Propiedades ópticas Aspectos relevantes

Transcripción

1 Propiedades ópticas Aspectos relevantes Qué ocurre cuando la luz incide sobre un material? De qué depende el color de los materiales? Por qué algunos materiales son transparentes y otros traslucidos u opacos? Cómo funciona un láser? 1

2 Propiedades ópticas La luz tiene una naturaleza dual: onda-partícula Fotón un cuanto de luz E h hc E energía del fotón longitud de onda frecuencia h constante de Planck (6.62 x J s) c rapidez de la luz en el vacío (3.00x 10 8 m/s) 2

3 Refracción La luz transmitida distorsiona las nubes electrónicas. sin transmisión de luz + transmisión de luz La rapidez de la luz en un material es menor que en el vacío. + nubes electrónicas distorsionadas n = índice de refracción c (rapidez de la luz en elvacío) v (rapidez de la luz en elmedio) -- Agregar iones con Z grande (e.g., Pb) al vidrio induce una rapidez menor de la luz. -- La luz se dobla al pasar por un prisma transparente Material n Vidrio típico Plásticos PbO (Litargirio) 2.67 Diamante 2.41 Selected values from Table 21.1, Callister & Rethwisch 8e. 3

4 Reflectancia interna total n 2 < n 1 2 n1 n 2 sen 2 sen 1 n 2 n 1 1 = áng. incidente 2 = áng. refractado c = áng. crítico c 1 c presente si 2 = 90 Para 1 > c la luz es reflejada internamente La fibra óptica está revestida de un material de bajo n, de modo que la luz experimenta reflectancia total interna y así no escapa de la fibra óptica. 4

5 Ejemplo: diamante en aire Cuál es el ángulo crítico c para luz que pasa de diamante (n 1 = 2.41) a aire (n 2 = 1)? Solution: Para el áng. crítico, n1 sen 2 n2 sen1 n2 n sen1 senc sen(90) n n Ordenando la ecuación Al sustituir 1 sen c c y 1 1 c

6 Luz en interacción con sólidos La luz incidente es reflejada, absorbida, dispersada, y transmitida: I 0 I T I A I R I S Reflejada: I R Absorbida: I A Transmitida: I T Incidente: I 0 Dispersada: I S Clasificación óptica de materiales: Transparente Translucido Opaco Adapted from Fig , Callister 6e. (Fig is by J. Telford, with specimen preparation by P.A. Lessing.) monocristal Policristal Policristal denso poroso 6

7 Propiedades ópticas de metales: Absorción Absorción de fotones por transiciones electrónicas: Energía del electrón estados desocupados DE = h necesaria! Constante de Planck (6.63 x J/s) frec. de luz incidente estados ocupados Adapted from Fig. 21.4(a), Callister & Rethwisch 8e. Estados desocupados adyacentes a los ocupados Electrones cercanos a la superficie absorben luz visible. 7

8 Absorción de luz La cantidad de luz absorbida por un material se calcula a partir de la ley de Beer-Lambert I T e I 0 = coeficiente absorción, cm -1 = espesor de muestra, cm I0 = intensidad de la luz incidente I = intensidad de la luz transmitida T Que puede expresarse como ln I T I 0 8

9 Reflexión de la luz en los metales Transiciones electrónicas de un estado excitado producen Un fotón. I R Fotón emitido de la superficie del metal Energía del electrón Estados vacíos Electrones conducores Transición electrónica Estados ocupados Adapted from Fig. 21.4(b), Callister & Rethwisch 8e. 9

10 Reflexión de la luz en los metals (cont.) Reflectividad = I R /I 0 está entre 0.90 y Superficies metálicas brillantes La mayor parte de la luz absorbida se refleja con el mismo color Una fracción pequeña de luz se puede absorber EL color de la luz reflejada depende de la distribución por longitude de onda Ejemplo: El cobre y oro absorben luz en azul y verde => la luz reflejada tiene color dorado 10

11 Reflectividad de no metales Para incidencia normal y luz que pasa a través de un sólido con índice de refracción n: Rreflectividad n n Ejemplo: Para Diamante n = 2.41 R % deluz se refleja 11

12 Dispersión de luz en polímeros Para polímeros muy amorfizados o libres de poros Poca o nula dispersión Son transparentes Polímeros semicristalinos Índices de refracción distintos para zonas amorfas y cristalinas Dispersión de luz en las fronteras Polímeros altamente cristalinos pueden ser opacos Ejemplos: Poliestireno (amorfo) transparente sin color Polietileno de baja densidad cartones de leche opaco. 12

