La trasparenza (anche detta pellucidità o diafanità) è la proprietà fisica che permette alla luce di passare attraverso un materiale, mentre la traslucenza (anche definita traslucidità) permette alla luce di passarvi attraverso in modo diffuso. La proprietà opposta è l'opacità. I materiali trasparenti sono limpidi, mentre quelli traslucenti non consentono di vedervi attraverso in modo chiaro.
Quando la luce incontra un materiale, può interagire con esso in modi differenti. Queste interazioni dipendono dalla natura della luce (la sua lunghezza d'onda, frequenza, energia, ecc.) e la natura del materiale. Le onde luminose interagiscono con un oggetto attraverso molti fenomeni; i più comuni sono assorbimento, riflessione, trasmissione, rifrazione, diffusione, diffrazione.
Alcuni materiali, come il vetro piatto (plate glass) e l'acqua limpida, consentono a gran parte della luce che vi incide di essere trasmessa con poca riflessione; tali materiali sono definiti otticamente trasparenti. Molti liquidi e soluzioni acquose sono molto trasparenti. L'assenza di difetti strutturali (vuoti, incrinature, ecc.) e l'assenza di assorbimento da parte delle molecole della maggior parte dei liquidi sono responsabili della loro eccellente trasmissione ottica.
I materiali che non consentono la trasmissione della luce sono detti opachi. Molte di queste sostanze hanno una composizione chimica che comprende "centri di assorbimento". Molte sostanze sono selettive nel loro assorbimento delle varie frequenze che compongono la luce bianca. Le frequenze dello spettro che non vengono assorbite vengono trasmesse o riflesse, specularmente o diffusamente. Questo è ciò che dà origine ai colori. I corpi neri assorbono tutte le frequenze; i corpi bianchi riflettono diffusamente tutte le frequenze senza assorbirne alcuna.
Descrizione Per quanto riguarda l'assorbimento della luce, le considerazioni riguardo ai materiali primari sono le seguenti:
A livello di elettronica, l'assorbimento nelle porzioni ultravioletto e visibile (UV-Vis) dello spettro dipende dal fatto se gli orbitali degli elettroni sono spaziati (o "quantizzati") in modo tale da poter assorbire un quanto di luce (o fotone) di una specifica frequenza, senza violare le regole di selezione. Per esempio, nella maggior parte dei vetri, gli elettroni non hanno livelli di energia disponibili al di sopra di loro nel campo associato alla luce visibile, o se li hanno, violano le regole di selezione. Così, non vi è alcun assorbimento apprezzabile nei vetri puri (non drogati), facendo di loro i materiali trasparenti ideali per le finestre degli edifici. A livello atomico o molecolare, l'assorbimento fisico nella porzione dell'infrarosso dello spettro dipende dalle frequenze dalle vibrazioni atomiche o molecolari oppure dai legami chimici e dalle regole di selezione. L'azoto e l'ossigeno non sono gas a effetto serra perché l'assorbimento è vietato a causa della mancanza di un momento dipolare molecolare.
Per quanto riguarda la diffusione della luce, il fattore più critico è la scala di lunghezza di una o di tutte queste caratteristiche strutturali relative alla lunghezza d'onda della luce diffusa. Le principali problematiche sul materiale riguardano: La struttura cristallina: quanto sono impacchettati in modo compatto i suoi atomi o molecole, e se gli atomi o le molecole presentano o meno l'"ordine a lungo raggio" è evidenziato nei solidi cristallini. La struttura vetrosa: i centri di diffusione (scattering) comprendono le fluttuazioni di densità e/o composizione. La microstruttura: i centri di diffusione comprendono le superfici interne quali: granuli, confini granulari e pori microscopici.
