Perché il vetro è trasparente?

Una delle domande che ha trovato risposta molto tardi nella mia vita è proprio la questione riguardante la trasparenza del vetro: come è possibile che esistano materiali che (quasi) indipendentemente dal loro spessore lasciano passare la luce mentre altri (basti pensare ai metalli) seppure portati ad avere spessori sottilissimi non acquistano neanche in minima parte questa caratteristica? Per capire il motivo dobbiamo entrare a conoscenza delle regole che prendono parte nella interazione fra materia e luce.

Principalmente ci accorgiamo tramite l’utilizzo dei nostri sensi che esistono due forme principali di entità in natura: le entità materiali, quali gli oggetti intorno a noi, l’aria, l’acqua (noi stessi) e altre entità che sono "eteree" quali la luce, il calore che non possono essere racchiuse, fermate e che in un certo senso sono la trasmissione stessa dell’energia; limitiamo il nostro discorso alla materia e alla luce dando per buona l’identificazione che di solito associamo a queste parole nella vita quotidiana, sapendo inoltre che la materia è costituita da atomi, strutture composte da un nucleo (che per il discorso a seguire non ci interessa minimamente) e da dei gusci elettronici che abbiamo imparato a studiare in chimica.

Questi strati rappresentano le zone dove si trovano gli elettroni e sono indicati tramite dei numeri, nati dalla teoria quantistica, i quali rappresentano delle quantità fisiche ben definite quali il momento angolare e l’energia;esiste una regolamentazione precisa che i fisici hanno individuato negli ultimi due secoli che possono essere riassunte in queste maniera

• Le energie permesse degli elettroni all’interno degli orbitali sono discrete.
• L’energia del fotone è proporzionale alla frequenza.
• Una volta che un orbitale è occupato non è possibile inserire un altro elettrone in quello stesso orbitale.
• È possibile far passare un elettrone da un orbitale ad un altro (con una energia corrispondente maggiore) se gli viene fornita abbastanza energia in maniera da compensare la differenza esistente far quello occupato inizialmente e quello che si vuole raggiungere.
• L’unico modo per fornire energia ad un elettrone è tramite un fotone.
• Un elettrone può passare ad un livello di energia inferiore se emette un fotone di energia pari alla differenza di energia dei livelli tra cui avviene il salto.

Quanto detto finora è valido per un atomo singolo, senza niente con cui interagire, ma nel mondo reale gli oggetti sono costituiti da un numero di atomi esorbitante, tutti disposti (nei solidi) a distanze molto piccole (sarà per questo che i gas sono per la stragrande maggioranza trasparenti?); nei solidi esiste un cosidetto reticolo cristallino lungo cui si dispongono le molecole degli elementi avente una simmetria (reticolare appunto) che si riflette nelle proprietà degli orbitali atomici: succede che gli orbitali degli atomi contigui si fondono generando un gran numero di livelli energetici intorno a quelli dell’atomo solitario che si ritrovano così a formare delle zone in cui i livelli di energia sono praticamente continui tra loro. A questo punto possono verificarsi tre casi

1. I livelli di energia formano una zona continua tra loro, permettendo così agli elettroni, assorbendo fotoni di giusta frequenza, di portarsi in qualunque posizione vogliano negli orbitali.
2. I livelli di energia sono separati tra loro da un salto energetico molto ampio e quindi solo fotoni di frequenza molto elevata permettono il salto.
3. Una condizione intermedia alle precedenti.

Considerando che tra le regole dette prima esiste una eccezione dovuta al fatto che anche l’energia termica contribuisce al salto di orbitale, possiamo identificare queste tre classi di materiali come conduttori, isolanti e semiconduttori.

Mettiamoci adesso nel caso in cui esista un vuoto di energia fra le varie zone, corrispondenti proprio all’intervallo di frequenze date dalla luce visibile; siccome non esistono salti ammissibili, la luce passa attraverso il materiale ma non può essere assorbita in alcun modo e quindi indisturbata (vabbé esiste la rifrazione e la riflessione ma adesso non entriamo nei dettagli) giunge dall’altro capo del materiale che possiamo chiamare senza ombra di dubbio trasparente! c’è da far notare che la trasparenza è un concetto vago e dipendente dall’intervallo di frequenze: tranne il piombo, tutto è trasparente ai raggi gamma ed il vetro non  è per controparte trasparente alla radiazione infrarossa (il vetro di un lampadario si scalda ugualmente anche se non in contatto diretto con il filamento).

Quindi il nostro mondo che noi crediamo così concreto è in realtà determinato da uno strato di probabilità incerto come una nuvola, o per dirla con le parole del sommo Masamune Shirow

"La materia non è altro che un guscio senza una forma determinata, è come una nuvola di vapore acqueo… Nel vuoto colmo di ipotetiche particelle c’è l’esistenza reale."

Kokaku Kitodai – Masamune Shirow