Transparență și transluciditate

Dezambiguizare - „Transparență” se referă aici. Dacă căutați alte semnificații, consultați Transparență (dezambiguizare) .

Filtrele dicroice sunt create folosind materiale optic transparente.

Transparența ( de asemenea , numit pellucidity sau diaphaneity) este proprietatea fizică , care permite luminii sa treaca printr - un material de , în timp ce transluciditatea ( de asemenea , numit translucenta) permite luminii să treacă prin ea într - un difuză mod. Proprietatea opusă este opacitatea . Materialele transparente sunt clare, în timp ce materialele translucide nu vă permit să vedeți clar.

Când lumina întâlnește un material, acesta poate interacționa cu el în moduri diferite. Aceste interacțiuni depind de natura luminii ( lungimea de undă , frecvența , energia etc.) și de natura materialului. Undele de lumină interacționează cu un obiect prin multe fenomene; cele mai frecvente sunt absorbția , reflexia , transmisia , refracția , difuzia .

Unele materiale, cum ar fi sticla plată (sticla) și apa limpede, permit ca cea mai mare parte a luminii care cade pe ea să fie transmisă cu reflexie redusă; astfel de materiale sunt definite optic transparente . Multe lichide și soluții apoase sunt foarte transparente. Absența defectelor structurale (goluri, fisuri etc.) și absența absorbției de către molecule a majorității lichidelor sunt responsabile pentru transmisia lor optică excelentă.

Materialele care nu permit transmiterea luminii sunt numite opace. Multe dintre aceste substanțe au o compoziție chimică care include „centre de absorbție”. Multe substanțe sunt selective în absorbția diferitelor frecvențe care alcătuiesc lumina albă . Frecvențele spectrului care nu sunt absorbite sunt transmise sau reflectate, specular sau difuz. Aceasta este ceea ce dă naștere culorilor . Corpurile negre absorb toate frecvențele; corpurile albe reflectă difuz toate frecvențele fără a absorbi niciunul. ^[1]

Comparații între 1. opacitate , 2. transparență și 3. transparență; în spatele fiecărui panou se află o stea

Descriere

În ceea ce privește absorbția luminii, considerațiile referitoare la materialele primare sunt următoarele:

• La nivel electronic, absorbția în porțiuni a spectrului ultraviolet și vizibil (UV-Vis) depinde de dacă orbitalii electronilor sunt distanțați (sau „cuantizați”) în așa fel încât să poată absorbi modul în care lumina (sau fotonul ) de o frecvență specifică, fără a încălca regulile de selecție . De exemplu, în majoritatea ochelarilor, electronii nu au niveluri de energie disponibile deasupra lor în câmpul asociat cu lumina vizibilă sau, dacă au, încalcă regulile de selecție. Astfel, nu există o absorbție apreciabilă în sticla pură ( nedopată ), ceea ce le face materialele transparente ideale pentru construirea ferestrelor.
• La nivel atomic sau molecular, absorbția fizică în porțiunea infraroșie a spectrului depinde de frecvențele vibrațiilor atomice sau moleculare sau de legăturile chimice și regulile de selecție. Azotul și oxigenul nu sunt gaze cu efect de seră deoarece absorbția este interzisă din cauza lipsei unui moment dipolar molecular.

În ceea ce privește împrăștierea luminii , cel mai critic factor este scala de lungime a uneia sau a tuturor acestor caracteristici structurale legate de lungimea de undă a luminii împrăștiate. Principalele aspecte privind preocuparea materială:

• Structura cristalină: cât de compact sunt împachetați atomii sau moleculele sale și dacă atomii sau moleculele au sau nu „ordinea pe termen lung” este evidențiat în solidele cristaline.
• Structura sticlei: centrele de împrăștiere includ fluctuații de densitate și / sau compoziție.
• Microstructura: centrele de difuzie includ suprafețele interne, cum ar fi: granule, limite granulare și pori microscopici.

