¿Por qué hay objetos transparentes y objetos opacos?

El otro día, cuando iba a lavar el coche, me puse a pensar en qué diferencia hay entre los átomos del cristal y los del polvo (que tanto se gustan) para que uno deje pasar la luz y el otro no. Así que me puse a leer un poco para documentarme y poder explicarlo de forma sencilla en el blog.

Encontré muchísimas explicaciones erróneas y divagaciones varias (algunas parecían haber sido inventadas por el propio autor, quien no tenía mucha idea). Por ejemplo leí que el vidrio es transparente porque su estructura molecular está llena de imperfecciones que dejan huecos a través de los cuales pasa la luz. Incluso que se le añadían impurezas a veces para conseguir una mejor transparencia. Quizás el vidrio no posea una estructura de red cristalina, pero seguro que no tiene agujeros tan grandes como para que la luz pase tan ricamente.

Red cristalina del cloruro sódico (sal común)

Vamos a darle una explicación más científica al asunto. Y para hacerlo es necesario tener una idea básica de lo que es un fotón y un electrón. Como muchos sabréis, los electrones son partículas muy muy pequeñas que andan “revoloteando” alrededor del núcleo de los átomos, como aparece en la figura. Aunque esa no es la forma real de un átomo (sólo los orbitales tipo s tienen forma esférica), es la aproximación que se hace normalmente y para este caso nos sirve.

Átomo – Electrones al rededor del núcleo de protones y neutrones

Estos electrones tienen distintos niveles de energía. Digamos que existen distintos orbitales (lugares por los que “dar vueltas”) y que los electrones saltan de unos a otros absorbiendo o liberando energía. Algo así como una escalera de orbitales.
Por otro lado tenemos los fotones, que podemos asemejar a partículas de luz (son las responsables de transmitir el electromagnetismo) o diminutos “paquetes de energía”.

Dicho esto, entremos en materia. Cuando los fotones llegan a un objeto, penetran en su material y allí dentro se dedican a excitar a los electrones. Les intentan pasar su energía para que salten de nivel.

Si lo consiguen, quedan absorbidos por los átomos del material y se “consumen” (se “mueren”). Éste es el caso de los objetos opacos. No dejan pasar la luz porque “se la quedan” para aumentar su energía. Por eso las cosas se pueden calentar con luz intensa.
Lo que les ocurre a los electrones de los materiales transparentes es que el salto que tienen que dar para subir de nivel no es posible a esa frecuencia y la energía que les traen los fotones no les sirve. Por tanto se quedan donde estaban y los fotones, que no han sido “usados”, pasan de largo atravesando el objeto en cuestión y siguen en busca de nuevos electrones a los que excitar.

Aquí os dejo un vídeo en el que se explica de forma muy gráfica (con pelotitas) el proceso. Está en inglés, pero es muy intuitivo y se puede entender el concepto bastante bien.

Imagen de previsualización de YouTube

A veces los fotones se desvían al atravesar los materiales y se producen fenómenos como la refracción o la difracción de la luz. También hay algunos que “rebotan” en la superficie de los objetos, y esos mismos son los que nos permiten ver las cosas, pues son los que captan nuestros ojos. Como os imaginaréis, los objetos oscuros absorben más fotones que los claros, en los que rebotan mejor.
Y después de este rollo ya sabemos cómo funciona una ventana.

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Este artículo nos lo envía Adrián Fernández, autor del blog ¿Qué traman?.
Ya de pequeño me gustaba hacer “experimentos” (mezclar champú, aceite, sal y ponerlo al sol a ver qué pasaba). Después de dar muchas vueltas, he terminado siendo estudiante de ingeniería mecánica, con la esperanza de buscarle aplicaciones prácticas a la teoría. Me cansé de sólo leer cosas de ciencia y me decidí a montar mi propio blog.

