¿Por qué un cuerpo opaco es opaco?

Hay varios términos con un significado preciso en las ciencias físicas que se han incorporado al lenguaje común y se han utilizado de manera incorrecta.

Opaco, sin embargo, no parece ser uno de ellos. Según varias fuentes de etimología que acabo de buscar (como Etymology Online, por ejemplo), parece tener orígenes bastante blandos en latín y francés, lo que significa oscurecido o sombrío.

Para la definición científica aceptada, me gusta la definición del American Heritage Science Dictionary

Esencialmente, dice que un objeto opaco se resiste a transmitir (permitiendo pasar) radiación (es decir, energía radiada) de algún tipo específico. Entonces, en el ejemplo del vidrio de Guo Qianyi en los comentarios, el vidrio es aproximadamente transparente a la luz visible pero aproximadamente opaco a la luz infrarroja y ultravioleta.

Hay dos preguntas aquí. El primero: "cuál es la definición de opaco" es terriblemente amplio y depende del campo/contexto. Me centraré en el segundo: ¿cuándo y cómo un cuerpo deja pasar la radiación?

Realmente deberíamos hacer la pregunta inversa: ¿por qué mecanismos un cuerpo detiene el paso de la radiación? Responderé esto solo para diferentes partes de la radiación electromagnética.

En el sentido más amplio, la respuesta es "cuando el cuerpo interactúa con la radiación, parte de ella dejará de propagarse en la dirección original". Diferenciamos entre dispersión coherente : la radiación cambia de dirección pero mantiene la energía, dispersión incoherente : la radiación cambia de dirección y pierde algo de energía, y absorción : la energía de la radiación se transfiere por completo al cuerpo. Cuando se tiene radiación que se puede considerar convenientemente como partículas (es decir, la longitud de onda es corta en comparación con la dimensión del cuerpo), generalmente las llamamos fotones (o rayos gamma, dependiendo de cómo se generaron); cuando la longitud de onda es mucho más larga, es más conveniente pensar en la radiación como una onda continua.

Así que tomémoslos por turnos. Los fotones interactúan con los electrones en el cuerpo. A altas energías, la energía del fotón es mucho mayor que cualquier energía de enlace químico de los electrones, y la interacción es prácticamente indistinguible de la interacción del "electrón libre". Tiene dispersión de Compton (incoherente: el fotón rebota del electrón y transfiere algo de energía/momento) y, a veces (a una energía lo suficientemente alta, es decir,> 1.022 MeV) producción de paresdonde se crea un par de positrones/electrones "fuera del vacío", robando energía al fotón en el proceso. A energías ligeramente más bajas tienes interacciones fotoeléctricas: el electrón enlazado absorbe la energía del fotón incidente y salta a otro estado. Cada uno de estos le roba al fotón (algo de) su energía. Por el contrario, la dispersión coherente solo cambia la dirección del fotón. Eso en sí mismo no evita que la radiación se transmita, pero a medida que aumenta la longitud del camino de la radiación (sigue cambiando de dirección) cualquier mecanismo de absorción tiene una mayor probabilidad de actuar sobre el fotón antes de que salga.

A medida que te acercas al espectro visible, la energía de enlace de los electrones entre los átomos comienza a entrar en juego y conduce a picos de absorción específicos: esto es lo que da color a muchas moléculas. Hacia el infrarrojo, la energía relacionada con el movimiento atómico (vibraciones de enlaces y rotaciones) se vuelve importante y conduce a más mecanismos para absorber la energía; esta es la piedra angular de la espectroscopia IR, por supuesto.

Dos mecanismos adicionales que vale la pena mencionar: el desajuste del índice de refracción y la conductividad. Cuando tiene un material policristalino u otro material con propiedades ópticas heterogéneas (límites de grano o muchas interfaces material-aire en el caso de materiales sinterizados o incluso material de grano suelto: piense en un tazón de azúcar), entonces la luz tiene una probabilidad de reflexión o refracción en cada uno de estos límites. Este es un ejemplo de dispersión coherente (en principio, no se pierde energía debido a la refracción) y puede conducir a una apariencia blanca del material (nuevamente, piense en un tazón de azúcar). Por otro lado, los mecanismos de absorción pueden estar en juego al mismo tiempo (azúcar moreno), por lo que los dos a menudo aparecen juntos.

Finalmente, la conductividad juega un papel importante, especialmente en longitudes de onda más largas (frecuencias más bajas); aunque en realidad todas las interacciones electromagnéticas implican en última instancia la aceleración de electrones, para longitudes de onda largas realmente se necesita conductividad macroscópica (en lugar del movimiento de un electrón individual) para afectar la radiación entrante. Cuando la conductividad es muy buena, los electrones se moverán de tal manera que reflejen la radiación; pero cuando la conductividad no es tan buena, se producirán pérdidas (que en última instancia provocarán el calentamiento del material). Esto es casi siempre una función de la frecuencia de la radiación.

Espero que esto le haya dado un poco de sabor, esta es realmente una pregunta muy amplia. Busque en Google algunos de los términos utilizados anteriormente: puede pasar fácilmente una tarde leyendo sobre el tema sin correr el riesgo de convertirse en un experto...

Ópticamente hablando, y muy simple:

Un material opaco no deja pasar la luz a través de él.

Un material que deja pasar la luz pero no deja pasar los detalles de la imagen se llama translúcido.

Un material que deja pasar la luz Y los detalles de la imagen se llama transparente.

"Pasar luz" técnicamente significa CUALQUIER luz, pero en la práctica algunos materiales dejan pasar tan poca luz que pueden considerarse opacos, por lo que el término puede ser subjetivo en algunos casos.

La opacidad es una descripción de la dispersión de la luz en un determinado material: cuanto más opaco es un material, mayor es la dispersión de la luz y, a la inversa, cuanto menos opaco es un material, menor es la dispersión de la luz.

Con una mayor dispersión de la luz, las probabilidades de que la luz se transmita a través del material disminuyen.

Para un enfoque más intuitivo, recomiendo leer QED: The Strange Theory of Light and Matter de Richard Feynman .

Uso la definición de dispersión de Wikipedia , donde la transmisión significa una dispersión mínima y la reflexión es una forma de dispersión.