Natura luminii

Spectru complet de radiații electromagnetice cu porțiunea vizibilă evidențiată

Spectrul de culori care alcătuiesc colectiv lumina albă (sau vizibilă), așa cum se vede în dispersia lor printr-o prismă dispersivă triunghiulară

Energia radiantă este energia care se propagă sub formă de unde electromagnetice . Tipul de lumină pe care îl percepem prin senzorii noștri optici (ochii) este denumit lumină albă și este alcătuit dintr-o gamă de culori - roșu, portocaliu, galben, verde, albastru (ROYGB, roșu, portocaliu, galben, verde, albastru ) - inclus într-un anumit interval de lungimi de undă sau frecvențe . Lumina vizibilă (albă) este doar o mică parte din întregul spectru de radiații electromagnetice . La o lungime de undă scurtă pe această scară există lumină ultravioletă invizibilă (UV). La lungimi de undă mai scurte decât razele UV sunt X- raze și raze gamma . La sfârșitul celei mai lungi lungimi de undă a acestui spectru este lumina cu infraroșu (IR), care este utilizată pentru viziunea de noapte și alte dispozitive care caută căldură . La lungimi de undă mai mari decât în ​​infraroșu există microunde (radar) și unde de radio / televiziune .

Radiațiile electromagnetice sunt clasificate în funcție de frecvența (sau lungimea de undă, care este invers proporțională cu frecvența) luminii care include (în ordinea creșterii frecvenței): unde radio, microunde, radiații terahertz, radiații infraroșii, lumină vizibilă, ultraviolete (UV) , Raze X și raze gamma. Dintre acestea, undele radio au lungimi de undă mai mari, iar razele gamma au altele mai scurte. O fereastră mică de frecvențe, numită porțiunea vizibilă (sau lumina albă) a spectrului, este percepută cu ochiul liber de diferite organisme. ^[2]

Cea mai simplă reprezentare a unui fascicul de lumină este prin utilizarea fasciculului de lumină , ale cărui proprietăți cele mai importante sunt absența masei și deplasarea acestuia de-a lungul unei linii drepte. Razele de lumină interacționează cu materialele ( lichide și solide ) în multe moduri diferite, în funcție de modul și în ce cantitate sunt absorbite, reflectate sau transmise. În cazul reflexiei, interacțiunea depinde de proprietățile fizico-chimice ale substanței. Dacă suprafața materialelor este perfect netedă (de exemplu o oglindă ), razele de lumină în ansamblu suferă o reflecție totală (sau reflecție speculară ), toate într- o linie paralelă între ele după ce au gravat suprafața sticlei cu un anumit unghi .

Difuzia luminii

Același subiect în detaliu: Difuzie optică .

Mecanism general de reflecție difuză de la o suprafață solidă

Reflecție difuză - Lumina care lovește suprafața majorității materialelor este reflectată în multe direcții aleatorii datorită reflexiilor multiple din neregularitățile microscopice interne sau de suprafață ale materialului (de exemplu, limitele granulelor din materialele policristaline sau ale marginilor celulelor sau ale fibrelor în cele organice). Acest tip de reflecție se numește „reflecție difuză” și se caracterizează prin unghiuri de reflecție în toate direcțiile. Majoritatea obiectelor vizibile cu ochiul liber sunt identificate prin reflecție difuză, care este un fenomen de „ împrăștiere a luminii ” și reprezintă principalul nostru mecanism de observare fizică . ^{[3] [4]}

Răspândirea luminii în lichide și solide depinde de lungimea de undă împrăștiată. Limitele scalelor spațiale de vizibilitate (folosind lumina albă) depind, prin urmare, de frecvența undei luminoase și de dimensiunea fizică (sau scara spațială) a centrului de împrăștiere. Lumina vizibilă are o scară de lungime de undă de ordinul a jumătate de micrometru (o milionime de metru). Centrele de difuzie (sau particulele) de până la un micron au fost observate direct la microscopul cu lumină (de exemplu, particulele a căror mișcare browniană este observată). ^{[5] [6]}

Absorbția luminii în solide

Când lumina lovește un obiect, acesta are de obicei nu doar o singură frecvență (sau lungime de undă), ci multe. Obiectele au tendința de a absorbi, reflecta sau transmite selectiv lumina cu anumite frecvențe. Adică, un obiect ar putea reflecta lumina verde, absorbind în schimb toate celelalte frecvențe ale luminii vizibile. În mod similar, un alt obiect ar putea transmite selectiv lumina albastră, absorbind toate celelalte frecvențe. Modul în care lumina vizibilă interacționează cu un obiect depinde de frecvența acestuia, de natura atomilor obiectului și , adesea, de natura densității și polarizării electronilor acestora.

