Quando la luce colpisce un oggetto, di solito non ha solo una singola frequenza (o lunghezza d’onda), ma molti. Gli oggetti hanno la tendenza ad assorbire, riflettere o trasmettere selettivamente la luce di determinate frequenze. Cioè, un oggetto potrebbe riflettere la luce verde mentre assorbe tutte le altre frequenze della luce visibile. Un altro oggetto potrebbe trasmettere selettivamente la luce blu assorbendo tutte le altre frequenze della luce visibile., Il modo in cui la luce visibile interagisce con un oggetto dipende dalla frequenza della luce, dalla natura degli atomi nell’oggetto e spesso dalla natura degli elettroni negli atomi dell’oggetto.
Alcuni materiali consentono che gran parte della luce che cade su di essi venga trasmessa attraverso il materiale senza essere riflessa. I materiali che consentono la trasmissione di onde luminose attraverso di essi sono chiamati otticamente trasparenti. Il vetro della finestra chimicamente puro (non drogato) e l’acqua pulita del fiume o della sorgente sono i primi esempi di questo.,
I materiali che non consentono la trasmissione di alcuna frequenza d’onda luminosa sono chiamati opachi. Tali sostanze possono avere una composizione chimica che include quelli che sono indicati come centri di assorbimento. La maggior parte dei materiali sono composti da materiali che sono selettivi nel loro assorbimento delle frequenze luminose. Quindi assorbono solo alcune porzioni dello spettro visibile. Le frequenze dello spettro che non vengono assorbite vengono riflesse o trasmesse per la nostra osservazione fisica. Nella porzione visibile dello spettro, questo è ciò che dà origine al colore.,
I centri di assorbimento sono in gran parte responsabili della comparsa di specifiche lunghezze d’onda della luce visibile intorno a noi. Passando da lunghezze d’onda più lunghe (0,7 micrometri) a lunghezze d’onda più corte (0,4 micrometri): rosso, arancione, giallo, verde e blu (ROYGB) possono essere identificati dai nostri sensi nell’aspetto del colore dall’assorbimento selettivo di specifiche frequenze d’onda della luce (o lunghezze d’onda). I meccanismi di assorbimento selettivo delle onde luminose includono:
- Elettronico: transizioni nei livelli di energia degli elettroni all’interno dell’atomo (ad esempio, pigmenti)., Queste transizioni sono tipicamente nelle porzioni ultraviolette (UV) e / o visibili dello spettro.
- Vibrazionale: Risonanza in modalità vibrazionale atomica / molecolare. Queste transizioni sono tipicamente nella porzione infrarossa dello spettro.
UV-Vis: Electronic transitionsEdit
Nell’assorbimento elettronico, la frequenza dell’onda luminosa in entrata è pari o vicina ai livelli di energia degli elettroni all’interno degli atomi che compongono la sostanza., In questo caso, gli elettroni assorbiranno l’energia dell’onda luminosa e aumenteranno il loro stato energetico, spesso spostandosi verso l’esterno dal nucleo dell’atomo in un guscio esterno o orbitale.
Gli atomi che si legano insieme per rendere le molecole di una particolare sostanza contengono un numero di elettroni (dato dal numero atomico Z nel grafico periodico). Ricordiamo che tutte le onde luminose sono di origine elettromagnetica. Pertanto sono fortemente influenzati quando entrano in contatto con elettroni caricati negativamente nella materia., Quando i fotoni (singoli pacchetti di energia luminosa) entrano in contatto con gli elettroni di valenza dell’atomo, una delle diverse cose può e si verificherà:
- Una molecola assorbe il fotone, parte dell’energia può essere persa tramite luminescenza, fluorescenza e fosforescenza.
- Una molecola assorbe il fotone che si traduce in riflessione o dispersione.
- Una molecola non può assorbire l’energia del fotone e il fotone continua il suo percorso. Ciò si traduce in trasmissione (a condizione che non siano attivi altri meccanismi di assorbimento).,
La maggior parte del tempo, è una combinazione di quanto sopra che accade alla luce che colpisce un oggetto. Gli stati in diversi materiali variano nella gamma di energia che possono assorbire. La maggior parte degli occhiali, ad esempio, blocca la luce ultravioletta (UV). Quello che succede è che gli elettroni nel vetro assorbono l’energia dei fotoni nell’intervallo UV ignorando l’energia più debole dei fotoni nello spettro della luce visibile. Ma esistono anche tipi di vetro speciali esistenti, come tipi speciali di vetro borosilicato o quarzo che sono permeabili ai raggi UV e quindi consentono un’elevata trasmissione della luce ultravioletta.,
Quindi, quando un materiale è illuminato, i singoli fotoni di luce possono far passare gli elettroni di valenza di un atomo a un livello di energia elettronica più elevato. Il fotone viene distrutto nel processo e l’energia radiante assorbita viene trasformata in energia potenziale elettrica. All’energia assorbita possono poi accadere diverse cose: può essere riemessa dall’elettrone come energia radiante (in questo caso l’effetto complessivo è infatti una dispersione di luce), dissipata al resto del materiale (es., l’elettrone può essere liberato dall’atomo (come negli effetti fotoelettrici e Compton).
