Warum ist ein undurchsichtiger Körper undurchsichtig?

Es gibt mehrere Begriffe mit genauer Bedeutung in den Naturwissenschaften, die in die allgemeine Sprache übernommen und missbraucht wurden.

Undurchsichtig scheint jedoch nicht dazu zu gehören. Laut mehreren etymologischen Quellen, die ich gerade nachgeschlagen habe (wie zum Beispiel Etymology Online ), scheint es im Lateinischen und Französischen ziemlich matschige Ursprünge zu haben, was dunkel oder schattig bedeutet.

Was die akzeptierte wissenschaftliche Definition betrifft, so gefällt mir die Definition des American Heritage Science Dictionary

Im Wesentlichen besagt es, dass ein undurchsichtiges Objekt der Übertragung (Durchgang) von Strahlung (dh abgestrahlter Energie) einer bestimmten Art widersteht. In dem Beispiel von Glas von Guo Qianyi in den Kommentaren ist Glas also ungefähr transparent für sichtbares Licht, aber ungefähr undurchsichtig für Infrarot- und Ultraviolettlicht.

Hier gibt es zwei Fragen. Das erste - "was ist die Definition von undurchsichtig" ist furchtbar weit gefasst und hängt vom Bereich / Kontext ab. Ich konzentriere mich auf die zweite: Wann und wie lässt ein Körper Strahlung durch?

Wir sollten eigentlich die umgekehrte Frage stellen: Durch welche Mechanismen verhindert ein Körper, dass Strahlung durchgeht. Ich werde dies nur für verschiedene Teile der elektromagnetischen Strahlung beantworten.

Im weitesten Sinne lautet die Antwort: "Wenn der Körper mit der Strahlung interagiert, breitet sich ein Teil davon nicht weiter in die ursprüngliche Richtung aus". Wir unterscheiden zwischen kohärenter Streuung : Strahlung ändert die Richtung, behält aber Energie bei, inkohärenter Streuung : Strahlung ändert die Richtung und verliert etwas Energie, und Absorption : Energie von Strahlung wird vollständig auf den Körper übertragen. Wenn Sie Strahlung haben, die man sich bequem als Teilchen vorstellen kann (d. h. die Wellenlänge ist kurz im Vergleich zur Dimension des Körpers), nennen wir sie normalerweise Photonen (oder Gammastrahlen, je nachdem, wie sie erzeugt wurden); Wenn die Wellenlänge viel länger ist, ist es bequemer, sich die Strahlung als kontinuierliche Welle vorzustellen.

Nehmen wir sie also der Reihe nach. Photonen interagieren mit den Elektronen im Körper. Bei hohen Energien ist die Photonenenergie viel größer als jede chemische Bindungsenergie der Elektronen, und die Wechselwirkung ist praktisch nicht von der Wechselwirkung "freier Elektronen" zu unterscheiden. Sie haben Compton-Streuung (inkohärent - Photonensprünge von Elektronen und übertragen etwas Energie / Impuls) und manchmal (bei ausreichend hoher Energie, dh> 1,022 MeV) Paarbildungwo ein Positron/Elektron-Paar "aus dem Vakuum" erzeugt wird und dabei dem Photon Energie entzieht. Bei etwas niedrigeren Energien kommt es zu photoelektrischen Wechselwirkungen: Das gebundene Elektron absorbiert die Energie des einfallenden Photons und springt in einen anderen Zustand. Jedes davon raubt dem Photon (einen Teil) seiner Energie. Im Gegensatz dazu ändert kohärente Streuung nur die Richtung des Photons. Das an sich verhindert nicht, dass Strahlung übertragen wird, aber wenn die Weglänge der Strahlung zunimmt (sie ändert ständig die Richtung), haben alle Absorptionsmechanismen eine größere Wahrscheinlichkeit, auf das Photon einzuwirken, bevor es austritt.

Wenn Sie sich dem sichtbaren Spektrum nähern, beginnt die Bindungsenergie von Elektronen zwischen Atomen ins Spiel zu kommen und führt zu spezifischen Absorptionsspitzen – das gibt vielen Molekülen Farbe. In Richtung Infrarot wird Energie im Zusammenhang mit Atombewegungen (Schwingungen von Bindungen und Rotationen) wichtig und führt zu mehr Mechanismen zur Absorption der Energie - dies ist natürlich der Eckpfeiler der IR-Spektroskopie.

Zwei weitere erwähnenswerte Mechanismen: Fehlanpassung des Brechungsindex und Leitfähigkeit. Wenn Sie ein polykristallines Material oder ein anderes Material mit heterogenen optischen Eigenschaften haben (Korngrenzen oder viele Material-Luft-Grenzflächen im Fall von gesinterten Materialien oder sogar loses körniges Material: denken Sie an eine Zuckerdose), dann hat Licht eine Reflexionswahrscheinlichkeit oder Brechung an jeder dieser Grenzen. Dies ist ein Beispiel für kohärente Streuung - im Prinzip geht keine Energie durch die Brechung verloren - und kann zu einem weißen Aussehen des Materials führen (denken Sie wieder an eine Zuckerdose). Andererseits können Absorptionsmechanismen gleichzeitig im Spiel sein (brauner Zucker), sodass beide häufig zusammen auftreten.

Schließlich spielt die Leitfähigkeit besonders bei längeren Wellenlängen (niedrigeren Frequenzen) eine große Rolle; Obwohl wirklich alle elektromagnetischen Wechselwirkungen letztendlich die Beschleunigung von Elektronen beinhalten, benötigen Sie für lange Wellenlängen wirklich makroskopische Leitfähigkeit (anstelle der Bewegung eines einzelnen Elektrons), um die einfallende Strahlung zu beeinflussen. Bei sehr guter Leitfähigkeit bewegen sich die Elektronen so, dass sie die Strahlung reflektieren; bei nicht ganz so guter Leitfähigkeit kommt es jedoch zu Verlusten (die letztendlich zu einer Erwärmung des Materials führen). Dies ist fast immer eine Funktion der Frequenz der Strahlung.

Ich hoffe, das hat Ihnen einen kleinen Vorgeschmack gegeben - das ist wirklich eine sehr weit gefasste Frage. Googeln Sie einige der oben verwendeten Begriffe - Sie können leicht einen Nachmittag damit verbringen, sich mit dem Thema zu beschäftigen, ohne Gefahr zu laufen, ein Experte zu werden ...

Optisch ganz einfach:

Ein undurchsichtiges Material lässt kein Licht durch.

Ein Material, das Licht durchlässt, aber keine Bilddetails durchlässt, wird als durchscheinend bezeichnet.

Ein Material, das Licht UND Bilddetails durchlässt, wird als transparent bezeichnet.

„Licht durchlassen“ bedeutet technisch JEDES Licht, aber in der Praxis lassen einige Materialien so wenig Licht durch, dass sie effektiv als undurchsichtig angesehen werden können, sodass der Begriff in einigen Fällen subjektiv sein kann.

Opazität ist eine Beschreibung der Lichtstreuung in einem bestimmten Material: Je undurchsichtiger ein Material ist, desto höher ist die Lichtstreuung und umgekehrt, je weniger undurchsichtig ein Material ist, desto geringer ist die Lichtstreuung.

Mit einer höheren Lichtstreuung nimmt die Wahrscheinlichkeit ab, dass Licht durch das Material übertragen wird.

Für einen intuitiveren Ansatz empfehle ich die Lektüre von Richard Feynmans QED: The Strange Theory of Light and Matter .

Ich verwende die Wikipedia- Definition von Streuung , bei der Übertragung minimale Streuung bedeutet und Reflexion eine Form der Streuung ist.