Unele materiale, definite ca transparente din punct de vedere optic, permit ca o mare parte din lumina care le lovește să fie transmisă prin ele fără a fi reflectată. Sticla pură din punct de vedere chimic (adică nedopată) și apa limpede sunt exemple excelente.

Materialele care nu permit transmiterea niciunei frecvențe de undă a luminii sunt definite ca opace . Aceste substanțe au o compoziție chimică care include ceea ce se numește „centre de absorbție”. Majoritatea materialelor constau din substanțe care absorb selectiv frecvența luminii albe. Astfel, ei absorb unele părți ale spectrului vizibil, reflectând altele. Frecvențele spectrului care nu sunt absorbite, sunt fie reflectate, fie transmise pentru observarea noastră fizică. În porțiunea vizibilă a spectrului este ceea ce dă naștere culorilor. ^{[7] [8]}

Centrii de culoare sunt în mare parte responsabili de apariția lungimilor de undă specifice ale luminii vizibile din jurul nostru, variind de la cea mai lungă lungime de undă (0,7 micrometri) până la cea mai scurtă (0,4 micrometri): culorile roșu, portocaliu, galben, verde și albastru (ROYGB, roșu , portocaliu, galben, verde, albastru ) pot fi identificate prin simțurile noastre datorită apariției culorii datorită absorbției selective a frecvențelor specifice ale undelor luminoase (sau a lungimilor de undă). Mecanismele de absorbție selectivă a undelor de lumină sunt:

• Electronic: trecerea nivelurilor de energie ale electronilor în interiorul atomului (de exemplu, pigmenți ) care apar în general în porțiunile ultraviolete (UV) și / sau vizibile ale spectrului.
• Vibrațional: rezonanță în modurile vibraționale atomice / moleculare. Aceste tranziții apar de obicei în partea infraroșie a spectrului.

UV-Vis: tranziții electronice

În absorbția electronică, frecvența undelor de lumină care intră este apropiată de nivelurile de energie ale electronilor din atomii care alcătuiesc substanța. În acest caz, electronii vor absorbi energia undei luminoase prin creșterea stării lor de energie, deplasându-se adesea în afara nucleului atomic către o orbită sau orbital exterior.

Atomii care se leagă împreună pentru a forma moleculele unei anumite substanțe conțin un număr de electroni (dat de numărul atomic Z din tabelul periodic al elementelor). Amintiți-vă că toate undele luminoase sunt de origine electromagnetică. Drept urmare, acestea sunt puternic afectate atunci când intră în contact cu electroni încărcați negativ . Când fotonii (pachete unice de energie luminoasă) intră în contact cu electronii de valență ai atomului, pot apărea următoarele:

• Un electron absoarbe toată energia fotonului și îl retransmite cu o frecvență diferită (culoare) pe direcții spațiale diferite. Acest lucru duce la luminescență , fluorescență și fosforescență .
• Un electron absoarbe energia fotonului și o trimite înapoi. Așa se întâmplă în reflecție sau difuzie.
• Un electron nu poate absorbi energia fotonului, care își continuă drumul. Acest lucru se întâmplă în transmisie (cu condiția să nu existe alte mecanisme active de absorbție).
• Un electron absoarbe selectiv o porțiune a fotonilor, iar fotonii rămași (cu frecvențe diferite) sunt transmise sub formă de culoare spectrală.

De cele mai multe ori, aceasta este una dintre combinațiile anterioare care apare atunci când lumina lovește un obiect. Electronii din diferite materiale variază în funcție de cantitatea de energie pe care o pot absorbi. Majoritatea ochelarilor, de exemplu, blochează lumina ultravioletă (UV). Se întâmplă ca electronii sticlei să absoarbă energia fotonilor din câmpul UV, ignorându-l pe cel mai slab dintre fotoni din spectrul luminii vizibile.

