Transparenz und Transluzenz

Wenn Licht auf ein Objekt trifft, hat es normalerweise nicht nur eine einzige Frequenz (oder Wellenlänge), sondern viele. Objekte neigen dazu, Licht bestimmter Frequenzen selektiv zu absorbieren, zu reflektieren oder zu übertragen. Das heißt, ein Objekt könnte grünes Licht reflektieren und gleichzeitig alle anderen Frequenzen des sichtbaren Lichts absorbieren. Ein anderes Objekt könnte selektiv blaues Licht übertragen, während es alle anderen Frequenzen des sichtbaren Lichts absorbiert., Die Art und Weise, wie sichtbares Licht mit einem Objekt interagiert, hängt von der Frequenz des Lichts, der Natur der Atome im Objekt und oft von der Natur der Elektronen in den Atomen des Objekts ab.

Einige Materialien erlauben, dass ein Großteil des Lichts, das auf sie fällt, durch das Material übertragen wird, ohne reflektiert zu werden. Materialien, die die Übertragung von Lichtwellen durch sie ermöglichen, werden als optisch transparent bezeichnet. Chemisch reines (undotiertes) Fensterglas und sauberes Fluss-oder Quellwasser sind Paradebeispiele dafür.,

Materialien, die keine Übertragung von Lichtwellenfrequenzen erlauben, werden als undurchsichtig bezeichnet. Solche Substanzen können eine chemische Zusammensetzung haben, die sogenannte Absorptionszentren umfasst. Die meisten Materialien bestehen aus Materialien, die selektiv in ihrer Absorption von Lichtfrequenzen sind. So absorbieren Sie nur bestimmte Teile des sichtbaren Spektrums. Die Frequenzen des Spektrums, die nicht absorbiert werden, werden entweder reflektiert oder für unsere körperliche Beobachtung übertragen. Im sichtbaren Teil des Spektrums führt dies zu Farbe.,

Absorptionszentren sind weitgehend für das Auftreten spezifischer Wellenlängen des sichtbaren Lichts um uns herum verantwortlich. Übergang von längeren (0,7 Mikrometer) zu kürzeren (0,4 Mikrometer) Wellenlängen: Rot, orange, Gelb, Grün und Blau (ROYGB) können alle durch unsere Sinne beim Auftreten von Farbe durch die selektive Absorption bestimmter Lichtwellenfrequenzen (oder Wellenlängen) identifiziert werden. Mechanismen der selektiven Licht Welle absorption gehören:

• Elektronische: Übergänge in Elektronen-Energieniveaus innerhalb des atoms (z.B. Pigmente)., Diese Übergänge befinden sich typischerweise im ultravioletten (UV) und / oder sichtbaren Teil des Spektrums.
• Vibration: Resonanz in atomaren / molekularen Schwingungsmodi. Diese Übergänge befinden sich typischerweise im Infrarotbereich des Spektrums.

UV-Vis: Elektronische transitionsEdit

Bei der elektronischen Absorption liegt die Frequenz der einfallenden Lichtwelle auf oder nahe den Energieniveaus der Elektronen in den Atomen, aus denen die Substanz besteht., In diesem Fall absorbieren die Elektronen die Energie der Lichtwelle und erhöhen ihren Energiezustand, wobei sie sich oft vom Kern des Atoms in eine äußere Hülle oder ein Orbital nach außen bewegen.

