Svar:
Ljus kan beskrivas som en ström av partiklar, fotoner. För att ljuset ska absorberas måste fotonerna försvinna. Detta kan endast ske genom att det finns elektroner antingen bundna till atomer eller fria inne i materialet som kan ta upp den energi som fotonen har. Vad som sker är att fotonen försvinner och elektronen får dess energi.

Inne i ett material kan elektronerna endast finnas i vissa bestämda energinivåer. För att elektronen ska kunna ta upp fotonens energi ("käka upp fotonen") så måste fotonens energi passa mellan två energinivåer. I
många material ligger energinivåerna tätt och de är då inte genomskinliga. I andra material som t ex glas, vatten, luft och diamant finns det "luckor" i elektronernas energinivåer.

Då finns det ingen möjlighet för absorption av fotoner och materialet blir genomskinligt. Genomskinligheten hos ett visst material beror alltså mycket på våglängden hos strålningen. Om man t.ex. skickar in vitt ljus genom ett finger, så absorberas de korta våglängderna, och de långa våglängderna (rött ljus) går igenom. Fingret ser alltså rött ut.

Om det finns flera luckor i absorptionsförmågan så kan flera färger gå igenom. Den färg man uppfattar blir då enligt den normala färgblandningen, se Color Addition Simulator.
/GO/lpe 2000-04-04

Svar:
Förmågan att släppa igenom ljus beror på elektronernas energitillstånd i
kristallgittret. I en periodisk potential bildar energinivåerna band. Mellan
dessa band finns s k bandgap. För diamant gäller att ett band är helt besatt
av elektroner. För att excitera en elektron måste man ge den energi som är större
än bandgapet. Diamant har ett extremt stort bandgap. Detta innebär att fotoner i synligt
ljus har för liten energi för att excitera en elektron. Alltså går de rakt igenom diamanten.

Diamant är däremot inte genomskinligt för mer kortvågigt ljus.

För grafit gäller samma sak som för diamant det är bara det att bandgapet
är mycket mindre. Därför absorberas allt synligt ljus.

Läs Läroböcker i fasta tillståndets fysik behandlar dessa saker utförligt. Ett ex
på bra lärobok är Kitell: "Solid State Physics".
/GO 1998-03-31

Svar:
Vatten är inte genomskinligt för allt ljus. I infrarött ljus har vatten
ett kraftigt absorptionsband vid en våglängd som är ungefär 4 gånger
det synliga ljusets. Det är så kraftigt och brett, att det sträcker sig
en bit in i det synliga området. Rött absorberas alltså mera än blått. Den som
har varit inne i en glaciärgrotta vet att is faktiskt är blå. En sådan
grotta finns vid Chamonix i Frankrike.

Vatten är alltså genomskinligt
därför att det inte finns några absorptionsband i det synliga området. Den färg man ser när man tittar på en stor volym vatten beror även på vilka våglängder som sprids mest. Blått ljus sprids mer än rött, så vatten se blå/grönt ut.

Se Color_of_water för mer om vattnets färg.
/KS/lpe 1999-02-09

Svar:
Det du tar upp är mycket viktigt och intressant. Du har upptäckt två helt olika beskrivningar om hur ljus passerar genom ett genomskinligt material, till synes motsägelsefulla.

En fysikalisk teori gör aldrig anspråk på att beskriva den "sanna" verkligheten. Man ska hellre betrakta den som en modell, och beroende på vilken aspekt av ett system man är intresserad av, kan man använda ganska olika modeller. Helst ska de inte vara motsägelsefulla.

Här gäller det att diskutera två aspekter av ljus i genomskinliga material (glas):

1. Varför är ljusets hastighet lägre i glas än i vakuum?

2. Varför är glas genomskinligt?

Det var den första frågan vi försökte svara dig på. Här tar vi tillfälle att förtydliga. Det är inte elektroner som ljuset reagerar med i glaset. Där finns nämligen inga fria elektroner. Det är i stället materialet som helhet som ljuset reagerar med, och reaktionen är egentligen lika "virtuell" som den i vakuum, eftersom ingen energi avges. I ett material som glas kan molekylerna (tveksamt begrepp när det gäller glas) deformeras av ett elektriskt fält. Man talar om ett dielektrikum.

Man kan tänka sig ett glas, där energi från ljuset kan avges till en elektron. Men då blir detta glas ogenomskinligt. Koboltglas (blått glas) släpper igenom blått ljus, men är ogenomskinligt i andra färger. Alltså, i koboltglas finns en "lucka" mellan elektronernas energinivåer, som svarar mot energin hos blått ljus. Därför är koboltglas genomskinligt i blått ljus.
/KS 1999-10-15

Svar:
I en svart yta exciteras någon elektronnivå. Energin går sedan antingen till
värme i ytan eller infraröd strålning.

I en vit yta exciteras normalt inte någon elektronnivå. I allmänhet rör
det sig om genomskinliga
material. Snö är ett bra exempel. Alla vet vi ju att is är genomskinlig,
den absorberar inte synligt ljus. Däremot reflekterar isen ljus. Snö består
ju av massor av små iskristaller, som reflekterar ljuset hit och dit. Till
slut har ljuset förlorat all känsla för riktningen, alltså varifrån det
kom. Det är ganska stor chans att det åter når snöytan, och åker ut i en
godtycklig riktning. Det är så en vit yta funkar. Vit målarfärg innehåller
pigment, som är genomskinliga kristaller med högt brytningsindex, till exempel
titandioxid (n=2.6).
/KS 2000-03-28

Svar:
För en elektromagnetisk våg gäller att motsvarande fotons energi är
proportionell mot frekvensen:

E = h f

(h = Plancks konstant, f = frekvensen) För att denna foton ska kunna
absorberas i ett material, måste det finnas elektronövergångar med
denna energi. I annat fall blir materialet genomskinligt för strålning
av denna våglängd.
/KS 2000-02-26

Svar:
Att gräset är grönt beror på att klorofyll inte absorberar det gröna ljuset. Det är ljus av andra våglängder som absorberas. Figuren nedan från Wikimedia Commons visar absorptionen för två olika sortes klorofyll. Som synes är det medelvåglängder som inte absorberas, och dessa uppfattar ögat som grönt. Se vidare Klorofyll och Chlorophyll.