Astfel, atunci când un material este iluminat, fotoni individuali de lumină pot forma electroni de valență ai unei tranziții atomice la un nivel superior de energie electronică. Fotonul este distrus în acest proces și energia radiantă absorbită este transformată în energie electrică potențială. Se pot întâmpla atâtea lucruri cu energia absorbită, cum ar fi reemiterea electronului sub formă de energie radiantă (în acest caz efectul general este de fapt o împrăștiere a luminii), disipată în restul materialului (adică transformat în căldură), sau electronul poate fi eliberat de atom (ca în efectele fotoelectrice și Compton ).

Infraroșu: prelungirea legăturii

Modurile normale de vibrație într-un solid cristalin.

Mecanismul fizic primar pentru stocarea energiei mecanice datorită mișcării în materia condensată are loc prin căldură sau energie termică . Aceasta se manifestă ca energie a mișcării. Prin urmare, căldura este mișcare la nivel atomic și molecular. Principalul mod de mișcare în substanțele cristaline este vibrația . Orice atom vibrează în jurul unui mediu sau poziție într-o structură cristalină, înconjurat de vecinii săi cei mai apropiați. Această vibrație bidimensională este echivalentă cu oscilația unui pendul de ceas, oscilând înainte și înapoi simetric față de unele mijloace sau poziția medie (verticală). Frecvențele vibraționale atomice și moleculare pot atinge media de ordinul a 10 ¹² cicluri pe secundă ( hertz ).

Când o undă luminoasă cu o anumită frecvență lovește un material format din particule care au toate aceeași frecvență vibrațională (rezonanță), atunci acestea absorb energia undelor luminoase, transformându-le în energie termică a mișcării vibraționale. Deoarece diferite molecule și atomi au frecvențe vibraționale naturale diferite, ele absorb selectiv diferite frecvențe (sau porțiuni ale spectrului) ale luminii infraroșii. Reflecția și transmiterea undelor de lumină are loc deoarece frecvențele undelor de lumină nu se potrivesc cu frecvențele rezonante vibraționale naturale ale obiectelor. Când lumina infraroșie a acestor frecvențe lovește un obiect, energia este reflectată sau transmisă.

Dacă obiectul este transparent, atunci undele luminoase sunt transmise către atomii vecini prin masa materialului și reemise pe partea opusă a acestuia. Aceste frecvențe ale undelor de lumină sunt, prin urmare, „transmise”. ^{[9] [10]}

Transparența materialelor izolante

Un obiect nu poate fi transparent dacă reflectă sau absoarbe lumina primită. Majoritatea solidelor reflectă și absorb o parte din lumina primită.

Când lumina cade pe un bloc de metal, întâlnește atomi care sunt strâns grupați într-o rețea obișnuită și o „mare de electroni” care se mișcă aleatoriu între ei. ^[11] În metale, majoritatea acestora sunt electroni nelegați (sau liberi ), spre deosebire de electronii situați în solidele izolante nemetalice legate legat ionic sau covalent. În metale, orice legătură potențială a electronilor (externi) de valență poate fi ușor ruptă și reconstituită de alți atomi ai structurii cristaline. Efectul acestei delocalizări este pur și simplu de a crea o „mare de electroni” comună. Datorită acestor electroni, cea mai mare parte a luminii care ajunge în metale este reflectată, așa că vedem suprafața metalului strălucitoare .

Majoritatea izolatorilor (sau materialelor dielectrice ) sunt ținuți împreună prin legături ionice . Prin urmare, aceste materiale nu au electroni de conducție liberi, iar electronii legați reflectă doar o mică parte a undei incidente. Frecvențele rămase (sau lungimile de undă) sunt libere să se propage (sau să fie transmise). Această clasă include toate ceramica și sticla .

Dacă nu există molecule suplimentare de absorbție a luminii (pigmenți, coloranți, coloranți) într-un material dielectric, acesta este de obicei transparent la spectrul luminii vizibile. Centrii de culoare (sau moleculele de colorant sau „dopanții”) într-un dielectric absorb o parte din undele de lumină care intră. Frecvențele rămase (sau lungimile de undă) sunt libere să fie reflectate sau transmise. Acesta este principiul sub care se produce sticla colorată.

