromáticos, están presentes muchos niveles estrechamente espaciados que caen en el rango visible, de modo que los materiales compuestos de muchos hidrocarburos aromáticos policíclicos absorben fuertemente la luz visible y, por lo tanto, tienen un bajo albedo. Nos parecen negros o marrones.
A modo de contraste considere el diamante. El diamante es carbono puro, al igual que el grafito, pero el diamante tiene hibridación sp3 de los enlaces carbono-carbono en lugar de sp2. Tiene enlaces covalentes saturados entre todos sus átomos de carbono, con ángulos de enlace tetraédrico. Todos los electrones en el diamante están estrechamente unidos, estando completamente involucrados en enlaces covalentes carbono-carbono individuales.
El grafito y el diamante están hechos de carbono puro, pero uno es casi completamente transparente a la luz visible, mientras que el otro nos parece negro. La diferencia se debe a los electrones pi deslocalizados en el grafito.
En el diamante, los electrones no pueden moverse fácilmente de un átomo a otro. En grafito, algunos de ellos pueden.
El dióxido de titanio es probablemente una historia muy similar a la del diamante, pero no voy a analizar los detalles de eso, en este momento.
Esta pregunta sobre el albedo es complicada y depende de la estructura específica del material en cuestión, pero ciertamente no es completamente explicable sin la mecánica cuántica.