Absorción (óptica)

Espectros de transmisión de la atmósfera. En el visible, las pérdidas se derivan principalmente de la dispersión de Rayleigh, mientras que en el infrarrojo, provienen de la absorción.

coeficiente de absorción de agua en cm ^-1.

En física, la absorción de la radiación electromagnética es el proceso por el cual dicha radiación es captada por la materia. Cuando la absorción se produce dentro del rango de la luz visible, recibe el nombre de absorción óptica. Esta radiación, al ser absorbida, puede, bien ser reemitida o bien transformarse en otro tipo de energía, como calor o energía eléctrica.

En general, todos los materiales absorben en algún rango de frecuencias. Aquellos que absorben en todo el rango de la luz visible son llamados materiales opacos, mientras que si dejan pasar dicho rango de frecuencias se les llama transparentes. Es precisamente este proceso de absorción y posterior reemisión de la luz visible lo que da color a la materia.

Los colores que muestra el espectro (arcoíris) son la combinación de los colores primarios, que no incluyen el blanco ni el negro, pues estos se consideran valores. El blanco estaría indicando presencia de luz y el negro ausencia de luz.

Información general

Cuando la energía asociada a un fotón, es mayor a la brecha de energía del material en el cual esté incidiendo, el fotón será absorbido por el material, sin embargo, el electrón pasará a un estado de sobre excitación, por lo que posteriormente el par electrón-hueco, se relajará liberando la energía excedente, en forma de energía térmica.

En cambio, cuando la energía del fotón es igual a la brecha de energía, el par electron-hueco, absorberá dicho fotón pero no existirá liberación de energía térmica.

Por último, cuando la brecha de energía es mayor a la energía del fotón, los portadores de carga no absorberán el fotón y pasará a través del material sin interactuar con él como

Nivel microscópico

A nivel de los fotones (cuantos de luz), la absorción es el fenómeno por el cual la energía de un fotón es tomada por otra partícula, como por ejemplo un átomo cuyos electrones de valencia efectúan una transición entre dos niveles de energía electrónica. El fotón resulta entonces "destruido" en la operación, la energía electromagnética es absorbida y convertida en energía electrónica, (esta absorción completa del fotón solo puede darse si el electrón forma parte de un átomo, un electrón libre nunca puede absorber el fotón, solo dispersarlo) ​

Esta energía electrónica absorbida por el átomo se puede volver a transformar en:

• Energía electromagnética por emisión de fotones.
• Convertida en vibración de la partícula (mayor energía cinética de la partícula) lo que se traduce a nivel macroscópico en un aumento de la temperatura (energía electromagnética que se transforma en energía interna).
• En un fonón (agitación en una red cristalina en un cristal).
• En un plasmón (oscilación colectiva de electrones en un metal).

Ver espectroscopia y espectro electromagnético.

Ejemplo, absorcion en semiconductores

Para que se produzca el proceso de absorción en un semiconductor debe ocurrir que la energía del fotón (ℏω,

siendo ω la frecuencia) sea comparable al gap de energía Eg del material. En ese caso, la absorción provoca la

cesión de un electrón desde la banda de valencia hacia la banda de conducción. La ausencia del electrón en la

banda de valencia provoca la creación de un hueco en la misma, el cual puede ser tratado de manera efectiva

como una nueva partícula que se asemeja a un electrón con carga positiva denotado por h+ (ver Figura 1). A

todo este proceso se le llama transición de interbanda y es de gran importancia, ya que, entre otras cosas, da

lugar a electrones que contribuyen a la conductividad σ del material. En concreto, esperamos que la σ(ω) (la

parte real) de un material generada por una de estas transiciones exhiba un umbral de energía igual a Eg ​.

Estas transiciones pueden ser o bien indirectas o directas, dependiendo de si van acompañadas o no de una

transferencia de momento. Las transiciones indirectas suelen ser generadas por la interacción con fonones. El

momento que aporta el fotón al sistema es negligible, ya que normalmente se trabaja con frecuencias en el rango

del visible que son 3 órdenes de magnitud más pequeñas que el momento típico de un electrón en un cristal​.

La Figura 1 muestra un ejemplo de transición directa.

La variable utilizada a la hora de describir y cuantificar este fenómeno es lo que se conoce como taza de

transferencia W . Se define como la probabilidad por unidad de tiempo de que al incidir luz sobre el material

tenga lugar una transición ​. Haciendo uso de la Regla de Oro de Fermi se puede demostrar que

$W\propto \sum _{ij}|<f|{\textbf {e}}\cdot {\hat {\textbf {p}}}|i>|^{2}\delta (E_{f}-E_{i}-\hbar \omega )$​

donde $|f>(|i>)$ representa el estado final (inicial) del electrón, e es la polarización de la luz, ${\hat {\textbf {p}}}$ es el operador

momento en 3 dimensiones y $E_{f}$ y $E_{i}$ son la energía final e inicial asociada a los estados f e i respectivamente.

La suma sobre ij tiene en cuenta todos los estados iniciales que pueden transitar a los distintos estados finales.

No obstante, la presencia de la delta de Kronecker restringe esta suma. En particular, $\delta (E_{f}-E_{i}-\hbar \omega )$ está

íntimamente relacionada con la densidad de estados conjunta o también conocidas como densidad de estados

óptica, que describe el número de estados efectivo de la banda de conducción y de valencia que pueden dar lugar

a la absorción de un fotón por unidad de volumen y por unidad de energía del fotón.

En la expresión matematica de W no hemos añadido los factores de Fermi $f(E)$ pues estamos considerando que inicialmente

la banda de valencia está completamente llena y la de conducción completamente vacía (se puede suponer que

estamos a 0 Kelvin y que la energía de Fermi se encuentra en el máximo de la banda de valencia).

Nivel macroscópico

En términos del electromagnetismo clásico, la absorción es el fenómeno por el cual los materiales no transparentes (α ≠ 0) atenúan cualquier onda electromagnética que pasa por ellos, la energía absorbida se convierte en calor (efecto Joule).

El fenómeno de absorción se relaciona con el fenómeno de la dispersión por las relaciones de Kramers-Kronig.

Aspecto práctico

Para la mayoría de las sustancias, la tasa de absorción varía con la longitud de onda de la luz incidente, lo que lleva a la aparición del color en los pigmentos que absorben ciertas longitudes de onda, pero no para otras. Por ejemplo, con la luz blanca incidente, un objeto que absorbe las longitudes de onda en el azul, verde y amarillo, aparecerá en rojo. Un material negro absorbe todas las longitudes de onda visible (convertidas en calor) mientras que un material blanco las reflejará.

Investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer ha creado un material de nanotubos de carbono que puede absorber el 99,955% de la luz.​

Véase también

• Ley de Beer-Lambert
• Emisión espontánea
• Emisión estimulada

Referencias

• Datos: Q905921
• Multimedia: Absorption / Q905921