La razón tiene que ver con la estructura electrónica del material en cuestión. Esto va a ser un poco complicado, así que tengan paciencia conmigo. Primero, algunos conceptos básicos:
La luz interactúa casi exclusivamente con las nubes electrónicas del material (los núcleos atómicos son ~ 10 ^ 5 veces más pequeños en diámetro (10 ^ 10 veces más pequeños en la sección transversal) que el tamaño interatómico / nubes de electrones y la contribución de los núcleos a la luz las interacciones pueden ser ignoradas efectivamente en este caso).
La sucia verdad de esto es que un fotón no se refleja como una bola cuando rebota en una pared. En realidad, el fotón es absorbido por un electrón, elevando su energía. Luego, el electrón cae en un estado de energía inferior y emite un fotón con un vector de unidad de momento diferente. Este puede ser un proceso de emisión de fotones único o múltiple dependiendo de la estructura electrónica del material y la probabilidad de ciertos procesos de desintegración en el material. Esto está muy por encima del alcance de esta respuesta, pero es importante familiarizarse con él para comprender por qué la luz no se refleja (es decir, un material es claro) por algunos materiales y lo contrario para los demás.
Una forma útil de considerar esto es el modelo de banda de electrones. A medida que un átomo se junta con un grupo de otros átomos, los electrones de valencia son forzados a posiciones superpuestas, y deben degenerarse en energía (que se dispersa en energía en oposición a estar en una energía discreta como en un átomo aislado) para evitar violar el Principio de Exclusión Pauli. Esto da lugar a amplias “bandas” donde los electrones pueden existir en el espacio de energía / momento. Dependiendo de la estructura de los materiales y de los átomos que pueblan el cristal, formará diferentes estructuras de bandas. Los electrones solo pueden existir dentro de las bandas. Aquí hay algunos esquemas simplificados que ayudarán a ilustrar el caso.
Así que vamos caso por caso, de metal a semiconductor a dieléctrico. El área de hash de las bandas está ocupada por electrones, y el área libre de las bandas está vacía. CB es la banda de conducción y VB es la banda de valencia. Por ejemplo, se conoce como banda prohibida, o la diferencia de energía entre la banda de conducción y la banda de valencia. En un semiconductor o aislador sin defectos, esta es la energía mínima requerida para que un electrón de valencia lo conduzca.
En la carcasa de metal, puede ver que la banda de conducción está parcialmente llena. Eso significa que cualquier fotón (unidad de luz) incidente en el material será absorbido por un electrón en la banda de conducción porque hay puntos libres en la banda de conducción a los que irá el electrón. El electrón no puede permanecer aquí y debe descender al punto por encima del electrón de la banda de valencia de energía más alta. Para hacerlo, abandona el exceso de energía absorbida por el fotón incidente como un fotón emitido con la misma longitud de onda y un momento diferente (dirección del recorrido de la luz en este caso). Los metales reflejan bien todo el espectro de la luz visible debido a esto (algunos mejores que otros), y es por eso que los espejos usan una capa de metal detrás del vidrio para crear el reflejo. Esta luz reflejada es para la mayoría de los materiales lo que hace que el material sea opaco.
En un semiconductor hay algunas arrugas. Hay una brecha de energía entre la banda de conducción y la banda de valencia, y la banda de valencia está completamente ocupada en 0K, por lo que la luz que tiene una energía menor que Eg no puede ser absorbida porque el electrón no podría ir a ninguna parte. Gracias a la mecánica cuántica y la física de estado sólido para eso. Entonces la luz viajará a través del material. Con fotones / luz de energías arriba de Eg, hay estados de energía disponibles para que el electrón absorba la luz, y puede hacer lo mismo que el metal en el caso anterior. Como regla general, los semiconductores tienen un espacio de banda Eg que es menor que la luz de mayor energía (la longitud de onda más corta o la más púrpura) en el rango de luz visible. Entonces, todos los semiconductores tendrán un reflejo para ellos y un color, que dependerá de cómo el material absorbe y emite los fotones. Esto es bastante complicado y no iré más lejos en ese tema.
Con aisladores, el espacio de banda Eg es mayor que la energía de TODA la luz visible. Eso significa que los fotones en la luz no pueden ser absorbidos y transmitidos a través del material. Por lo tanto, está claro.
Existen algunos factores de confusión, como los efectos en la superficie y la absorción en los defectos y los bandgaps no directos y las reflexiones internas, pero esta respuesta proporciona la razón principal por la que algunos materiales son claros y otros no. Sé que esta respuesta es complicada, pero no hay forma de simplificarla realmente. ¡Esto ya es una simplificación! Espero que esto ayude y no dude en hacer preguntas si está confundido. Este es un tema de cuarto año de física / ciencia de materiales y requiere 3 años de matemática y física.