Majoritatea lichidelor și soluțiilor apoase sunt foarte transparente, cum ar fi apa, uleiul de gătit, alcoolul denaturat, aerul, gazul natural. Absența defectelor structurale (goluri, fisuri etc.) și structura moleculară a majorității lichidelor sunt în principal responsabile pentru transmisia lor optică excelentă. Capacitatea lichidelor de a „remedia” defectele interne prin curgere vâscoasă este unul dintre motivele pentru care unele materiale fibroase (de exemplu hârtie sau țesătură) își măresc transparența atunci când sunt umede. Lichidul umple numeroasele goluri făcând materialul mai omogen din punct de vedere structural.

Răspândirea luminii într-un solid cristalin (nemetalic) ideal, fără defecte, care nu asigură centrele de împrăștiere a undelor luminoase care intră este cauzată în principal de efectele anarmonicității în rețeaua ordonată. Transmiterea undelor luminoase va fi extrem de direcțională datorită anizotropiei tipice a substanțelor cristaline, care includ grupul lor de simetrie și rețeaua Bravais . De exemplu, cele șapte forme cristaline diferite de cuarț de silice ( dioxid de siliciu , SiO ₂₎ sunt transparente . ^[12]

Ghiduri de undă optice

Același subiect în detaliu: propagare ghidată .

Propagarea luminii printr-o fibră optică multimodală .

Un fascicul laser care sări de pe o bară de sticlă acrilică care arată reflexia internă totală a luminii într-o fibră optică multimodală .

Materialele transparente din punct de vedere optic se bazează pe răspunsul unui material la undele de lumină primite care au un anumit interval de lungimi de undă. Transmiterea undelor de lumină conduse prin ghiduri de undă selective în frecvență implică câmpul emergent al fibrelor optice și capacitatea anumitor compuși de sticlă ca mediu de transmisie pentru o gamă de frecvențe simultan ( fibră optică multimodă ) cu interferență mică sau deloc între lungimile de undă sau frecvențele concurente . Acest mod rezonant de transmitere a energiei și a datelor prin intermediul propagării undei electromagnetice (luminii) este relativ fără pierderi.

O fibră optică este un ghid de undă al unui dielectric cilindric care transmite lumina de-a lungul axei sale prin procesul de reflecție internă totală . Fibra constă dintr-un miez (miez) înconjurat de un strat de acoperire . Pentru a limita semnalul optic din miez, indicele de refracție al miezului trebuie să fie mai mare decât cel al stratului de acoperire. Indicele de refracție este parametrul care reflectă viteza luminii într-un material. (Indicele de refracție este raportul dintre viteza luminii în vid și viteza luminii într-un mediu dat. Indicele de refracție al vidului este, prin urmare, 1). Cu cât indicele de refracție este mai mare, cu atât lumina se deplasează mai lent prin acel mediu. Valorile tipice pentru miez și învelișul unei fibre optice sunt 1,48 și respectiv 1,46.

Când lumina care călătorește printr-un mediu dens lovește o margine într-un unghi abrupt, lumina va fi reflectată pe deplin. Acest efect, numit reflexie internă totală , este utilizat în fibrele optice pentru a limita lumina la miez. Lumina se deplasează de-a lungul fibrei care ricoșează dintr-o parte în alta de pe margine. Deoarece lumina trebuie să lovească marginea la un unghi mai mare decât unghiul critic , lumina care intră în fibră cu un anumit interval de variabilitate unghiulară va fi împrăștiată. Acest interval de unghiuri se numește conul de acceptare a fibrelor. Mărimea acestui con de acceptare este o funcție a diferenței în indicele de refracție dintre miezul fibrei și acoperire. Ghidurile de undă optice sunt utilizate ca componente în circuite optice integrate (de exemplu, combinate cu lasere sau diode emițătoare de lumină , LED-uri), sau ca mediu de transmisie în sistemele de comunicații optice locale și la distanță lungă.

Mecanisme de atenuare

Același subiect în detaliu: Difuzie optică .

