¿Por qué no todos los dieléctricos son transparentes?

Question

Los conductores son opacos porque, al ser golpeados por una onda Maxwelliana, las cargas libres en su superficie crean otra onda que interfiere destructivamente con la anterior en la región del espacio más allá de dicha superficie. Esto no ocurre en los dieléctricos; ¿por qué entonces algunos de ellos, por ejemplo la madera o el caucho, siguen siendo opacos?

Agradecería mucho, si es posible, una respuesta que utilice el electromagnetismo clásico en lugar de la QM, los fotones, los espectros de absorción, etc.

Answer 1

El hecho de que el material no conduzca corrientes a escala macroscópica no significa que no contenga ninguna carga móvil. De hecho, como sugiere el propio nombre de "dieléctrico", un material de este tipo contiene cargas que pueden separarse hasta cierto punto: los electrones se mueven un poco hacia un lado o hacia el otro, sin llegar a despedirse de su átomo madre, pero generando un campo significativo.

Cuando la luz incide en un material de este tipo, los electrones tienden a vibrar en sincronía con la onda EM entrante. Esto crea un campo electromagnético secundario de la misma frecuencia, que se suma al campo original, al igual que lo hacen las corrientes a mayor escala bajo la superficie de un conductor. A diferencia de lo que ocurre con un conductor, los electrones no se mueven libremente, por lo que este campo no puede anular completamente la onda entrante, pero tampoco pasa sin obstáculos:

• Parte de la energía que devuelve la onda secundaria no se dirige en la dirección de propagación original sino hacia atrás: un poco de la luz se reflejado . (Esto también ocurre con los conductores, casi a la perfección, por eso los metales son brillantes).
• La onda secundaria no está completamente sincronizada con la entrante, pero generalmente tiene un poco de retardo de fase (como cuando se agita un péndulo). Como resultado, la onda parece "retrasada", como si hubiera recorrido un camino más largo a través del material de lo que realmente ha hecho - desde un punto de vista exterior eso significa que la longitud de onda se acorta a pesar de la frecuencia constante. Pero como el frente de onda sigue estando sincronizado en todas partes, se obtiene refracción .

Ambos efectos son muy notables en el caso de los cristales transparentes: parte de la luz se refleja en lugar de pasar, y la luz que pasa se refracta. Eso sí, para un cristal la refracción no hace mucho, sólo cambia un poco la dirección cuando la luz entra y vuelve a la original cuando sale. Pero en el caso de los materiales que no son tan homogéneos, como la espuma de poliestireno, no se produce una sola reflexión y refracción, sino que hay muchísimas superficies microscópicas, todas ellas alineadas en distintas direcciones. Como resultado, aunque cada microsuperficie deje pasar la mayor parte de la luz, ésta no consigue llegar muy lejos en el material, sino que se "refleja" de forma totalmente dispersa. Y eso es básicamente lo que ocurre con todos los materiales que parecen blanco . La mayoría sigue siendo algo transparente, pero si los componentes son lo suficientemente finos y refractivos, no llegará más allá de unos pocos micrómetros.

En el caso de los materiales que parecen coloreados o incluso negros, ocurre además algo más: los electrones que vibran se llevan parte de la energía de la onda entrante y no la retransmiten en absoluto con esa frecuencia, sino que la "convierten" en otras formas de energía, normalmente, en luz de menor frecuencia ( fluorescencia ) o las vibraciones de la red de carga neutra (que se manifiestan como calor). Explicar cómo funciona esta conversión sin la mecánica cuántica es problemático, pero básicamente puedes imaginarlo como un vibración amortiguada - hay "fricción" en la oscilación. A menudo, esto sólo ocurre a un nivel significativo en una banda de frecuencia particular, debido a las resonancias moleculares; así es como color se produce porque las diferentes frecuencias de luz se amortiguan en fracciones diferentes.

Answer 2

No se puede evitar totalmente la mecánica cuántica, pero puede bastar con decir que las reflexiones de los electrones libres no son la única forma de impedir la transmisión. Cualquier situación en la que la luz pueda promover un electrón desde un estado de baja energía a otro superior provocará una absorción, independientemente de la conductividad de la corriente continua. O incluso con poca absorción, la dispersión masiva de la luz por muchas partículas pequeñas o muchas interfaces desordenadas también puede impedir la transmisión. Un par de ejemplos rápidos:

1. Semiconductor con brecha de banda menor que la energía de la luz (por ejemplo, silicio, grafito).

2. Materiales compuestos por muchos dispersores pequeños (por ejemplo, madera, pintura, piel).