Die Atome, die aneinander binden, um die Moleküle einer bestimmten Substanz zu bilden, enthalten eine Anzahl von Elektronen (angegeben durch die Ordnungszahl Z im Periodendiagramm). Denken Sie daran, dass alle Lichtwellen elektromagnetischen Ursprungs sind. So sind sie stark betroffen, wenn sie mit negativ geladenen Elektronen in Materie in Kontakt kommen., Wenn Photonen (einzelne Pakete von Lichtenergie) mit den Valenzelektronen des Atoms in Kontakt kommen, kann und wird eines von mehreren Dingen auftreten:

• Ein Molekül absorbiert das Photon, ein Teil der Energie kann durch Lumineszenz, Fluoreszenz und Phosphoreszenz verloren gehen.
• Ein Molekül absorbiert das Photon, was zu Reflexion oder Streuung führt.
• Ein Molekül kann die Energie des Photons nicht absorbieren und das Photon setzt seinen Weg fort. Dies führt zu einer Übertragung (sofern keine anderen Absorptionsmechanismen aktiv sind).,

Meistens ist es eine Kombination aus dem Obigen, die mit dem Licht passiert, das auf ein Objekt trifft. Die Zustände in verschiedenen Materialien variieren im Bereich der Energie, die sie absorbieren können. Die meisten Gläser blockieren beispielsweise ultraviolettes (UV) Licht. Was passiert, ist, dass die Elektronen im Glas die Energie der Photonen im UV-Bereich absorbieren und gleichzeitig die schwächere Energie der Photonen im sichtbaren Lichtspektrum ignorieren. Es gibt aber auch bestehende Spezialglasarten, wie spezielle Borosilikatglasarten oder Quarz, die UV-durchlässig sind und somit eine hohe Transmission von ultraviolettem Licht ermöglichen.,

Wenn ein Material beleuchtet wird, können einzelne Lichtphotonen die Valenzelektronen eines Atoms auf ein höheres elektronisches Energieniveau bringen. Das Photon wird dabei zerstört und die absorbierte Strahlungsenergie in elektrische Potentialenergie umgewandelt. Die absorbierte Energie kann dann von einem Elektron als Strahlungsenergie wieder emittiert werden (in diesem Fall ist der Gesamteffekt tatsächlich eine Streuung des Lichts), die auf den Rest des Materials abgeführt wird (d. H., in Wärme umgewandelt), oder das Elektron kann vom Atom befreit werden (wie in den photoelektrischen und Compton-Effekten).

Infrarot: Bindungsdehnungedit

Der primäre physikalische Mechanismus zum Speichern mechanischer Bewegungsenergie in kondensierter Materie erfolgt durch Wärme oder Wärmeenergie. Thermische Energie manifestiert sich als Bewegungsenergie. Somit wird Wärme auf atomarer und molekularer Ebene erzeugt. Die primäre Bewegungsart in kristallinen Substanzen ist die Vibration., Jedes gegebene Atom vibriert um eine mittlere oder durchschnittliche Position innerhalb einer kristallinen Struktur, umgeben von seinen nächsten Nachbarn. Diese Schwingung in zwei Dimensionen entspricht der Schwingung des Pendels einer Uhr. Es schwingt symmetrisch um eine mittlere oder durchschnittliche (vertikale) Position hin und her. Atomare und molekulare Schwingungsfrequenzen können in der Größenordnung von 1012 Zyklen pro Sekunde (Terahertz-Strahlung) durchschnittlich sein.,

Wenn eine Lichtwelle einer bestimmten Frequenz auf ein Material trifft, dessen Teilchen die gleichen oder (resonanten) Schwingungsfrequenzen haben, absorbieren diese Teilchen die Energie der Lichtwelle und wandeln sie in thermische Energie der Schwingungsbewegung um. Da verschiedene Atome und Moleküle unterschiedliche natürliche Schwingungsfrequenzen haben, absorbieren sie selektiv unterschiedliche Frequenzen (oder Teile des Spektrums) von Infrarotlicht., Reflexion und Übertragung von Lichtwellen treten auf, weil die Frequenzen der Lichtwellen nicht mit den natürlichen Resonanzfrequenzen der Vibration der Objekte übereinstimmen. Wenn Infrarotlicht dieser Frequenzen auf ein Objekt trifft, wird die Energie reflektiert oder übertragen.