Atenuarea luminii prin intermediul fibrelor ZBLAN și silice

Atenuarea fibrelor optice , cunoscută și sub numele de pierderi de transmisie, este reducerea intensității fasciculului de lumină (sau a semnalului) în funcție de distanța parcursă printr-un mediu de transmisie. Coeficienții de atenuare din fibrele optice utilizează de obicei unități de dB / km pe mediu datorită calității relativ ridicate a transparenței mediilor moderne de transmisie optică. Mediul este de obicei o fibră de sticlă de silice, care limitează fasciculul luminos incident spre interior. Atenuarea este un factor important care limitează transmisia unui semnal pe distanțe mari. Astfel, o mare parte din cercetări au fost făcute atât pentru a limita atenuarea, cât și pentru a maximiza amplificarea semnalului optic.

Atenuarea este cauzată în principal de difuzie și absorbție. Răspândirea luminii este cauzată de neregularitatea la nivel molecular (fluctuații ale compoziției) în structura sticlei. Același fenomen este văzut ca unul dintre factorii limitativi în transparența domurilor de rachete în infraroșu. Atenuarea suplimentară este cauzată de lumina absorbită de materialele reziduale, cum ar fi metalele sau ionii de apă, în miezul fibrei și căptușeala interioară. În fibra optică, împrăștierea luminii cauzate de îndoituri, articulații, conectori sau alte forțe externe sunt factori suplimentari care contribuie la atenuare. ^{[13] [14]}

Absorbție multi-fononică

Unda de compresie longitudinală (acustică) într-o rețea bidimensională.

Unda plană transversală (optică)

Proiectarea oricărui dispozitiv optic transparent necesită selectarea materialelor pe baza cunoașterii caracteristicilor și limitărilor acestora. Caracteristicile de absorbție a rețelei observate în regiunile de frecvență mai joasă (un interval de lungime de undă de la infraroșu mediu la infraroșu înalt) definesc limita de transparență a lungimii de undă lungă a materialului. Acestea sunt rezultatul cuplării interactive între mișcările vibrațiilor induse termic ale atomilor și moleculelor care constituie rețeaua solidă și radiația undei luminoase incidente. Prin urmare, toate materialele sunt delimitate de granița regiunilor de absorbție cauzate de vibrațiile atomice și moleculare ( legătura ) în regiunea spectrală cu infraroșu îndepărtat (> 10 µm).

Conceptele de temperatură și echilibru termic asociate cu solidele ionice se bazează pe atomii și moleculele unice ale sistemului care au mișcare vibrațională. Frecvențele modurilor normale ale unui sistem sunt cunoscute ca frecvențe naturale sau frecvențe rezonante. Aceste moduri vibraționale termice sunt asociate cu deplasări atomice și moleculare, producând atât unde longitudinale cât și transversale ale deplasărilor atomice și moleculare.

În modul longitudinal (sau acustic), deplasarea particulelor din poziția lor de echilibru coincide cu direcția de propagare a undelor. Undele mecanice longitudinale au fost, de asemenea, denumite unde de compresie . În modul transversal (sau optic), particulele individuale se mișcă perpendicular pe propagarea undei.

Deoarece regulile mecanicii cuantice se aplică tuturor modurilor vibraționale diferite ale solidului, rețeaua pulsează ca un set complet în grade discrete de energie sau fononi termici. Un fonon este un mod cuantificat de vibrație care apare într-o rețea cristalină rigidă. Studiul fononilor este o parte importantă a fizicii în stare solidă , deoarece fononii joacă un rol important în multe dintre proprietățile fizice ale solidelor, inclusiv în conductivitatea electrică și termică a unui material.

Fononul este conectat atât la frecvența vibrațională, cât și la temperatură. Pe măsură ce temperatura crește, amplitudinea vibrației crește. Prin urmare, conceptul de fonon este considerat cuantumul energiei vibraționale a rețelei pe care se suprapune un complot complex de unde staționare și / sau călătoare care reprezintă schimbările de temperatură. Dacă solidul este la o temperatură uniformă, conceptul de undă staționară este adecvat, deoarece vibrațiile fononilor sunt distribuite uniform.

Absorbția multi-fonon are loc atunci când doi sau mai mulți fononi interacționează simultan pentru a produce momente dipolare electrice cu care radiația incidentă se poate cupla. Acești dipoli pot absorbi energia din radiația incidentă, atingând o cuplare maximă cu radiația atunci când frecvența este egală cu modul vibrațional al dipolului molecular (de exemplu, legătura Si-O în cuarț ) în regiunea spectrală cu infraroșu îndepărtat.

