¿Cómo se relaciona la luz con los fotones? [duplicar]

Gran pregunta para hacer. La luz es una onda electromagnética, y piensa que la onda está formada por una gran cantidad de fotones.$N$(aunque técnicamente es un poco más complicado que eso). La onda tiene una frecuencia$f$. La energía de un solo fotón es$hf$, lo que podría llevarlo a creer que la energía total es$E_{tot}=Nhf$, pero de hecho es ligeramente diferente:

$E_{tot}=(N+1/2)hf$

El extra$(1/2)hf$a veces se le llama "energía de punto cero", y es interesante porque significa que incluso cuando tienes cero fotones, todavía hay algo de energía electromagnética allí.

Ahora, para responder a su pregunta: cada vez que agregamos un fotón, la energía total$E_{tot}$todavía aumenta en$hf$. Dado que no existe tal cosa como una fracción de un fotón, los posibles valores de$E_{tot}$están discretizados , lo que significa que solo son posibles valores discretos. Los saltos entre estos valores son sumas/restas de un fotón.

Déjame probar un enfoque ligeramente diferente.

¿Cómo sabemos que la luz es una onda electromagnética? Bueno, primero, ¿hay alguna razón para pensar que es una ola? Sí. Consulte las descripciones de los patrones de interferencia y la polarización. Estos fenómenos se comportan exactamente como si la luz fuera una onda. Entonces, ¿por qué es electromagnético? Esta conexión en realidad se produjo desde el otro extremo. James Clerk Maxwell produjo sus famosas ecuaciones y se dio cuenta de que, si conecta algunas constantes determinadas experimentalmente (permeabilidad relativa y susceptibilidad magnética), sus ecuaciones pueden producir una onda que se propaga con una velocidad exactamente igual a la de la luz. Esto, por supuesto, sugirió que la luz es una onda electromagnética, a menos que seas un gran creyente en la coincidencia.

Durante unos 40 años, las ecuaciones de Maxwell gobernaron . Entonces, esos molestos tipos experimentales comenzaron a notar que algunos aspectos de la luz simplemente no se comportan como debería hacerlo una onda. El efecto fotoeléctrico es un buen ejemplo. Varias personas se dieron cuenta de que algo andaba mal, y en 1905 un joven empleado de patentes llamado Einstein (¿te suena el nombre?) ganó el Premio Nobel por su artículo que concluía que, a una escala lo suficientemente pequeña, la luz también puede considerarse como partículas Notarás que su artículo sobre la Relatividad Especial, también publicado en 1905, no recibió el Nobel.

Entonces, ¿la luz es una onda o una partícula? La respuesta es un sí rotundo o un no estruendoso. Todo depende de cómo midas la luz. Si se transmite mucha energía, las ondas son la forma de describirla. Si está hablando de cantidades realmente pequeñas, los efectos de cuantización comienzan a aparecer y es mejor pensar en términos de partículas. Y, solo para jugar con tu mente, hay situaciones en las que, en efecto, ambas cosas son ciertas. El experimento clásico que se ocupa de esto es el experimento de la doble rendija y, con niveles de luz muy bajos, puede detectar fotones individuales, pero aparecen en diferentes lugares como si también fueran ondas. Si todo esto parece bastante raro, no te preocupes. La comunidad física en su conjunto luchó durante casi 50 años con la dualidad onda-partícula., y el problema empeora por el hecho de que, en algún nivel, parece aplicarse a casi todo. Ciertamente, puedes obtener patrones de interferencia de los electrones, y son partículas, ¿verdad?

Pero volvamos a los fotones. El proceso que mencionas, la emisión de electrones que cambian los niveles de energía, ocurre a escalas muy, muy pequeñas, y al observar este nivel, la descripción de la partícula es la más obvia y útil. Hay varias otras formas de producir luz (o al menos radiación EM) que no implican que los electrones cambien los niveles de energía. Estos incluyen, por ejemplo, la aniquilación de electrones/positrones y la fusión y fisión nuclear. Pero producir luz (o calor, radiación infrarroja) es común en nuestra experiencia, por lo que es una fuente útil a considerar. Si los electrones simplemente rebotan, obtienes longitudes de onda esencialmente aleatorias y esto se ve en la radiación de cuerpo negro. Pero si de alguna manera puede restringir la forma en que los electrones pueden ganar o perder energía, puede obtener luz en longitudes de onda muy específicas, como los láseres. Explicar la especificidad de estas longitudes de onda es básicamente imposible con la teoría ondulatoria clásica, pero bastante simple bajo la mecánica cuántica, que es el modelo dominante a niveles atómicos. Luego, por supuesto, si ha producido una gran cantidad de fotones, obtiene un haz de luz que bien puede describirse de manera útil (para el diseño de lentes, por ejemplo) como una onda electromagnética.

Lo que hay que tener en cuenta es un viejo dicho (bueno, no tan viejo) en la ciencia: todos los modelos son incorrectos, pero algunos son útiles.