Qualsiasi elemento o composto esistente o da inventare in qualsiasi stato esso si trova, solido, liquido o gassoso, può solo attenuare più o meno bene le onde elettromagnetiche, OEM. Se attenuano poco o quasi nulla affermiamo che il corpo è trasparente verso quei valori di radiazioni, se attenuano molto diciamo che sono opachi o schermanti.
A pari spessore della sostanza, i valori d’attenuazione variano enormemente a seconda dell’intervallo di frequenza dello spettro EM. Solo l’energia dell’OEM che attraversano il vuoto non subiranno mai nessun tipo d’attenuazione. Trasparenza totale a tutte le frequenze.
La lente cristallina dell’occhio umano è trasparente alle radiazioni OEM che hanno lunghezza d’onda da circa 800 nm (rosso) a 400 nm ( blu ) e, quindi, fa passare al “sensore retina “ solo questa finestra di radiazioni che appunto, poiché la vediamo, è chiamata per definizione “Luce”.
La nostra esperienza constata che:
- Lo specchio o una superficie lucida anche metallica riflette la luce.
- Un’ottima lente o un vetro hanno il massimo della trasparenza, poca energia riflessa ed assorbita,lasciano passare il massimo dell’intensità luminosa e non hanno colore.
- Un foglio sottile d’alluminio o di rame non fa passare la luce e dissipa, assorbendo al suo interno, tutta la radiazione luminosa.
L’attenuazione provocata dai materiali, quando sono attraversati da radiazioni d’O.E.M. è data da due fenomeni: la diffusione e l’assorbimento molecolare.
Entrambi sono provocati dall’interazione della radiazione con le molecole che costituiscono il materiale.
Attenuazione da diffusione e riflessione
Il fenomeno della diffusione e riflessione provoca la redistribuizione angolare dell’energia della radiazione incidente su particelle di scatter (o diffusori), ossia molecole e particelle presenti nel materiale. La radiazione, a seguito degli urti elastici con le molecole e le particelle, è diffusa in diverse direzioni. Esempio: i fotoni, incidendo sulla materia, possono compiere sugli elettroni di valenza degli atomi urti assimilabili agli urti elastici tra particelle puntiformi.
La diffusione e riflessione producono tre effetti indesiderati, alla trasparenza:
1) Attenua l’OEM, perché l’energia diffusa nelle direzioni diverse da quella di propagazione non attraversa il materiale ed è quindi persa.
2) Depolarizza l’onda elettromagnetica, ovvero cambia la direzione lungo la quale il campo elettrico oscilla, propagandosi.
3) Può generare interferenze con altre molecole o sostanze messe in vicinanze alla radiazione incidente.
La diffusione fa perdere la trasparenza a strutture atomiche che passano da monocristalline a policristalline. Si pensi ad un pezzo di vetro ridotto in polvere.
Nella polvere si ha una miriade di superfici che riflettono in tutte le direzioni parte della luce che le colpisce; essendo "tante" le superfici, in pratica, tutta la luce incidente è riflessa e il materiale perde trasparenza. E’ per questo che vediamo polvere bianca di ciò che era un vetro trasparente incolore.(Osservazione di Mauro Prencipe durante la discussione interna prima di rendere pubblica la risposta).
Inoltre, un’onda che penetra nella sostanza trasparente e non, entra in un mezzo con costante dielettrica differente e, quindi, un indice di rifrazione diverso fa rallentare l’onda di velocità provocando la rifrazione della luce.
Le pareti speculari sia di metalli sia di specchi o isolanti lucidi riflettono la luce. Tutti questi fenomeni seguono le leggi di Fermat e Snell.
In funzione della lunghezza d’onda della radiazione incidente e delle dimensioni delle particelle di scatter si verificano poi due tipi diversi di diffusione: la diffusione di Rayleigh e la diffusione di Mie. Ma questa ultima riguarda i corpi meno i solidi. Per dirla quasi tutta, per i corpi gassosi in presenza di turbolenza abbiamo pure le attenuazioni dovute alle scintillazioni.
Assorbimento molecolare
Il fenomeno dell’assorbimento molecolare di una radiazione è principalmente dovuto alle transizioni che le molecole compiono tra i livelli energetici quantizzati permessi(1).
Indicato con E0 lo stato fondamentale d’energia della molecola (ovvero il livello energetico della molecola a riposo) e con E1 uno stato eccitato permesso, se sulla molecola incide un’onda elettromagnetica di frequenza f
f=(E1-E0)/h
dove h è la costante di Planck, esiste una possibilità finita che la molecola si ecciti e passi al livello energetico E1. L’energia necessaria alla molecola per compiere il salto di livello è pari a E1 – E0 e viene sottratta all’O.E.M incidente.
