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Aplicaciones de la teoría de interacción luz-materia: La transparencia

 

En este artículo seguiré hablando de la interacción luz-materia. Sin embargo, de aquí en adelante seré menos genérico, tratando de dar ejemplos de efectos observables en la vida cotidiana que sólo fueron explicables a partir de estas “recientes” teorías.

Por ejemplo, ¿os habéis preguntado alguna vez por qué algunos materiales son transparentes? Para responder a esta pregunta no tenemos más remedio que volver a hablar del Efecto Fotoeléctrico, en este caso para explicar la “no” interacción luz-materia.

Tal y como vimos cuando expliqué el fenómeno conocido como absorción, cuando un fotón de una energía determinada alcanza un electrón en estado fundamental, el fotón es absorbido y el electrón pasa a un estado excitado. La energía de ese fotón debe ser exactamente la diferencia energética entre el estado excitado y el fundamental. Sabiendo esto, para explicar la transparencia (o cualquier otro efecto de interacción luz-materia) lo primero que tendremos que preguntarnos es cómo son los niveles energéticos permitidos para los electrones en un material.

Por simplicidad hablemos de un sólido. En un sólido, los electrones de valencia (aquéllos que en estado fundamental tienen una energía más alta) están influenciados por la estructura que les rodea. En este sentido, pasamos a tener un sistema en el que debemos considerar todos los electrones de valencia, en lugar de poder considerar cada uno con su núcleo individualmente.

Dado que los electrones son fermiones (cumplen el Principio de Exclusión de Pauli), los niveles energéticos individuales no pueden seguir siendo idénticos. Esto se traduce en que si tenemos N electrones de valencia, pasaremos de tener N estados fundamentales idénticos a N muy similares, pero de energía levemente diferente. De este modo, como N es enorme, podemos considerar que pasamos a tener una banda continua de valores permitidos de energía. La llamaremos banda de valencia.

Se trata, obviamente, sólo de una simplificación, ya que, en realidad, seguimos teniendo N valores discretos. Para entender mejor esta simplificación, pensemos en nuestra piel. Sabemos que en realidad hay un número discreto de células que la componen, pero es fácil pensar en ella como un continuo.

Con los niveles excitados ocurre algo idéntico. A la primera banda de niveles excitados la llamaremos banda de conducción. Entre la banda de valencia y la banda de conducción habrá, en general, un intervalo de energías no posibles para el electrón: la banda prohibida.

Imaginemos ahora nuestro fotón que llega a esta estructura. Si su energía es suficiente, podrá hacer pasar a un electrón de valencia a la banda de conducción. Para que esta transición sea posible, el fotón debe tener una energía de al menos el ancho de la banda prohibida.

Materiales como el vidrio poseen una banda prohibida muy amplia, de modo que los fotones de luz visible no tienen energía suficiente (o, equivalentemente, frecuencia suficiente, recordemos E=hf) para producir la transición, de este modo, el vidrio deja pasar estos fotones sin absorberlos (es decir, es transparente). Sin embargo, si cogemos fotones más energéticos (UV por ejemplo), veremos cómo el vidrio los absorbe.

Más información| Banda de valencia , Principio de Exclusión de Pauli , Niveles y bandas de energía

Imagen| Niveles energéticos de un átomo, Bandas energéticas permitidas, Bandas de valencia y conducción

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