Según los detalles de la pregunta, parece que su pregunta principal no es tanto, “¿Por qué el vidrio es transparente?” tal como está, “¿Cómo es posible que la luz viaje esencialmente sin obstáculos a través de un material tan denso como el vidrio?”
La respuesta a la última pregunta es que incluso los materiales densos como el vidrio o el plomo son espacios casi completamente vacíos. Esta es también la respuesta a la antigua pregunta: “¿Está el vaso medio lleno o medio vacío?” Para un físico, tanto el aire como el agua en el vaso son espacios casi enteramente vacíos; un vaso verdaderamente medio lleno sería tan denso como una estrella de neutrones y pesaría billones de libras.
Entonces la luz viaja a través del vidrio casi sin obstáculos porque el vidrio casi no está allí . El vidrio es una red irregular muy espaciada de núcleos extremadamente pequeños rodeados de nubes de electrones aún más pequeños. Un misterio igualmente confuso de la física es cómo cualquier cosa logra tocar algo más, considerando que ambos esencialmente no están allí. La respuesta es que, aparte de las reacciones nucleares, casi todo lo que sucede en el mundo está mediado por campos electromagnéticos producidos por los electrones en el material. La materia casi nunca toca otra materia; solo interactúa con otra materia a través de campos.
- ¿Cómo funcionan los fotones en la interacción de la fuerza electromagnética? ¿Cómo podemos relacionar esto de una manera divertida y de manera similar cómo funcionaría un gravitón?
- ¿Existe (y por qué?) Una tendencia clara de que los mejores estudiantes de la India no están interesados en tomar la física como carrera?
- ¿Se ha observado alguna vez energía negativa?
- Cómo convertir el movimiento rotativo en electricidad
- ¿Qué color refleja más luz, después del blanco?
Entonces, la única forma en que la luz podría verse afectada por la presencia de materia es si interactúa con los electrones a través del campo electromagnético. Este es el quid de la respuesta a ¿Por qué algunos materiales son transparentes y otros no? Todo depende de las formas particulares en que los campos electromagnéticos de la luz interactúan con los electrones en el material.
No hay razón “mecánica” de que la materia presente un obstáculo para la propagación de la luz; la materia es realmente muy pequeña y casi no existe. Los casos en que la materia proporciona un obstáculo para la luz solo pueden entenderse en términos de interacciones electromagnéticas.
Con esto en mente, la razón principal por la que el vidrio es claro es porque tiene una gran separación de banda.
La brecha de banda se refiere al tamaño de la brecha en los niveles de energía permitidos para los electrones en un material, entre el nivel de energía más alto que normalmente se llena a temperatura ambiente y el siguiente nivel de energía permitido por encima de eso. Este es un factor importante para determinar si un material es un conductor eléctrico, un semiconductor o un aislante. De hecho, esas categorías son en última instancia arbitrarias. En realidad, hay un espectro continuo de conductores a semiconductores a aisladores. Pero ese es un tema para otra discusión.
La gran brecha de banda es importante para la transparencia porque una de las principales formas en que la luz puede verse afectada por la materia es cuando un electrón absorbe un fotón. El electrón salta a un nivel de energía más alto y el fotón desaparece. Sin embargo, para que un electrón absorba, se deben cumplir dos criterios:
1) Debe haber un nivel de energía permitido en la nueva energía que tendría el electrón después de absorber el fotón.
Entonces, si el electrón ya está en un nivel con energía E1, y el fotón que entra tiene energía Ep, entonces debe haber un nivel de energía permitido en E2 = E1 + Ep. Es decir, E2 no debe estar dentro del intervalo de banda.
2) Debe haber un espacio libre en el nuevo nivel de energía
En una ubicación dada dentro de un material, cada nivel de energía particular solo puede contener un número finito de electrones. Si el nivel E2 al que el electrón quiere saltar existe, pero ya está lleno de electrones, entonces el electrón no puede absorber. Esto es importante porque, como se mencionó anteriormente, el intervalo de banda comienza en el nivel de energía más alto que se llena a temperatura ambiente y, además, debido a la mecánica estadística de los electrones, cada nivel de energía por debajo de ese también se llena.
Como consecuencia, solo los electrones cerca del fondo de la banda podrían absorberse. Si un electrón muy por debajo del fondo de la brecha intentara absorberse, miraría por encima de él al nivel al que quiere saltar y descubrirá que ese nivel ya está lleno.
Combinando esto con la regla (1), vemos que los electrones en la parte inferior del intervalo de banda solo pueden absorber si el fotón les da suficiente energía para saltar por encima de la parte superior del intervalo de banda. Es decir, solo los fotones cuya energía es mayor que el tamaño del intervalo de banda pueden ser absorbidos.
La brecha de banda del vidrio es lo suficientemente grande como para que los fotones de luz visible no tengan suficiente energía para participar en eventos de absorción. Sin embargo, si miras el vidrio en el rango UV, en realidad es bastante opaco. De manera similar, el silicio es opaco en el rango visible porque tiene un espacio de banda más pequeño que el vidrio, pero si observa el silicio en el rango IR, se vuelve transparente.
Por supuesto, hay muchas complicaciones y advertencias para este modelo que desafortunadamente este margen es demasiado estrecho para contener, así como muchos otros factores que pueden determinar si un material es transparente o no. Sin embargo, esta es una descripción general de la razón principal por la que el vidrio en particular es transparente en el rango visible.
Prima
En la optoelectrónica de semiconductores, existe un efecto claro que se puede entender en términos de este modelo que permite que un material cambie de opaco a transparente y viceversa sin ningún cambio químico. Como se mencionó anteriormente, la absorción solo puede ocurrir si el nivel de energía al que el electrón quiere saltar tiene una ranura desocupada. Si explota ciertos materiales con suficiente luz en una longitud de onda particular, puede hacer que los niveles justo por encima de la parte superior de la banda se llenen. Eso evita que más electrones salten a esos niveles, y el material se vuelve temporalmente transparente a esa longitud de onda particular. Esto se llama absorción saturable.
La velocidad de conmutación puede ser extremadamente alta; de hecho, estos materiales a menudo se usan en la construcción de láseres que producen pulsos ultracortos en el rango de femtosegundos al recortar repetidamente solo el extremo frontal del pulso al cambiar de opaco a transparente en el momento justo.
