¿Si un átomo es un 99,9999% de espacio vacío, ¿por qué la mayoría de la materia es opaca? ¿Por qué la luz no pasa directamente a través del espacio...

Estimado Félix Rivera,

en tu pregunta hay varias cosas que aclarar. Primero veamos qué significaría atravesar los espacios vacíos.

(1) Longitud de onda necesaria para atravesar la materia

Para que la luz pudiera atravesar el interior de los átomos debería tener una longitud de onda menor que su tamaño. Por ejemplo, debería tener una longitud de onda de menor a 0.13 nm, o equivalentemente, una frecuencia 2.3 millones de THz (que corresponde a rayos X de los más energéticos, o rayos gamma). Efectivamente, con una radiación de frecuencia similar o superior la materia no es "opaca" (es atravesada por esos rayos).

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Ahora veamos cómo es eso que se dice que "los átomos están casi vacíos" …

(2) El "espacio vacío" dentro de los átomos

Los experimentos realizados al comienzo del siglo pasado, demostraron que el tamaño del núcleo atómico es 10 mil veces MENOR que el tamaño del átomo. A pesar de eso, ¡ casi toda la masa del átomo está en su núcleo, que es 10 mil veces más pequeño !

Es por eso que se dice que "prácticamente, el espacio está vacío". No obstante, eso es solamente una expresión para enfatizar que la masa está concentrada en una región muchísimo menor.

Efectivamente. Los átomos no se rigen por la Física Clásica. Si bien el tamaño atómico está asociado al diámetro medio de movimiento de los electrones más alejados (y menos ligados del átomo), hay otros electrones (en movimiento) a distancias intermedias. Estos electrones pertenecen a un sistema completo, que determina sus números cuánticos en relación a los números de los demás. No son partículas aisladas, como podrían ser los electrones libres en un conductor eléctrico, ni planetas alrededor del Sol. Por lo tanto, no se puede suponer que dentro del átomo haya "vacío".

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Además, hay otra cosa más. La pregunta podría haber sido:

(3) Si el espacio está casi todo vacío, …

¿porqué no podemos atravesar una lámina de material sólido con la mano?

En un sólido no sólo está la masa de los átomos. También hay enlaces entre átomos que los mantienen en sus posiciones, requiriendo energía para ser desplazados. Esos enlaces son los que ofrecen resistencia a la presión de la mano (Es decir, lo que detiene nuestra mano no es la masa concentrada en los núcleos).

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Finalmente hablemos un poco de la transparencia versus la opacidad.

(4) Longitud de onda de la luz que usas para "ver"

Se dice que "la mayoría de la materia es opaca", pero eso es en relación a nuestro sistema de visión. El ojo humano sólo ve en el rango de longitudes de onda aproximadamente entre 390 nm y 770 nm (i.e., entre el ultravioleta y el infrarrojo, o del violeta al rojo).

En primer lugar, con luz de esas longitudes de onda tan grandes, estamos pasando por encima de más de 3000 átomos, entonces NO se ve el "espacio vacío" del que habla la pregunta. La red de átomos no se ve "perforada", sino que se ve algo CONTINUO y sólido.

Eso es cierto tanto para cuerpos que llamamos "opacos", como una lámina de aluminio, como también para el cristal (dióxido de silicio) de una ventana, que resulta "transparente". Entonces la diferencia entre los materiales opacos y los transparentes no está relacionada con el interior de los átomos, sino con los enlaces entre ellos.

Esto es muy importante: las restricciones impuestas a la energía de los electrones en un átomo aislado (que se ha descubierto con el desarrollo de la Física Cuántica, como el Principio de Exclusión de Pauli), son restricciones que en un sólido toman otra forma, transfiormándose en BANDAS DE ENERGÍA, bandas permitidas y bandas prohibidas (mediante la "Distribución de Fermi-Dirac").

Las 3 últimas bandas tienen especial importancia en la opacidad o transparencia. La energía de los electrones que intervienen está dentro de la "Banda de Valencia". Luego hay una brecha de valores de energía que los electrones NO pueden tener. Este intervalo se denomina "Banda de energía prohibida" ("Eg"), o "gap" (band gap, en inglés).

Por lo tanto, para pasar a la siguiente banda de energía ("Banda de Conducción") los electrones de la Banda de Valencia tienen que absorber una energía mayor que el gap, la energía necesaria para poder "saltar" a la banda permitida siguiente.

Si algunos colores de la luz visible tienen una energía mayor (luz hacia el violeta) será absorbida por los electrones que pasarán de la banda de valencia a la de conducción. Estos son los materiales OPACOS (porque absorben esos colores de la luz visible).

Por el contrario, si la luz tiene una energía menor que la correspondiente al gap (luz hacia el rojo), no podrá ser absorbida y pasará a través del material, el que resultará TRANSPARENTE a esos colores.

Si todos los colores son absorbidos por tener energía suficiente para superar el gap, entonces el material resulta completamente opaco (a la luz que podemos ver).

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Es decir (volviendo a la pregunta), la luz pasa a través del material, pero eso NO ocurre porque el espacio atómico esté vacío, sino porque la estructura no ha sido capaz de absorber la radiación. A continuación se da un ejemplo donde algunos colores pasan pero otros de mayor energía son absorbidos.

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Un EJEMPLO extraordinariamente didáctico e interesante es el caso de un CRISTAL de AZUFRE. ¡¡ Mirándolo se puede estimar el valor del gap !!

Los trozos de azufre que uno suele conocer son opacos y de color amarillo. Sin embargo, un "cristal" es otra cosa. En un cristal los átomos se han ordenado en una estructura regular que se repite. Esto afecta notablemente muchas propiedades, como ópticas, eléctricas, magnéticas y mecánicas. En particular, muchos materiales cristalinos son transparentes. Ese es el caso del azufre.

Al mirar un cristal bien formado de azufre al trasluz con luz blanca, presenta un color amarillo fuerte. Esto nos dice que el cristal actúa como FILTRO eliminando el color violeta (complementario del amarillo) del espectro visible.

Esta observación indica que la longitud de onda de corte "lc" debe estar entre el azul y el violeta, es decir, aproximadamente unos 400 nm. Por lo tanto, el gap de energía debería ser:

Eg = h c / lc = 1239 eV nm / 400 nm = 3.1 eV (aproximadamente)

que está de acuerdo con los resultados obtenidos por otros métodos.

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Junio 11, 2019. jlgiordano@hotmail.com