Wenn das Objekt transparent ist, werden die Lichtwellen durch den Großteil des Materials an benachbarte Atome weitergegeben und auf der gegenüberliegenden Seite des Objekts erneut emittiert. Solche Frequenzen von Lichtwellen sollen übertragen werden.,

Transparenz in isolatorenEdit

Ein Objekt kann nicht transparent sein, entweder weil es das einfallende Licht reflektiert oder weil es das einfallende Licht absorbiert. Fast alle Feststoffe reflektieren einen Teil und absorbieren einen Teil des einfallenden Lichts.

Wenn Licht auf einen Metallblock fällt, trifft es auf Atome, die in einem regelmäßigen Gitter dicht gepackt sind und ein „Meer von Elektronen“, die sich zufällig zwischen den Atomen bewegen., In Metallen sind die meisten davon nicht bindende Elektronen (oder freie Elektronen) im Gegensatz zu den Bindungselektronen, die typischerweise in kovalent gebundenen oder ionisch gebundenen nichtmetallischen (isolierenden) Feststoffen vorkommen. In einer metallischen Bindung können potentielle Bindungselektronen durch die Atome in einer kristallinen Struktur leicht verloren gehen. Der Effekt dieser Delokalisierung besteht einfach darin, die Wirkung des „Elektronenmeeres“zu übertreiben. Infolge dieser Elektronen wird der größte Teil des einfallenden Lichts in Metallen zurückreflektiert, weshalb wir eine glänzende Metalloberfläche sehen.,

Die meisten Isolatoren (oder dielektrischen Materialien) werden durch Ionenbindungen zusammengehalten. Somit haben diese Materialien keine freien Leitungselektronen, und die Bindungselektronen reflektieren nur einen kleinen Bruchteil der einfallenden Welle. Die verbleibenden Frequenzen (oder Wellenlängen) können sich frei ausbreiten (oder übertragen werden). Diese Materialklasse umfasst alle Keramiken und Gläser.

Wenn ein dielektrisches Material keine lichtabsorbierenden Additivmoleküle (Pigmente, Farbstoffe, Farbstoffe) enthält, ist es normalerweise für das Spektrum des sichtbaren Lichts transparent., Farbzentren (oder Farbstoffmoleküle oder „Dotierstoffe“) in einem Dielektrikum absorbieren einen Teil des einfallenden Lichts. Die verbleibenden Frequenzen (oder Wellenlängen) können frei reflektiert oder übertragen werden. So wird farbiges Glas hergestellt.

Die meisten Flüssigkeiten und wässrigen Lösungen sind hochtransparent. Zum Beispiel sind Wasser, Speiseöl, Alkohol, Luft und Erdgas klar. Fehlen von strukturellen Defekten (Hohlräume,Risse usw.) und molekulare Struktur der meisten Flüssigkeiten sind hauptsächlich für ihre ausgezeichnete optische Übertragung verantwortlich., Die Fähigkeit von Flüssigkeiten, innere Defekte über viskosen Fluss zu „heilen“, ist einer der Gründe, warum einige Fasermaterialien (z. B. Papier oder Gewebe) ihre scheinbare Transparenz erhöhen, wenn sie benetzt werden. Die Flüssigkeit füllt zahlreiche Hohlräume auf, wodurch das Material strukturell homogener wird.

Lichtstreuung in einem idealen fehlerfreien kristallinen (nichtmetallischen) Feststoff, der keine Streuzentren für einfallendes Licht bereitstellt, ist in erster Linie auf irgendwelche Effekte der Anharmonizität innerhalb des geordneten Gitters zurückzuführen., Die Lichtdurchlässigkeit wird aufgrund der typischen Anisotropie kristalliner Substanzen, einschließlich ihrer Symmetriegruppe und ihres Bravais-Gitters, stark direktional sein. Zum Beispiel sind die sieben verschiedenen kristallinen Formen von Quarzdioxid (Siliciumdioxid, SiO2) alle klare, transparente Materialien.