Proprietà ottiche dei materiali

Perché il vetro è trasparente e un metallo specchiante? Perché il rubino è rosso e un semiconduttore può essere nero? La risposta sta nelle proprietà ottiche dei materiali, cioè in come la luce viene assorbita, riflessa o lasciata passare a seconda della struttura elettronica.

Vediamo che cosa decide se un materiale è trasparente, opaco o colorato, e come il concetto di intervallo di banda lega l’ottica all’elettronica dei solidi.

Cosa succede quando la luce colpisce un materiale

Quando la luce incontra un materiale può essere riflessa, assorbita o trasmessa, e di solito le tre cose avvengono insieme in proporzioni diverse. Ciò che decide queste proporzioni è il modo in cui gli elettroni del materiale possono interagire con i fotoni. Un materiale è trasparente se lascia passare la luce senza assorbirla, opaco se la blocca, specchiante se la rimanda indietro: tutto dipende dagli stati di energia disponibili agli elettroni.

L’intervallo di banda decide tutto

Negli isolanti e nei semiconduttori gli elettroni occupano una banda piena (di valenza) separata da una banda vuota (di conduzione) da un intervallo di banda, una zona di energie proibite. Un fotone può essere assorbito solo se la sua energia è almeno pari a questo intervallo: in tal caso cede energia a un elettrone facendolo saltare oltre il gap. Se invece il fotone ha energia minore, non trova nessun salto disponibile e attraversa il materiale indisturbato.

Perché il vetro è trasparente

Il vetro e molti materiali isolanti hanno un intervallo di banda grande, più grande dell’energia dei fotoni della luce visibile. Di conseguenza nessun colore della luce visibile riesce a essere assorbito, e tutta la luce passa: il materiale ci appare trasparente. Lo stesso vetro, però, assorbe i raggi ultravioletti, più energetici, ed è per questo che dietro un vetro non ci si abbronza: la luce visibile passa, l’ultravioletto no.

assorbimento se   hν ≥ Eₜ   (energia del fotone maggiore del gap)

Da dove viene il colore

Un materiale appare colorato quando assorbe solo una parte dello spettro visibile e lascia passare o riflette il resto. Un semiconduttore con un intervallo di banda intermedio assorbe la luce più energetica (il blu) e trasmette quella meno energetica, apparendo colorato. Nei materiali come i rubini il colore nasce invece da specifici livelli di energia dovuti a impurezze metalliche, che assorbono certi colori e ne lasciano passare altri.

Perché i metalli sono lucenti

Nei metalli non c’è intervallo di banda: gli elettroni liberi possono assorbire fotoni di qualsiasi energia. Ma invece di trattenerla, li ri-emettono immediatamente, rimandando indietro quasi tutta la luce. Questo è il motivo della tipica lucentezza metallica e della capacità di fare da specchio. La maggior parte dei metalli riflette tutti i colori in modo simile e appare grigio-argentea; oro e rame, per particolarità della loro struttura elettronica, riflettono meglio le tonalità calde e appaiono dorato e rossastro.

Emettere luce, non solo assorbirla

Il processo si può anche invertire: un elettrone che ricade dalla banda di conduzione a quella di valenza può restituire l’energia sotto forma di luce, con un colore fissato dall’ampiezza del gap. È il principio dei diodi a emissione luminosa: scegliendo un semiconduttore con il gap giusto si ottiene un LED rosso, verde o blu. Questo legame diretto fra ampiezza del gap e colore della luce emessa è ciò che ha reso possibile l’illuminazione a stato solido e gli schermi moderni, e mostra quanto ottica ed elettronica dei materiali siano due facce della stessa medaglia.

Indice di rifrazione e materiali per la luce

C’è un’altra proprietà ottica fondamentale anche quando il materiale è trasparente: l’indice di rifrazione, che misura quanto la luce rallenta e si piega entrando nel materiale. Da esso dipendono fenomeni quotidiani come la deviazione dei raggi attraverso una lente e i riflessi di un diamante, il cui altissimo indice fa rimbalzare la luce all’interno producendo i caratteristici bagliori. L’indice di rifrazione è ciò che permette di progettare lenti, prismi e fibre ottiche. Le fibre ottiche, in particolare, sfruttano un nucleo di vetro circondato da un rivestimento con indice leggermente diverso: la luce resta intrappolata nel nucleo per riflessione totale e vi viaggia per chilometri con perdite minime, ed è così che corrono i dati di internet. Un materiale ottico di qualità deve perciò non solo essere trasparente alla giusta lunghezza d’onda, ma avere l’indice di rifrazione voluto e contenere pochissime impurezze e difetti, che disperderebbero la luce. La progettazione dei vetri ottici è un settore raffinato, in cui si regolano composizione e purezza per ottenere esattamente il comportamento luminoso richiesto.

Domande frequenti

Perché il vetro è trasparente?

Perché ha un intervallo di banda grande, maggiore dell’energia dei fotoni della luce visibile: nessun colore visibile può essere assorbito e la luce passa tutta. Lo stesso vetro però assorbe l’ultravioletto, più energetico, che riesce a superare il gap.

Che cos’è l’intervallo di banda in ottica?

È il salto di energia che un elettrone deve compiere per passare dalla banda piena a quella vuota. Un fotone viene assorbito solo se la sua energia è almeno pari a questo intervallo; altrimenti attraversa il materiale senza interagire.

Perché i metalli sono lucenti?

Perché i loro elettroni liberi assorbono fotoni di qualunque energia e li ri-emettono subito, rimandando indietro quasi tutta la luce. Questa riflessione quasi totale dà la lucentezza metallica e la capacità di funzionare da specchio.

Da cosa dipende il colore di un materiale?

Dal fatto che assorbe solo una parte dello spettro visibile e trasmette o riflette il resto. Il colore che vediamo è quello non assorbito. Nei semiconduttori dipende dall’ampiezza del gap; in molti cristalli colorati dipende da impurezze metalliche.

Come fa un LED a emettere luce?

Un elettrone che ricade dalla banda di conduzione a quella di valenza restituisce energia come luce, di colore fissato dall’ampiezza del gap del semiconduttore. Scegliendo il materiale con il gap adatto si ottiene un LED del colore voluto.