26 Comentarios

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garedagmadgaredagmad

Un apunte, sólo: Los objetos no son “transparentes” u “opacos”, en general.
Ese mismo fenómeno que explicas se produce o deja de producirse en cada material en función de la frecuencia de la “luz” que llega, de forma que algunos materiales serán transparentes para unas frecuencias y opacos para otras, y otros lo serán para frecuencias distintas.
El aluminio, por ejemplo, es opaco al rango de frecuencias de la luz “visible”, pero completamente transparente para la frecuencia de los rayos ultravioletas, lo cual lo hace muy poco útil en la construcción de naves espaciales, donde dejaría a los astronautas completamente desprotegidos frente a esa luz.
El vidrio es transparente a la luz “visible”, pero opaco a los infrarrojos, de ahí que se produzca el típico efecto horno en los automóviles donde las propias ventanillas no dejan salir el calor en forma de luz infrarroja que desprende el habitáculo previamente calentado por los rayos visibles…

Adrián Fernández

Tienes toda la razón garedaman.

En el artículo quería centrarme más en “el mundo visible”, que quizás nos parece más cercano.

Por su puesto, si nos salimos de las frecuencias visibles del espectro las cosas cambian. Y mucho en algunos casos, como los que comentas.

HUBHUB

Esto está muy bien explicado en el experimento del video: Cambiando la frecuencia del haz incidente sobre al fotodiodo cambia la energía recibida a través de la muestra del material, semitransparente por lo tanto.
Muy claro y sencillo. Gracias

AleixAleix

Lo del vidrio me recuerda a un capítulo de Cazadores de Mitos en el que usaban una plancha de vidrio para evadir un sistema de alarma mediante infrarrojos. Un buen apunte a lo que se dice en el artículo

futuramafuturama

La explicación de efecto invernadero que has dado como ejemplo creo que no es correcta. Según leí en El tamiz, uno de los blogs que más me gustan, el efecto invernadero se produce por que no se escapan los gases calientes (la verdad es que yo también estaba equivocado).

Peio García

-Vamos a ver… ¿los neutrinos son taquiones?
-Pero qué taquiones ni qué niño muerto… tú lees demasiadas novelas de Gregory Benford!
-Pero, si van más rápidos que la luz…
-Muchas partículas van más rápido que la luz ¿o no sabes lo que es un cono de Cerenkov?
-Vale, más rápidos que la luz “en el vacío…”
-Es un experimento reciente, está por demostrar.
-¡Ya sé! Vamos a ver la página de Amazings, que seguro que ya tienen un excelente artículo explicando el tema.
-Buena idea… veamos…
-…
-ups…

jubetejubete

Pues hay una cosa del video que no entiendo, asi que supongo que el tema debe ser mas complicado.

En el video dice que si la luz no tiene suficiente energia para cambiar electrones de sitio en el solido, simplemente pasa a traves de el y el solido se convierte en transparente. Y aqui viene lo que no entiendo. Segun la wikipedia* (http://es.wikipedia.org/wiki/Espectr...omagnético) el infrarojo tiene menos energia que la luz visible, por tanto, si la luz visible no tiene energia suficiente para cambiar electrones de sitio en un vidrio comun, menos aun deberia poder hacerlo el infrarojo, pero el hecho es que el vidrio es opaco al infrarojo, por lo que entiendo que el infrarojo sí hace cambiar electrones de sitio en los atomos del vidrio, aunque tenga menos energia.

No creo que sea tan sencillo como parece que lo es tras ver el video. De todas formas, gracias, principalmente, por plantear la pregunta, que es lo importante.

* vale que a veces se equivoque, pero en la lista de tipos de radiaciones no se va a equivocar porque seguro que lo han copiado tal cual de un libro de fisica.

Adrián Fernández

No solo es tema de energía, sino de la frecuencia.

Como bien dices el infrarrojo es menos energético que el visible o el ultravioleta, pero tienen distintas frecuencias.

La cuestión es que esa energía a esa frecuencia “no les vale” a los electrones.

Échale un ojo al comentario de @garedagmad de arriba.

AnonimoAnonimo

No se si he entendido bien: el hecho de que una frecuencia “les sirva” o no a los ‘atomos del matreial tiene que ver con la frecuencia de resonancia de dichos atomos? Es decir, que los atomos solo aceptan fotones de frecuencias cercanas a sus frecuencias de resonancia. Es por aclararme un poco.

jonjonijonjoni

Tienes razón jubete, es más complicado, a ver si no meto la pata…

La luz que recibimos del sol contiene todo el espectro electromagnético, todas las frecuencias, vamos. Ahora no todas las frecuencias consiguen excitar electrones, esto depende del átomo en cuestión y de su configuración electrónica.