Infrared: Bond stretchingEdit
Modalità normali di vibrazione in un solido cristallino
Il meccanismo fisico primario per immagazzinare l’energia meccanica del movimento nella materia condensata è attraverso il calore, o energia termica. L’energia termica si manifesta come energia del movimento. Quindi, il calore è movimento a livello atomico e molecolare. La modalità primaria di movimento nelle sostanze cristalline è la vibrazione., Ogni atomo vibrerà attorno a una posizione media o media all’interno di una struttura cristallina, circondata dai suoi vicini più vicini. Questa vibrazione in due dimensioni è equivalente all’oscillazione del pendolo di un orologio. Oscilla avanti e indietro simmetricamente su una posizione media o media (verticale). Le frequenze vibrazionali atomiche e molecolari possono essere medie dell’ordine di 1012 cicli al secondo (radiazione Terahertz).,
Quando un’onda luminosa di una data frequenza colpisce un materiale con particelle aventi le stesse frequenze vibrazionali o (risonanti), allora quelle particelle assorbiranno l’energia dell’onda luminosa e la trasformeranno in energia termica del movimento vibrazionale. Poiché diversi atomi e molecole hanno diverse frequenze naturali di vibrazione, assorbiranno selettivamente diverse frequenze (o porzioni dello spettro) della luce infrarossa., La riflessione e la trasmissione delle onde luminose si verificano perché le frequenze delle onde luminose non corrispondono alle frequenze risonanti naturali della vibrazione degli oggetti. Quando la luce infrarossa di queste frequenze colpisce un oggetto, l’energia viene riflessa o trasmessa.
Se l’oggetto è trasparente, le onde luminose vengono trasmesse agli atomi vicini attraverso la maggior parte del materiale e riemesse sul lato opposto dell’oggetto. Si dice che tali frequenze di onde luminose siano trasmesse.,
Trasparenza in insulatorsEdit
Un oggetto potrebbe non essere trasparente perché riflette la luce in entrata o perché assorbe la luce in entrata. Quasi tutti i solidi riflettono una parte e assorbono una parte della luce in arrivo.
Quando la luce cade su un blocco di metallo, incontra atomi che sono strettamente imballati in un reticolo regolare e un “mare di elettroni” che si muove casualmente tra gli atomi., Nei metalli, la maggior parte di questi sono elettroni non leganti (o elettroni liberi) in contrasto con gli elettroni leganti tipicamente trovati in solidi non metallici (isolanti) legati covalentemente o legati ionicamente. In un legame metallico, qualsiasi potenziale legame elettroni possono essere facilmente persi dagli atomi in una struttura cristallina. L’effetto di questa delocalizzazione è semplicemente quello di esagerare l’effetto del “mare di elettroni”. Come risultato di questi elettroni, la maggior parte della luce in entrata nei metalli viene riflessa indietro, motivo per cui vediamo una superficie metallica lucida.,
La maggior parte degli isolanti (o materiali dielettrici) sono tenuti insieme da legami ionici. Pertanto, questi materiali non hanno elettroni di conduzione liberi e gli elettroni di legame riflettono solo una piccola frazione dell’onda incidente. Le restanti frequenze (o lunghezze d’onda) sono libere di propagarsi (o essere trasmesse). Questa classe di materiali include tutte le ceramiche e gli occhiali.
Se un materiale dielettrico non include molecole additive assorbenti la luce (pigmenti, coloranti, coloranti), di solito è trasparente allo spettro della luce visibile., I centri di colore (o molecole di tintura, o “droganti”) in un dielettrico assorbono una parte della luce in entrata. Le restanti frequenze (o lunghezze d’onda) sono libere di essere riflesse o trasmesse. Ecco come viene prodotto il vetro colorato.
La maggior parte dei liquidi e delle soluzioni acquose sono altamente trasparenti. Ad esempio, acqua, olio da cucina, alcool, aria e gas naturale sono tutti chiari. Assenza di difetti strutturali (vuoti, crepe, ecc.) e la struttura molecolare della maggior parte dei liquidi sono principalmente responsabili della loro eccellente trasmissione ottica., La capacità dei liquidi di” guarire ” i difetti interni attraverso il flusso viscoso è uno dei motivi per cui alcuni materiali fibrosi (ad esempio, carta o tessuto) aumentano la loro apparente trasparenza quando vengono bagnati. Il liquido riempie numerosi vuoti rendendo il materiale più strutturalmente omogeneo.
La dispersione della luce in un solido cristallino (non metallico) ideale privo di difetti che non fornisce centri di dispersione per la luce in entrata sarà dovuta principalmente a qualsiasi effetto di anarmonicità all’interno del reticolo ordinato., La trasmissione della luce sarà altamente direzionale a causa della tipica anisotropia delle sostanze cristalline, che include il loro gruppo di simmetria e il reticolo di Bravais. Ad esempio, le sette diverse forme cristalline di silice di quarzo (biossido di silicio, SiO2) sono tutti materiali chiari e trasparenti.