“Il primo della classe ignora il piacere che prova l’asino guardando fuori dalla finestra” (Robert Doisneau, 1986). Il sognatore potrebbe chiedersi perché vede la farfalla attraverso la finestra ma la perde di vista non appena passa dietro un muro. Per capirlo mettiamo in discussione concetti diversi dalla fisica.
Innanzitutto, cosa intendiamo per “trasparenza”? Ciò si riferisce al fatto che una finestra lascia passare la luce senza deviarla, a differenza della carta da lucido traslucida o delle pareti opache. Dai lavori di Einstein sappiamo che la luce è costituita da “pacchetti” di energia chiamati fotoni. Questa descrizione permette di caratterizzare i colori dell’arcobaleno che dipendono dall’energia del fotone: il rosso, ad un’estremità dello spettro, corrisponde ad un’energia inferiore al viola, all’altra estremità.
Oltre ai colori che vediamo possiamo definire, per le energie inferiori al rosso, la luce infrarossa così come le onde radio. Dall’altro lato dell’arcobaleno, oltre il viola, la luce è chiamata ultravioletta (UV). E questi diversi tipi di luce non interagiscono tutti allo stesso modo con la materia che ci circonda. Il vetro permette il passaggio dei fotoni visibili all’occhio umano ma blocca parzialmente i fotoni UV e infrarossi. Al contrario, le onde radio sono in grado di attraversare i muri, anche se sono opachi alla luce visibile.
Luce assorbita o trasmessa: una questione di energia!
Cominciamo ingrandendo una finestra composta principalmente da silice, cioè sabbia. Su scala nanometrica, il vetro è costituito da un denso insieme di atomi di silicio e ossigeno separati da poche frazioni di nanometri. In queste condizioni, come possono i fotoni uscire indenni dopo aver attraversato diversi millimetri di vetro?
Ingrandiamo ancora di più gli atomi. Questi hanno un nucleo circondato da una nuvola di elettroni: sono questi ultimi che occupano la maggior parte del volume dell’atomo. Per avere un’idea delle dimensioni, se l’atomo fosse grande quanto uno stadio da calcio, il suo nucleo avrebbe le dimensioni di un chicco d’uva al centro del campo. Grazie alla meccanica quantistica sappiamo che, in un materiale composto da atomi come il vetro, gli elettroni hanno un’energia che non è lasciata al caso: alcune quantità di energia sono consentite, altre sono vietate. Inoltre, alcuni elettroni legano insieme gli atomi come molle, consentendo loro di vibrare a frequenze specifiche.
Quando un fotone colpisce una finestra o un muro si presentano tre scenari. Se il fotone ha l’energia adeguata per elevare un elettrone del materiale incontrato ad una banda di energia più alta, il fotone viene poi “assorbito” e scompare. Questo vale per i fotoni visibili che incontrano un muro. Questo vale anche per i fotoni UV che tentano di passare attraverso una finestra, rendendo difficile l’abbronzatura.
Allo stesso modo, se l’energia del fotone corrisponde all’energia vibrazionale degli atomi del materiale incontrato, anche il fotone viene assorbito. Questo è il caso di alcuni fotoni infrarossi, che rendono impossibile l’uso di una termocamera attraverso una finestra.
Ma se l’energia del fotone non corrisponde né all’energia necessaria per spostare un elettrone ad un livello energetico superiore né a quella necessaria per interagire con le vibrazioni degli atomi, il fotone attraversa la materia senza essere assorbito. Questo è il caso dei fotoni visibili attraverso una finestra ma anche delle onde radio che attraverso un muro. Questo ci permette di ascoltare la musica suonata in uno stanza a distanza dalla nostra cucina.
Il know-how dei vetrai per contrastare la diffusione della luce
Ma allora, cosa distingue i granelli di sabbia dal vetro? Dopotutto, sono fatti degli stessi atomi. Tuttavia, è ovvio che non è possibile vedere attraverso un castello di sabbia, mentre è possibile vedere attraverso il vetro. La luce, infatti, può essere rappresentata anche come un’onda che si propaga e può cambiare direzione quando incontra un ostacolo. Quindi, anche se ogni goccia d’acqua è trasparente, non possiamo vedere attraverso una nuvola. Stiamo parlando della diffusione della luce.
Per ovviare a questo fenomeno, nel caso di una finestra, il know-how secolare dei vetrai consiste nel riscaldare la sabbia a più di 1.000°C in modo da sciogliere i minuscoli cristalli di quarzo che la compongono. Dopo un raffreddamento controllato, la sabbia si trasforma poi in un solido amorfo, un materiale solido ma disordinato, come un liquido ghiacciato. Ciò consente di ottenere un materiale uniforme su scala microscopica: la luce può quindi attraversarlo naturalmente senza disperdersi in tutte le direzioni. Controllando questa diffusione o deformando le facce della finestra, è addirittura possibile lasciar passare la luce senza essere completamente trasparente! È il caso dei vetri smerigliati delle finestre dei bagni.