Se lo stato E1 è stabile la molecola resta in quello stato; diversamente, la molecola ritorna nello stato E0 e l’energia assorbita viene riemessa sotto forma di fotoni o fononi. Perché avvenga un salto energetico, l’elettrone o fonone deve assorbire esattamente l’energia necessaria al salto, né un po’ di più né un po’ di meno.
Per le frequenze ultraviolette UV, l’assorbimento riguarderà prevalentemente
(dipende dalla sostanza) lo scambio fotone-elettrone mentre per le radiazioni infrarosse, IR, l’assorbimento vedremo che sarà dato dallo scambio fotone-fonone. La trasparenza è dovuta ai fotoni che transitano senza essere assorbiti ne diffusi
Ovviamente ci stiamo riferendo a sostanze dove la conduttività elettrica e termica è trascurabile. In pratica alle sostanze dette isolanti elettrici. In un metallo, gli elettroni negli stati energetici più elevati possono assorbire anche quantità piccolissime d’energia, invece gli elettroni di un isolante, già nella banda più esterna, possono assorbire un’energia che sia pari al salto energetico, ma non una più piccola.
Nei metalli, dove è prevalente la mobilità degli elettroni determinata dalla conduttività del materiale tutta la radiazione è dissipata (urti tra elettroni)secondo il valore di frequenza. Alle correnti continue e bassissime frequenze più grande è lo spessore minore è l’assorbimento, poiché diminuisce la resistenza elettrica, ma all’aumentare della frequenza causa skin effect, il conduttore aumenta la sua resistenza elettrica.
E’ sufficiente uno spessore di pochi millimetri per assorbire completamente le microonde.Quando poi la frequenza è altissima come un fascio luminoso bastano pochi strati atomici per estinguere le oscillazioni e, infatti,noi constatiamo che un foglio, pur sottilissimo, d’alluminio non lascia passare la luce.
Tutto ciò per dire che in ogni parte dell’esteso spettro E M avvengono determinate transizioni di particelle:
- Frequenze Radio, microonde e lontano infrarosso transizioni continue delle bande di valenza. Assorbimento dovuto agli urti delle cariche, effetto Joule.Nei gas abbiamo le transizioni rotazionali ( Elettroni liberi energizzati dalle OEM provoca un assorbimento alla frequenza di Larmor).
- Vicino Infrarosso transizioni quantizzate tra i livelli vibrazionali:scambio fotoni-fononi
- Ultravioletto e visibile, transizioni quantizzate tra i livelli elettronici:scambio fotoni –elettroni
La vita non è mai facile e secondo i composti possono verificarsi transizioni miste che coinvolgono livelli energetici di tipo diverso (transizioni continue- vibrazionali o elettronico-vibrazionali).
Il vetro, acqua e altro in presenza di transizioni elettroniche
Vediamo in modo semplificato ciò che avviene prendendo come sostanza il vetro. Nel suo insieme di molecole il vetro ha una banda d’energia a livelli bassi piene d’elettroni al livello superiore nel guscio più in alto, in pratica al salto successivo, ha una banda vuota, senza elettroni.
Entra un fotone che ha un’energia minore del salto energetico, non può essere assorbito da nessun elettrone della banda inferiore che è piena perché lo stato che ne risulterebbe dovrebbe essere o in questa stessa banda, ma allora sarebbe già occupato, o nel salto, dove per questa sostanza non esistono stati quantici per gli elettroni. Il fotone non trova ostacoli ed attraversa il vetro.
Se entrano raggi ultravioletti i fotoni hanno frequenze e, quindi, energie più grandi e, in ogni caso, sufficienti a spostare gli elettroni dai gusci dei livelli a banda piena verso quelli superiori a banda vuota, cosicché sono assorbiti. Infatti, i vetri delle finestre ci attenuano, per fortuna, i pericolosi raggi UV.
Ora comprendete il perché una lampada abbronzante UV non può avere il bulbo di vetro o, per lo meno, se lo avesse si perderebbe molta potenza elettrica per sopperire all’attenuazione del vetro.
Se si vuole far attraversare i raggi UV dal bulbo protettivo serve una sostanza (il quarzo) che abbia gli stati quantici con un salto energetico più grande del vetro, naturalmente vuoti, ma questa è una caratteristica di tutti gli isolanti ed i semiconduttori.
Da questa spiegazione deduciamo che il vetro dovrebbe essere trasparente a tutte le frequenze inferiori a quelle della luce ed essere opaco solo alle radiazioni a frequenza UV e oltre. Ma sappiamo che non è cosi!
