La transparència... cosa d'electrons i fotons

"El cabdell de llana, fa temps rondava pels prats del pirineu en forma d'abric d'ovella."

Segurament la frase amb que comença aquest post i el títol que té us sonin igual de surrealistes. El repte d'avui és que al acabar de llegir el que ve a continuació, la primera deixi de ser-ho, mentre que la segona segueixi sent producte del deliri d'una ment humana.

Per entendre una frase, el millor és desglossar-la per parts. Comencem pel principi, doncs.

LA TRANSPARÈNCIA ...

Avui ens disposem a intentar averiguar per què alguns materials deixen passar per complet la llum (i per tant, hi podem veure a través d'ells) i d'altres no ho fan en absolut.

Per fer-ho, comencem pensant quins són els materials que anomenem TRANSPARENTS. Bàsicament ens limitaríem a alguns gasos, aigua (i algun altre gas liquat) i el vidre. I pocs més són els agraciats amb aquesta propietat.

Abans de començar a repassar-los un per un, faig un avís a navegants.
En anteriors articles, hem tractat la llum com si fos una ona electromagnètica, doncs bé avui fem un canvi i tractarem la llum com si fos una partícula. Estem utilitzant el que s'anomena "dualitat ona-partícula". Quan s'ha estudiat la llum s'ha observat que a nivell macroscòpic (el nostre nivell quotidià) es comporta com qualsevol altre ona, però que quan interactua amb partícules atòmiques... les coses canvien i es comporta com una partícula més. Molt especial, això si, però partícula al cap i a la fí. (aquesta és la poesia de la física... :P)

Doncs bé, com que tractarem amb interaccions entre llum i partícules atòmiques, xerrarem de fotons a partir d'ara.


Comencem amb els GASOS.

Aquests tenen gaire misteri. Només cal pensar en l' "estructura" que té un gas. Les molècules que el formen no estan lligades, deixant un espai considerable entre elles. Els fotons per tant, ho tindran senzill per atravessar-los.

Però aquest argument, òbviament no serveix ni per LÍQUIDS ni per SÒLIDS. En aquests materials les molècules estan unides molt més rígidament. Aquí baix tenim un esquema de com ens ho podem imaginar.
Òbviament, els fotons no podran atravessar ni el sòlid ni el líquid, el que faran quan arribin a l'objecte serà INTERACTUAR-HI.

I amb les interactuacions... enllacem la segona part de la nostra frase.

... COSA D'ELECTRONS I FOTONS

A partir d'ara, el que explicaré és el model que han elaborat els físics, per poder interpretar el que passa als sistemes més petits amb que convivim a diari: els àtoms i el seu món. No ens ho hem d'imaginar en el sentit literal, ni un electró ni un fotó són pilotetes... però ens serveix molt bé aquest model per explicar el que passa.

Una vegada fet l'aclariment, anem a veure què és el que es troba un fotó quan va a interacutar amb qualsevol sòlid o líquid. Cada fotó s'enfronta a un sol àtom, tot i que cada àtom pot rebre impacte de molts fotons, eh?
El que es troba el fotó quan arriba al material és això:

Aquest és el model d'un àtom de Bari, però la resta d'elements són pràcticament iguals. L'únic que canvia són el nombre d'electrons que orbiten (i de protons i neutrons que tenen al nucli, però avui no ens fixarem en això).

El fet que estiguin situats a nivells diferents, i en la posició que hi són, no és cap caprici de l'autor del dibuix. Malgrat no ser pilotetes... tots els electrons tenen absolutament definida la seva posició. Aquestes que veieu són les posicions que adopten, i no poden ser unes altres. El fet que hi hagi capes d'electrons respon a una realitat. Al voltant d'un àtom hi ha definits uns nivells d'energia i NOMÉS existeixen aquells.

Per exemple, si tenim un nivell 1 i un nivell 2 és IMPOSSIBLE trobar un electró amb l'energia del nivell 1,5. No existeix.

Cada capa representa un valor d'energia, que serà la que tindran els electrons que estiguin allà. Per tant, així veiem clar que un electró només podrà absorvir determinades quantitats d'energia. Les que li permetin saltar a una capa superior. Ni una mica més, ni una mica menys. De la mateixa manera, quan un electró retorni a una capa inferior (pel motiu que sigui) haurà d'alliberar la quantitat d'energia que li sobra, i serà sempre una quantitat determinada i marcada (la diferència entre capes).

I com allibera aquesta energia?
En forma d'uns paquetets anomenats...fotons!!!

Efectivament, el que fa un fotó quan arriba a interactuar amb els electrons d'un àtom és aportar-los energia. Però degut al que ja he explicat, de tot l'espectre d'energies que té la llum, només uns quants fotons seran els afortunats d'aportar la quantitat exacta que necessitin aquells electrons per saltar d'un nivell a un altre...

VOSALTRES MATEIXOS

Senzillament mireu-vos el jersei que porteu. Si us fa mandra, mireu a la samarreta de la foto... (us sona? jeje)
És de color blau? Verd? Vermell? A ratlles?

Ara mateix, ja sabríeu explicar el perquè. Senzillament el vostre jersei està tenyit amb un material que fa que de tot l'espectre d'energies que rep procedents de la llum del sol o de la lluna o de l'habitació on sigueu, el jersei només retornarà fotons que tinguin una energia coincident a la que té la llum del color que estigueu veient.

Si ho recordeu, cada color de la llum respon a una quatitat d'energia diferent que tenen els fotons.

Això, passa amb qualsevol objecte, cada objecte absorveix fotons amb determinades quantitats d'energia i n'allibera d'altres. Tot amb salts dels electrons dins dels àtoms que el formen. O sigui, que imagineu l'activitat frenètica que us envolta!!! Després d'això, queda prohibit estressar-se, no?

I per tant, la pregunta a per què el vidre o l'aigua són transparents es respon per inèrcia, no?

Si un fotó no troba cap electró que per canviar de capa necessiti l'energia que ell porta... què passa?

Que no pot ser absorvit per cap electró... i passa de llarg. Ecco!!!

I si no us ho creieu... mireu per la finestra! Si no està molt bruta... el que esteu veient és llum, que prové de l'exterior i arriba als vostres ulls. Per tant, és obvi: els fotons han atravessat la finestra.

Bé, doncs aquí acabem per avui. Espero que ara per vosaltres el títol ja no sigui surrealista. I pel que fa a la frase...doncs... si voleu entendre-la millor, només us puc fer un suggeriment:

"Hi havia unes quantes diferències entre l'aigua que bebia i l'abric."

:D