Grosso modo: el espectro que corresponde a la región de microondas se asocia a movimientos rotacionales en el átomo o molécula, el espectro infrarrojo a movimientos vibracionales (modifican las distancias y ángulos de enlace) y la zona ultravioleta-visible produce transiciones electrónicas (esto sí es un “salto” de un electrón).

El tema es muy extenso y para averiguar qué fenómenos sufre una molécula frente a la radiación electromagnética tenemos muchas reglas a nuestra disposición. A mí personalmente me fascina el uso de la teoría de grupos, para establecer la simetría de una molécula, como herramienta para averiguar estas “incógnitas”.

Saludos!

JaguarJaguar

Y como funcionana los vidrios “polarizados” que ya me imagino se refieren a la luz polarizada de acuerdo al material, pero podrian explicarme eso. Supongo que es como las cubetas que se utilizan en un espectrometroo algo asi apenas comienzo a estudiar eso y me llamo la atencion los vidrios que ponen en muchos edificios que por dentro ves muy bien para afuera pero de afuera no se ve nada o las lentes que llevan los anteojos que se obscurecen al haber mucha luz.

Adrián Fernández

Como se ha hablado en los comentarios no sólo depende de la energía. También tiene mucho que ver la frecuencia.

Un cristal polarizado sólo permite pasar ciertas frecuencias de la luz y las demás “las absorbe”. Digamos que la energía de las que deja pasar “no les vale” a sus electrones, por lo que las permite pasar de largo.

krollspellkrollspell

Energía y frecuencia de un fotón son básicamente lo mismo escrito en distintas unidades. La relación es la constante de Planck.

César

La polarización, en principio, no tiene nada que ver con todo lo anterior. La polarización depende del campo eléctrico de la onda electromagnética y el vidrio polarizado selecciona una dirección. Es un principio diferente.

Los edificios con espejos y los de las salas de interrogatorio sí tienen que ver con lo anterior y con las condiciones de intensidad de luz relativa a ambos lados (esto es muy fácil, lo vemos enseguida).
Uno de estos espejos se fabrica depositando una finísima capa de metal en uno de los lados. La luz que incide sobre esta cara, parte es reflejada y parte atraviesa el vídrio, ya que la capa cubre un porcentaje de la superficie en términos atómicos. Si donde yo estoy hay menos intensidad de luz que donde tú estás y la cara espejo está hacia ti, el resultado es que yo te veo pero tú ves tu reflejo. Por eso funciona en los edificios de día y de noche puedes ver, si no hay ningún otro tratamiento, el interior; las salas de interrigotario están fuertemente iluminadas por el mismo motivo y la habitación de observación casi a oscuras. Fíjate que en alguna película el policía enciende la luz para que le vean. las gafas espejo usan este principio: debido a la disminución de luz incidente en los ojos, no están permitidas para conducir.

Las lentes que se oscurecen es otro fenómeno distinto pero basado en el principio de funcionamiento explicado en la entrada. Los electrones no son nunca realmente de un átomo sino de una molécula. Al incidir la luz en la lente se produce un cambio reversible en su composición química y, por tanto en la distribución de energías de los electrones en sus orbitales: donde antes no interactuaban con la luz incidente, ahora sí lo hacen, reteniendo parte de la luz.

TheTouristTheTourist

Se me ocurren millones de preguntas.
Pero voy a hacer solo una, si un foton excita a un electron y lo hace subir a un nivel mas alto de energia, y detrás viene otro foton y golpea de nuevo al mismo electron, y así millones de fotones hacen lo mismo.

Que es lo que pasa?
El electrón termina saltando afuera del átomo o no?

César

La energía no es acumulativa al nivel del electrón. La acumulación es un concepto macroscópico (clásico). Esto es cuántica: interactúa o no, si sí estupendo si no, no pasa nada. Imagina una luz incidente monocromática (una sola frecuencia): una vez que un fotón choca con el electrón este cambia de estado energético, pero en ese nuevo estado la luz tendría que tener otra frecuencia distinta para poder excitarlo.