Natura della luce
L'energia radiante è l'energia che si propaga sotto forma di onde elettromagnetiche. Il tipo di luce che percepiamo attraverso i nostri sensori ottici (gli occhi) viene riferita come luce bianca ed è composta da una gamma di colori - rosso, arancione, giallo, verde, blu (ROYGB, red, orange, yellow, green, blue) - compresi entro un certo campo di lunghezze d'onda o frequenze. La luce visibile (bianca) è solo una piccola frazione dell'intero spettro della radiazione elettromagnetica. Ad una lunghezza d'onda breve di questa scala c'è la luce ultravioletta (UV) invisibile. A lunghezze d'onda ancora più brevi dei raggi UV vi sono i raggi X e raggi gamma. Al termine della lunghezza d'onda più lunga di questo spettro vi è la luce infrarossa (IR) che viene utilizzata per la visione notturna e altri dispositivi che ricercano il calore. A lunghezze d'onda più lunghe dell'infrarosso vi sono le microonde (radar) e le onde radio/televisive.
La radiazione elettromagnetica è classificata in base alla frequenza (o lunghezza d'onda, che è inversamente proporzionale alla frequenza) della luce che comprende (in ordine di frequenza crescente): onde radio, microonde, radiazioni terahertz, radiazione infrarossa, luce visibile, ultravioletto (UV), raggi X e raggi gamma. Di queste, le onde radio hanno lunghezze d'onda più lunghe e i raggi gamma hanno quelle più brevi. Una piccola finestra di frequenze, detta porzione visibile (o luce bianca) dello spettro, è percepita ad occhio nudo da vari organismi.
La più semplice rappresentazione di un fascio di luce è attraverso l'uso del raggio di luce, le cui proprietà più importanti sono l'assenza di massa e il suo viaggiare lungo una linea retta. I raggi di luce interagiscono con i materiali (liquidi e solidi) in molti modi diversi in base a come e in che quantità viene da essi assorbita, riflessa o trasmessa. Nel caso della riflessione, l'interazione dipende dalle proprietà chimico-fisiche della sostanza. Se la superficie dei materiali è perfettamente liscia (ad esempio uno specchio), i raggi di luce subiscono nel loro complesso la riflessione totale (o riflessione speculare), tutti in linea parallela l'un l'altro dopo aver inciso la superficie del vetro con un angolo particolare.
Diffusione della luce
Riflessione diffusa - La luce che incide sulla superficie di gran parte dei materiali viene riflessa in molte direzioni casuali per effetto delle riflessioni multiple da parte delle irregolarità microscopiche interne o superficiali del materiale (ad esempio i bordi di grano nei materiali policristallini o i bordi delle cellule o delle fibre in quelli organici). Questo tipo di riflessione si chiama “riflessione diffusa” ed è caratterizzata da angoli di riflessione in tutte le direzioni. La maggior parte degli oggetti visibili ad occhio nudo si identifica mediante la riflessione diffusa, che è un fenomeno di “diffusione della luce” e rappresenta il nostro principale meccanismo di osservazione fisica.
La diffusione della luce nei liquidi e solidi dipende dalla lunghezza d'onda diffusa. I limiti di scale spaziali di visibilità (usando la luce bianca) pertanto dipendono dalla frequenza dell'onda luminosa e dalla dimensione fisica (o scala spaziale) del centro di diffusione. La luce visibile ha una scala di lunghezza d'onda dell'ordine del mezzo micrometro (un milionesimo di metro). Centri di diffusione (o particelle) piccoli come un micron sono stati osservati direttamente al microscopio ottico (ad esempio, le particelle di cui si osserva il moto browniano).
Assorbimento della luce nei solidi Quando la luce colpisce un oggetto, di solito, non ha solo una singola frequenza (o lunghezza d'onda), ma molte. Gli oggetti hanno la tendenza ad assorbire selettivamente, riflettere o trasmettere la luce con determinate frequenze. Vale a dire, un oggetto potrebbe riflettere la luce verde assorbendo invece tutte le altre frequenze della luce visibile. Allo stesso modo un altro oggetto potrebbe trasmettere selettivamente la luce blu, assorbendo tutte le altre frequenze. Il modo in cui la luce visibile interagisce con un oggetto dipende dalla sua frequenza, dalla natura degli atomi dell'oggetto e spesso dalla natura della loro densità elettronica e polarizzazione.