E’ noto che il vetro è opaco verso i raggi IR. Le alte temperature all’interno delle auto parcheggiate al sole, sono causate dall’emissione di raggi calorifici, IR, dei corpi riscaldati (sedili,aria, volante ecc ) dallo spettro visibile entrante. La radiazione IR rimane intrappolata per assorbimento del vetro.Effetto serra.
Ma chi assorbe gli IR, se l’energia quantica è talmente piccola da non poter mai uguagliare il salto energetico per poter spostare un elettrone nella molecola di vetro o acqua?
La molecola del vetro o quella dell’acqua (come tutte le altre sostanze ) hanno gli atomi che vibrano intorno alla loro posizioni medie e, a sua volta, la molecola presa nel suo insieme ruota su di un asse (I modi in cui possono vibrare sono diversi e seguono statistiche di distribuzione di Bose –Einstein ).Tali movimenti generano uno spettro di livelli energetici quantizzati che si aggiungono a quelli degli elettroni dei singoli atomi della molecola e immaginatevi "un insieme di livelli energetici" capace di assorbire fotoni su un ampia banda di frequenze.
Esiste una ben preciso intervallo di frequenza per cui la vibrazione degli atomi in un reticolo possa oscillare. Pensate ad un pendolo anche se aumenta l’ampiezza dell’oscillazione, la frequenza non cambia. Tutto è quantizzato. Nessuna particella può andare dove vuole e scambiarsi con qualsiasi valore energetico. Il quanto d’energia proporzionale all’ampiezza della vibrazione è chiamato fonone.
Ricordo che fotoni e fononi sono particelle senza massa. Esistono solo come utilità di calcolo quando l’onda elettromagnetica entra nella materia e si vedono fenomeni fisici, non spiegabili con la fisica classica. Il confine tra la fisica classica e quantica,a temperature terrestri, corriponde a valori di frequenza delle OEM di circa 400-600GHz. In pratica quando l’energia del fotone (hf) uguaglia e supera l’energia causata dall’agitazione degli elettroni(KT).
Il fotone che avrebbe dovuto transitare, poiché non ha trovato un valore di salto energetico esatto del tipo elettronico, rimane “fregato” perché incontra un preciso salto energetico del tipo vibrazionale. Il fotone è assorbito dal giusto valore del livello energetico vibrazionale, la frequenza rimane la stessa e l’energia del fotone fa sì che aumenti l’ampiezza della vibrazione di un quanto che abbiamo chiamato fonone.
Vetro e acqua, sono dei filtri trasparenti, solo nella banda del visibile e in alcune finestre fino a 12 µm di lunghezza d’onda ( IR vicino al visibile ) .
Basta un centimetro d’acqua per assorbire quasi tutta la radiazione di raggi X, IR microonde,onde ultracorte ecc ecc . Ci vogliono decine di metri d’acqua per assorbire quasi tutta la radiazione visibile.
Non a caso il cristallino dell’occhio è prevalentemente pieno d’acqua( umor vitreo) ed è per questo che noi siamo sensibili alla frequenze dette luce.
Senza questa stretta finestra la luce del sole non sarebbe penetrata sott’acqua.
E’ stata una particolarità delle transizioni dei livelli energetici a permettere l’evoluzione sulla Terra di tutte le forme viventi.
E’ stata una legge quantica a permettere la vita.
Nell’atmosfera l’acqua è presente sotto forma di vapore e, a parità di spessore, le molecole sono meno numerose; quindi l’attenuazione è ancora più debole. Nelle rare e limpide giornate( blue sky) la luce attraversa l’aria subendo pochissima attenuazione.
A seconda della composizione chimica delle sostanze cristalline si ha una moltitudine di diversi stati quantici con livelli energetici differenti poiché ogni atomo o molecola di sostanze aggiunte modifica i livelli energetici della molecola o atomo isolato. È di solito l’aggiunta d’atomi o molecole d’ossidi di metallo che rende i composti isolanti colorati. Nelle sostanze, cristalli e pietre preziose sono sufficienti aggiunte di piccole percentuali di molecole di metalli od ossidi per modificare i livelli energetici che erano le molecole del cristallo isolato (non dimentichiamo che l’ottone è giallo, il rame è rosso ecc ecc). L’aggiunta di questi ossidi fa sì che in natura si generino pietre di tante sfumature colorate.
Si ringrazia Mauro Prencipe per gli utili chiarimenti durante la stesura della risposta.
1)In via lattea vi sono numerose risposte che chiariscono il fotone e molti aspetti dello scambio energetico tra particelle. Usate il motore di ricerca interno.
Gianfranco Verbana.