¿Cuál es la diferencia entre un material transparente y uno opaco a nivel atómico?

Question

¿Cuál es la diferencia entre un material transparente y uno opaco a nivel atómico? Sé que algo es transparente a la luz porque la energía de los fotones que corresponden a la luz visible no coincide con la energía de transición de los átomos que componen ese cuerpo. ¿Qué ocurre cuando algo es opaco? ¿Y por qué el ángulo de incidencia es siempre igual al ángulo de reflexión? Conozco el principio de Fermat y todos los argumentos matemáticos, pero buscaba una "imagen física" del fenómeno.

Answer 1

A menudo no hay nada fácilmente intuitivo sobre la diferencia entre materiales transparentes y opacos a nivel atómico.

Por ejemplo, el carbono, que puede formarse como diamante (transparente) y grafito (opaco). ¿Cuál es la diferencia atómica entre ambos? Bueno, los átomos son los mismos, pero en cada caso tienen una disposición cristalina diferente. Así que algo en la disposición de los átomos es responsable de la diferencia de transparencia.

Por desgracia, la diferencia en las propiedades ópticas debe entenderse mediante complejos cálculos de la red cristalina, incluyendo las especies de los átomos, sus orientaciones relativas, la fuerza de sus acoplamientos, las posibles inclusiones/dopantes. En general, nada puede entenderse fácilmente sin pasar por los cálculos. Y, por supuesto, una vez que se ha hecho un cálculo, se puede descubrir que otra física (como los excitones, los fonones o la interferencia a escala de la longitud de onda en una losa de material) se aplica a los colores de interés.

Pero cuando se completan los cálculos, generalmente se busca una brecha de banda electrónica, lo que significa que los electrones no pueden absorber fotones de un rango de energías porque no tienen estados disponibles en esas energías. Cuando se cumple esa condición, el material tiene muchas posibilidades de ser transparente. Si no es así, seguramente no será transparente (aunque podría ser un poco transparente si es lo suficientemente fino).

Dicho esto, hay algunas reglas intuitivas que a veces pueden ser aplicables. Por ejemplo, una unión más fuerte entre los átomos, y átomos más pequeños, suelen dar lugar a brechas electrónicas más amplias para los aislantes (porque los átomos están más juntos), lo que significa que será transparente en una gama de colores más amplia. Por eso, por ejemplo, el diamante es transparente mientras que el silicio (también del grupo IV y con la misma estructura cristalina) no lo es (para la luz visible; ambos son transparentes en el infrarrojo).

Answer 2

En primer lugar, estás preguntando si el material es opaco o transparente a la luz visible, por lo que estamos hablando de fotones de longitud de onda visible (400-700nm). Y preguntas por la explicación a nivel de QM. Tienes razón al hacer la pregunta, porque la mayoría de las explicaciones en este sitio son más clásicas, y en este caso, podrías tener curiosidad sobre lo que ocurre en los niveles de los átomos y los fotones.

Se pregunta por qué el ángulo de reflexión es siempre igual al ángulo de incidencia. Este es un error común.

1. Esto sólo es cierto para la reflexión especular (tipo espejo), en la que se mantiene la fase y el ángulo relativos de los fotones. La mayoría de los fotones, en este caso, tendrán un ángulo relativamente (entre sí) igual.

2. En el caso de la reflexión difusa, el ángulo de reflexión es aleatorio. De este modo, no se mantiene el ángulo relativo de los fotones y no se ve una imagen especular.

Ahora se pregunta por qué algunos materiales son opacos. En primer lugar, hay materiales que son parcialmente transparentes, como algunos líquidos, algunos gases, pero dejemos de lado eso por ahora, y tomemos los dos casos simples de materiales opacos y transparentes. Los materiales opacos son opacos porque:

1. Los materiales opacos reflejan (o absorben) la mayor parte de los fotones de longitud de onda visible en su superficie, y no dejan que la luz visible se propague a través de ellos (desde la dirección opuesta hacia tus ojos). Por ejemplo, un espejo normal también es opaco. Hay algunos espejos (sala de interrogación) que son opacos por un lado y transparentes por el otro (básicamente es un truco porque por un lado dejan pasar más del 50% de los fotones y por el otro menos del 50%).

2. en el caso de los metales, la opacidad proviene de la reflexión (dispersión elástica), y para algunos otros materiales, proviene de la absorción y reemisión (en la superficie) de la luz visible. Por eso los metales no tienen color propio, reflejan toda la luz visible. Otros materiales no metálicos absorben y reemiten la luz visible, así es como vemos sus colores.

Ahora los materiales transparentes lo son porque:

1. no reflejan la mayor parte de la luz visible, sino que dejan que la mayor parte de la luz visible se refracte, es decir, que viaje dentro de ellas. Algunos medios transparentes (como el aire) y el vidrio, permiten que la luz viaje de manera que los fotones mantienen sus fases y energías relativas (y ángulos relativos) dentro del medio, de manera que se ve una imagen especular en el otro lado del medio. Por eso el vidrio (y el aire) permiten que la luz mantenga una imagen especular en su interior.

2. En el caso de los medios transparentes, se trata de una dispersión elástica. Cuando los fotones viajan a través del vidrio, el aire o el agua, se dispersan elásticamente en las moléculas y átomos del material y mantienen sus fases, energías y ángulos relativos. Es un error común pensar que dentro del aire, el vidrio o el agua, los fotones son absorbidos y reemitidos. Eso no mantendría sus niveles de energía, ni sus fases relativas, ni sus ángulos. Sólo la dispersión elástica mantiene una imagen especular.

Ahora se podría pensar que el vidrio sólo refracta. Pero en realidad, cuando se mira una ventana de cristal, ésta se refracta y se refleja, y en ambos casos suele ofrecer una imagen especular perfecta. Incluso si te colocas a ambos lados del cristal, puedes obtener una imagen especular de lo que hay al otro lado y de lo que hay detrás de ti (reflejo). Cuando miras a la ventana de cristal, a veces también puedes ver una imagen especular de ti mismo. Esto se debe a que el cristal refleja y refracta.

Ahora se podría preguntar, entonces cuál es la diferencia real entre reflexión y refracción en el caso del vidrio, cuando hace lo mismo al mismo tiempo. Tanto la reflexión como la refracción es una dispersión elástica. Sólo así los fotones mantienen sus energías, fases relativas y ángulos. La única diferencia entre la refracción y la reflexión en el caso del vidrio es el ángulo. En la reflexión, el ángulo es el mismo que el de incidencia (y los fotones retroceden en el medio original, el aire). En el caso de la refracción, el ángulo cambia (pero el ángulo relativo de los fotones se mantiene), ya que los fotones atraviesan el vidrio.

La cuestión se reduce entonces, a nivel de QM, a por qué algunos materiales refractan y por qué otros reflejan (la mayor parte de la luz visible). Aquí hay una buena explicación:

¿Por qué algunos objetos reflejan y otros refractan?