13 Absorción selectiva de luz en semiconductores La absorción de luz de frecuencia por transiciones electrónicas ocurre si h > Egap Ejemplos energía fotones: Luz azul: h = 3.1 ev Luz roja: h = 1.8 ev Energía del electrón Estados vacíos Energía fotón incidente h E gap Estados ocupados Adapted from Fig. 21.5(a), Callister & Rethwisch 8e. Si Egap < 1.8 ev, todo el visible se absorbe; material opaco(e.g., Si, GaAs) Si Egap > 3.1 ev, no absorción visible; material transparente y sin color (e.g., diamante) Si 1.8 ev < Egap < 3.1 ev, absorción parcial; material coloreado 13

14 Cálculo de la longitud de absorción mínima (a) Cuál es la longitude minima de luz absorbida por el Ge, E g = 0.67 ev? Solución: Ge (min) hc E g (Ge) (6.63 x 1034 J s)(3 x 10 8 m/s) (0.67 ev)(1.60 x J/eV) Ge (min) 1.86 x 10-6 m 1.86 m (b) Para Si con E g = of 1.1 ev Si (min) 1.13 m Note: la presencia de impurezas puede modificar la longitude de onda de absorción. 14

15 Transmittance (%) Color de no metales Color determinado por la distribución de longitudes de onda: -- luz transmitida -- luz reemitida por transiciones electrónicas Ejemplo 1: Sulfuro de cadmio (CdS), E g = 2.4 ev -- absorbe la luz más energética (azul, violeta) -- color dado por luz transmitida rojo/naranja/amarillo Ejemplo 2: Rubí = Zafiro (Al 2 O 3 ) + (0.5 a 2) at% Cr 2 O 3 -- Zafiro es transparente y incoloro (E g > 3.1 ev) -- añadir Cr 2 O 3 : modifica band gap se absorbe luz de color azul y anaranjado/amarilo/verde luz roja se transmite Resultado: Rubí es de color rojo sapphire ruby 50 wavelength, (= c/)(m) Adapted from Fig. 21.9, Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from "The Optical Properties of Materials" by A. Javan, Scientific American, 1967.) 15

16 Luminiscencia Luminiscencia reemisión de luz por un material Un material absorbe luz de frecuencia alta y la remite a una frecuencia menor. Las impurezas generan estados Banda de conducción Si el tiempo de residencia es largo, es decir (> 10-8 s) -- fosforescencia E g Estados interbanda E emisión Nivel impureza Para tiempos cortos (< 10-8 s) -- fluorescencia Banda de valencia 16

17 Fotoluminiscencia Átomo Hg electrodo Luz UV electrodo Arco entre electrodos excita los electrones en los átomos de mercurio en la lámpara a estados de mayor energía. Al regresar a sus estados base, se emite luz UV (e.g., lámparas de luz negra). Superficie del tubo forrado con un material que absorbe los rayos UV y reemite luz visible desde el interior. - Ejemplo, Ca 10 F 2 P 6 O 24 con 20% de F - sustituido por Cl - Ajuste de color por dopado de iones Sb 3+ azul Mn 2+ naranja-rojo 17

18 Catodoluminiscencia Uso en dispositivos con tubos catódicos (e.g., TVs, monitores de computadoras) Tubo forrado con un fósforo Fósforo se bombardea con electrones Los electrones excitan a ciertos iones Se emiten fotones (luz visible) cuando sus electrones vuelven al estado base Color depende de la composición del fósforo ZnS (Ag + & Cl - ) (Zn, Cd) S + (Cu + +Al 3+ ) Y 2 O 2 S + 3% Eu azul verde rojo 18

19 El LÁSER El laser genera ondas de luz en fase (coherentes) y que viajan paralelas unas respecto a las otras LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation La operación de un láser implica un proceso de inversion de población de estados de energía 19

20 Inversión de población Más electrones en estado excitado que en el estado base Fig , Callister & Rethwisch 8e. 20

21 Funcionamiento de un Láser de Rubí los electrones en el material de laseo son bombeados a estados excitados e.g., por destellos de una lámpara (luz incoherente). Fig , Callister & Rethwisch 8e. Decaimiento directo de electrones produce luz incoherente 21

22 22

23 23