TheTouristTheTourist

:D

Si todos los electrones son excitados, y la luz no puede volver a excitarlos, ya que no tiene la frecuencia adecuada, el objeto se haría transparente ¿no?.

César

Hablo de un átomo. Si tenemos en cuenta todos los átomos (el material) resulta que el estado excitado es más inestable por lo que los electrones vuelven al estado de más baja energía emitiendo fotones en un proceso estadístico. Estos fotones tienen la frecuencia de la luz incidente pero ya no guardan la “información” , haciendo el material opaco.

krollspellkrollspell

En los materiales normales un electrón excitado decae a estados de menor energía en un tiempo extremadamente breve.

Por otra parte es perfectamente posible arrancar un electrón o unos pocos a base de energía: el átomo pasa a estar ionizado. Muchos electrones ya no es tan fácil.

JoseJose

Me que por entender cuando el foton se transmite (transparencia) y cuando se rebota. Nunca entendi al Sr. Compton.

PivsPivs

Estos articulos tan curiosos me encantan. Son cosas q te planteas muchas veces y no tienes ni idea de porque pasan

LLorTLLorT

Solo una pequeña critica constructiva para Adrián Fernández quien lo redacto, personalmente me parece mal explicar la ciencia personificando a la materia, ya que luego la gente que aprende de este tipo de enseñanza, a más de ser un mecanismo para facilitar el aprendizaje, tienen una idea errónea de la realidad (mi profesora explica de la misma manera y sorprendentemente hay alumnos que lo entienden así literalmente).

No se si se entiende a lo que me refiero, pemíteme citarte una parte llamativa: “…allí dentro se dedican a excitar a los electrones. Les intentan pasar su energía para que salten de nivel.” Parecería como que hay algún propósito en la existencia de los fotones y electrones, luego creerán que hay una razón para todo, ya sabemos que es muy común en los humanos buscar un propósito a cualquier cosa, pero la ciencia solo se dedica a explicar el que ocurre, no el porqué.

Solo eso, no se si estoy exagerando pero así es como lo veo, y ocurre mucho en la divulgación. Espero que no se tome a mal.
Saludos

Adrián

Por supuesto que no se toma a mal. La verdad es que es una idea que no me había planteado.

Ese problema que comentas nunca lo he tenido. Mi intención con ello era hacerlo más “amigable”, más cercano. La mayoría de las personas, cuando oyen palabras como “fotón”, desconectan y ni se molestan en entender lo que se les cuenta.

De todas formas, quizás tengas razón en que para alguien nuevo en estos temas cuánticos sea más difícil separar la realidad de estas “personificaciones”, como tú las llamas.

Gracias por la crítica, de veras. Lo tendré en cuenta para próximos artículos. Un saludo.

KikeKike

Otro artículo que me queda a medias porque no entiendo bien el inglés hablado.

Por supuesto es culpa mía, por no mejorar mi nivel de inglés. Pero hay muchos millones de hispanohablantes con menos nivel de inglés que el mío y si se quiere divulgar la ciencia, flaco favor se hace poniendo material sin traducir.

Yo seguiré insistiendo, pero dudo que muchos lo hagan.

Ontureño

¿Cómo explica esa teoría el índice de refracción del diamante?

Es decir, si los fotones simplemente no interactuaran con los electrones, por no tener la energía adecuada para ser absorbidos, la velocidad de la luz no dependería del medio, y no habría lugar a hablar de índice de refracción…

¿Qué me dices de eso?

DavidDavid

Me temo que la explicación no es del todo correcta. ¿Cual es entonces la diferencia entre algo blanco y algo transparente, si en ambos casos la explicación es que los electrones no tienen estados accesibles a los que saltar para esas frecuencias?

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Valora en Bitacoras.com: El otro día, cuando iba a lavar el coche, me puse a pensar en qué diferencia hay entre los átomos del cristal y los del polvo (que tanto se gustan) para que uno deje pasar la luz y el otro no. Así que me puse a leer un poco p…..

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