Man kan använda detta faktum att växterna alltså bara kan tillgodogöra sig två våglängder (rött och blått) genom att använda speciellt avstämda lysdioder som belysning, se länk 1. Man spar alltså en massa energi genom att bara belysa med de våglängder växterna kan tillgodogöra sig, jämfört med att använda en vanlig glödlampa som till en stor del strålar i våglängder växterna inte han någon nytta av.

Här är en video från Lunds universitet om växternas färseende och användning av lysdioder i växthus:



Länk 2 är från ett företag som tillhandahåller LED-belysning för växthus.

/fa2010_2

/Peter E 2002-10-25

Svar:
Transparens (genomskinlighet) är en materialegenskap som innebär att ljus släpps igenom, och att detaljer bakom det transparenta materialet kan urskiljas klart, till skillnad från translucens (genomlysande) där bakomvarande detaljer är suddiga. Vanligt fönsterglas, vatten och bergkristall är transparenta för synligt ljus. Färgade genomskinliga ämnen är absorberande för vissa färger i det synliga spektrumet.

Transparenta och genomlysande material absorberar inte ljusenergin. Det beror på att ljusets fotoner inte har rätt energi för att göra excitationer i materialets molekyler eller kristallgitter. För synligt ljus är det elektronernas excitationer som är relevanta, medan infraröd strålning kan absorberas av atomernas rörelser. (Transparens_(optik))

Färgen hos en kristall bestäms inte av kristallstrukturen utan av förekomsten av tillstånd som kan absorbera ljus med en viss våglängd. För synligt ljus med våglängder 750 - 400 nm är fotonenergin 1.65 - 3.1 eV (se länk 1).

Både kol (diamant) och kisel har fyra kovalenta bindningar. Normalt befinner sig elektronerna i valensbandet, se nedanstående figur från Band_gapList_of_band_gaps.

En perfekt, ren diamant är helt genomskinlig. Kisel är grått med en metallisk lyster. Hur kan vi förstå detta?

För att kristallen skall bli färgad måste synligt ljus kunna växelverka med elektroner. Dessa måste lyftas från valensbandet till ledningsbandet där de är fria att röra sig över hela kristallen. För detta måste de passera det förbjudna området - bandgapet.

Kols fyra kovalenta bindningar är mycket starka medan kisels är betydligt svagare. Detta reflekteras i att bandgapet för diamant är 5.5 eV och för kisel 1.11 eV (länken band_gap ovan). Maximala energin för synligt ljus är 3.1 eV (se ovan), vilket betyder att synligt ljus inte kan växelverka med diamant. En ren diamant är alltså genomskinlig och ser färglös ut.

En anledning till att kolbindningarna är mycket starkare (kol bildar mycket stabila kedjor medan kiselkedjor är ganska instabila) är att kolatomen är mycket mindre än kiselatomen vilket gör kovalenta bindningar i kol kortare och därmed starkare.

En annan skillnad mellan kol och kisel är att diamant är en isolator (inga fria elektroner som kan transportera ström) medan kisel är en halvledare med elektroner som lätt kan exciteras till ledningsbandet vid rumstemperatur.

Med det låga värdet på bandgapet i kisel kan en kiselkristall absorbera alla våglängder, så kisel ser gråaktigt ut. Eftersom det även finns en del elektroner i ledningsbandet (metaller har många elektroner i ledningsbandet) är det inte förvånande att kisel har en metallisk lyster.

Om en diamant innehåller föroreningar (andra ämnen än kol) eller om kristallstrukturen inte är perfekt tillkommer mindre bandgap vilka kan exciteras med synligt ljus. Dessa diamanter blir därför färgade.

Se vidare Diamond_color, DiamantFärg och Silicon.

/Peter E 2016-11-11

Svar:
Kisel (se Kisel) är ett halvmetalliskt grundämne som liknar kol. Bilden nedan är en bit kristallinskt kisel. Den är som synes ogenomskinlig och metallisk. Den metalliska lystern kommer av att det finns en del fria elektroner i kristallen.

Kvarts Kvarts består huvudsakligen av kiseldioxid, SiO₂. Kvarts finns i ett otal varianter, men i sin rena form är det kristallinskt och genomskinligt. Om kristallerna är små är det mjölkaktigt ogenomskinligt eftersom ljuset reklekteras i alla riktningar av de små kristallerna. Färgade varianter av kvarts innehåller någon förorening eller kan ha påverkats av joniserande strålning.

Glas består till en stor del av kvarts. Till skillnad från kvarts är glas amorft, dvs icke kristallinskt. Det är detta som gör att glas i ren form är genomskinligt. Energin för synligt ljus räcker inte till för att excitera molekylerna och det finns inga plana kristallytor som kan reflektera ljuset.

Se vidare GlassOptical_properties, fråga [170] och [20393].

/Peter E 2017-02-21