Alcuni materiali, definiti otticamente trasparenti, permettono a gran parte della luce che li colpisce di essere trasmessa attraverso di essi senza essere riflessa. Il vetro delle finestre chimicamente puro (vale a dire non drogato) e l'acqua limpida ne sono degli ottimi esempi.
I materiali che non consentono la trasmissione di qualsiasi frequenza d'onda di luce sono definiti opachi. Tali sostanze hanno una composizione chimica che comprende ciò che viene indicato come "centri di assorbimento". La maggior parte dei materiali è costituita da sostanze che sono selettive nell'assorbire le frequenze della luce bianca. Così essi assorbono alcune parti dello spettro visibile, riflettendone altre. Le frequenze dello spettro che non vengono assorbite, o sono riflesse o vengono trasmesse per la nostra osservazione fisica. Nella porzione visibile dello spettro è ciò che dà origine ai colori.
I centri di colore sono in gran parte responsabili della comparsa di specifiche lunghezze d'onda della luce visibile tutta intorno a noi, passando dalla lunghezza d'onda più lunga (0,7 micrometri) e quella più breve (0,4 micrometri): i colori rosso, arancio, giallo, verde e blu (ROYGB, red, orange, yellow, green, blue) possono essere identificati tramite i nostri sensi a causa della comparsa del colore dovuto all'assorbimento selettivo di specifiche frequenze di onde luminose (o lunghezze d'onda). I meccanismi di assorbimento selettivo delle onde di luce sono:
Elettronici: i passaggi di livelli energetici degli elettroni all'interno dell'atomo (per es. i pigmenti) che avvengono in genere nelle porzioni dello spettro dell'ultravioletto (UV) e/o visibile. Vibrazionali: risonanza nei modi vibrazionali atomico/molecolare. Queste transizioni avvengono in genere nella parte infrarossa dello spettro.
UV-Vis: transizioni elettroniche Nell'assorbimento elettronico, la frequenza delle onde luminose in entrata è vicina o 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 aumentando il loro stato energetico, spesso spostandosi all'esterno del nucleo atomico verso un'orbita esterna o orbitale.
Gli atomi che si legano insieme per formare le molecole di una particolare sostanza contengono un numero di elettroni (dati dal numero atomico Z nella tavola periodica degli elementi). Ricordiamo che tutte le onde luminose sono in origine elettromagnetica. Di conseguenza, sono fortemente influenzate quando vengono a contatto con gli elettroni con carica negativa. Quando i fotoni (singoli pacchetti di energia luminosa), entrano in contatto con gli elettroni di valenza dell'atomo, può verificarsi:
Un elettrone assorbe tutta l'energia del fotone e ne riemette uno con una frequenza (colore) differente su direttrici spaziali differenti. Questo dà luogo a luminescenza, fluorescenza e fosforescenza. Un elettrone assorbe l'energia del fotone e la rimanda indietro. Questo è quello che accade nella riflessione o diffusione. Un elettrone non può assorbire l'energia del fotone, che continua il suo percorso. Ciò si verifica nella trasmissione (a condizione che non esistano altri meccanismi di assorbimento attivi). Un elettrone assorbe selettivamente una parte dei fotoni, e i fotoni rimanenti (di frequenze diverse) vengono trasmesse in forma di colore spettrale.
La maggior parte delle volte, si tratta di una delle precedenti combinazioni che si verificano quando la luce colpisce un oggetto. Gli elettroni nei diversi materiali variano in base alla quantità di energia che possono assorbire. La maggior parte dei vetri, per esempio, blocca la luce ultravioletta (UV). Succede che gli elettroni del vetro assorbono l'energia dei fotoni nel campo dell'UV, ignorando quella più debole dei fotoni nello spettro della luce visibile.