Toate procesele de absorbție rezonantă implicate într-un material transparent din punct de vedere optic pot fi explicate prin același principiu comun. La anumite frecvențe, radiația incidentă este lăsată să se propage prin rețeaua care produce transparența observată. Cu toate acestea, alte frecvențe sunt interzise atunci când radiația incidentă este în rezonanță cu fiecare dintre proprietățile materialului de rețea (de exemplu, frecvențe vibraționale moleculare) și, ca atare, sunt transferate în energie termică, excitând atomii sau electronii.

Pentru ca un mod vibrațional să poată fi absorbit, trebuie să existe un mecanism care să îl poată cupla cu radiația electromagnetică. Transferul radiației electromagnetice de la mediul incident la material este sub forma unei perechi, unde vibrația rețelei produce un moment dipol oscilant, care poate fi condus de câmpul electric oscilant al undei luminoase sau radiații. Astfel, energia absorbită de unda de lumină va fi convertită în mișcarea vibrațională a moleculelor.

Difuzia luminii în ceramică

Același subiect în detaliu: ceramică transparentă .

Transparența optică în materialele policristaline este limitată de cantitatea de lumină împrăștiată datorită caracteristicilor lor microstructurale. Difuzia luminii depinde de lungimea ei de undă. Prin urmare, apar limite pentru scalele spațiale de vizibilitate (cu lumină albă), în funcție de frecvența undei luminoase și de dimensiunea fizică a centrului de împrăștiere.

Per esempio, poiché la luce visibile ha una scala di lunghezza d'onda dell'ordine di un micrometro, i centri di diffusione avranno dimensioni in base a una scala spaziale similare. I centri di diffusione primaria nei materiali policristallini includono difetti microstrutturali come pori e confini granulari. La frazione in volume dei pori microscopici deve essere inferiore all'1% per la trasmissione ottica ad alta qualità, vale a dire alla densità del materiale che dovrebbe essere il 99,99% della densità teorica cristallina. Oltre ai pori, la maggior parte delle interfacce in un metallo tipico o in oggetti di ceramica sono nella forma di limiti o confini granulari che separano le minuscole regioni dall'ordine cristallino. Quando la dimensione del centro di diffusione (o confine del granulo) è ridotta al di sotto della dimensione della lunghezza d'onda della luce che viene diffusa, la diffusione non si verifica più in misura significativa.

Nella formazione di materiali policristallini (metalli e ceramiche) la dimensione dei granuli cristallini è determinata in larga misura dalla dimensione delle particelle cristalline presenti nel materiale grezzo durante la formazione (o pressatura) dell'oggetto. Inoltre, la dimensione dei confini granulari perviene direttamente alla dimensione delle particelle. In questo modo una riduzione delle dimensioni della particella originale ben al di sotto della lunghezza d'onda della luce visibile (circa 1/15 della lunghezza d'onda di luce o pressappoco 600/15 = 40 nm) elimina gran parte della diffusione luminosa, come risulta in un materiale traslucido o anche trasparente.

La modellizzazione al computer della trasmissione della luce attraverso l'allumina della ceramica traslucente ha dimostrato che i pori microscopici intrappolati vicino ai confini granulari agiscono come centri primari di diffusione. La frazione di volume della porosità si è dovuta ridurre al di sotto dell'1% per l'alta qualità di trasmissione ottica (99,99% della densità teorica). Questo obiettivo è stato prontamente raggiunto e ampiamente dimostrato nei laboratori e nelle strutture di ricerca in tutto il mondo utilizzando metodi chimici di lavorazione emergenti insieme ai metodi della chimica del sol-gel e della nanotecnologia . ^{[15] [16] [17] [18] [19] [20]}

Applicazioni

Le ceramiche trasparenti hanno di recente acquisito un elevato grado di interesse e notorietà, essendo utilizzate come applicazioni di base nei laser ad alta energia, nelle finestre blindate trasparenti, nelle ogive di missili a caccia di calore, nei rivelatori di radiazione per il controllo ( testing ) non distruttivo, nella fisica dell'alta energia, nell'esplorazione dello spazio, nelle applicazioni di imaging nel campo della medicina e della sicurezza.

Lo sviluppo dei pannelli trasparenti avrà altre potenziali applicazioni avanzate nell'alta resistenza, come nei materiali resistenti all'impatto utilizzabili per finestre e lucernari domestici. Forse la cosa più importante è che le pareti e le altre applicazioni avranno migliorato la resistenza generale, soprattutto in condizioni di alta deformabilità riscontrabili in zone ad elevata sismicità e in quelle soggette alla forte azione del vento. Se gli attesi miglioramenti nelle proprietà meccaniche vengono confermati, i tradizionali limiti riscontrati nelle aree edificate con abbondanza di vetro (come stabiliti nei codici urbanistici attuali) potrebbero diventare rapidamente obsoleti, considerando il fatto che la superficie delle vetrate potrebbe contribuire effettivamente alla resistenza agli sforzi di taglio delle pareti.

I materiali trasparenti all'infrarosso attualmente disponibili mostrano normalmente un bilanciamento tra le prestazioni ottiche, la resistenza meccanica e il prezzo. Per esempio, lo zaffiro (L' allumina cristallina) è molto forte, ma è costoso e manca di totale trasparenza in tutta la gamma del medio infrarosso che va dai 3 ai 5 micrometri. L' ittria (ossido di ittrio) è completamente trasparente dai 3 ai 5 micrometri, ma è carente di forza sufficiente, di durezza e resistenza agli shock termici per le applicazioni aerospaziali ad alte prestazioni. Non sorprende quindi che una combinazione di questi due materiali in forma di granato di ittrio e alluminio (YAG, Yttrium Aluminium Garnet ) sia una delle migliori soluzioni nel campo.

Note

Bibliografia

• ( EN ) Electrodynamics of continuous media , Landau, LD, Lifshits. EM and Pitaevskii, LP, (Pergamon Press, Oxford, 1984)
• ( EN ) Laser Light Scattering: Basic Principles and Practice Chu, B., 2nd Edn. (Academic Press, New York 1992)
• ( EN ) Solid State Laser Engineering , W. Koechner (Springer-Verlag, New York, 1999)
• ( EN ) Introduction to Chemical Physics , JC Slater (McGraw-Hill, New York, 1939)
• ( EN ) Modern Theory of Solids , F. Seitz, (McGraw-Hill, New York, 1940)
• ( EN ) Modern Aspects of the Vitreous State , JDMacKenzie, Ed. (Butterworths, London, 1960)

Voci correlate

• Scattering Brillouin
• Tecnica ceramica
• Cristallo colloidale
• Temperatura di transizione vetrosa
• Diffusione ottica
• Riflessione diffusa
• Dispersione della luce
• Fibra ottica
• Specchio di pellicola
• Cristallo fotonico
• Fisica del vetro
• Ceramica trasparente
• Brillantezza
• Opacità

Altri progetti

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Trasparenza e traslucenza

Collegamenti esterni

• ( EN ) Trasparenza e traslucenza , su Enciclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• ( EN ) Properties of Light , su sol.sci.uop.edu . URL consultato il 31 marzo 2010 (archiviato dall' url originale il 21 gennaio 2009) .
• ( EN ) UV-Vis Absorption , su teaching.shu.ac.uk .
• ( EN ) IR Absorption , su teaching.shu.ac.uk .
• ( EN ) Infrared Spectroscopy , su cem.msu.edu . URL consultato il 31 marzo 2010 (archiviato dall' url originale il 27 ottobre 2007) .
• ( EN )Brillouin Scattering , su soest.hawaii.edu .
• ( EN ) Transparent Ceramics , su ikts.fhg.de .
• ( EN ) Bulletproof Glass , su science.howstuffworks.com .
• ( EN ) Transparent ALON Armor , su science.howstuffworks.com .
• ( EN ) What makes glass transparent ? , su science.howstuffworks.com . URL consultato il 31 marzo 2010 (archiviato dall' url originale il 15 giugno 2009) .
• ( EN ) Brillouin scattering in optical fiber , su rp-photonics.com .
• ( EN ) Thermal IR Radiation and Missile Guidance , su ausairpower.net .

Portale Fisica : accedi alle voci di Wikipedia che trattano di fisica