Recuerdo haber aprendido la siguiente historia familiar en la clase de química de la escuela secundaria:
"un átomo consta de un núcleo de protones y neutrones, y una colección de electrones que orbitan alrededor del núcleo en niveles discretos. Cuando un electrón cae del nivel n al nivel n-1, se crea un fotón".
Posteriormente aprendí algo de física más avanzada y ahora estoy aprendiendo la teoría cuántica básica de campos.
Mi pregunta: ¿cómo enmendaría uno la historia que aprendí en la escuela secundaria, dado el conocimiento de la teoría cuántica básica de campos?
La razón por la que hago esta pregunta es porque mi libro de texto de teoría cuántica de campos me está enseñando cómo calcular secciones transversales de dispersión, tasas de descomposición, etc. Sin embargo, no me queda nada claro qué tiene que ver esto con la afirmación de que se emite un fotón cuando un electrón baja un nivel.
La historia de la teoría cuántica de campos (QFT) trata partículas como electrones, protones o fotones de manera muy diferente a la mecánica cuántica (QM) y la mecánica clásica (CM).
Todos sabemos que con CM no podemos explicar el comportamiento de un átomo porque, según la teoría de Maxwell, las partículas que se aceleran deberían radiar su energía y para un átomo esto significa que los electrones deberían caer en el núcleo radiando energía.
QM dice que los electrones tienen órbitas estacionarias definidas y logra explicar fenómenos como la radiación del cuerpo negro. Pero QM también falla cuando las partículas tienen una velocidad comparable a la velocidad de la luz.
Ahora nace QFT, que es un matrimonio de QM y la Teoría Especial de la Relatividad. QFT trata a las partículas como estados excitados de un campo y la interacción entre partículas se estudia mediante la interacción entre campos. El modelo estándar es un resultado de QFT. Si queremos estudiar la interacción entre dos electrones, decimos que un electrón aplica fuerza sobre otro en virtud de fotones. QFT también dice que en el vacío un fotón puede crear un par electrón-positrón y un par electrón-positrón puede aniquilarse para producir un fotón. Por supuesto, el principio de conservación de la energía y el principio de conservación del impulso deben respetarse en cualquier tipo de proceso.
Para explicar el fenómeno de la emisión o absorción de fotones cuando los electrones cambian sus órbitas, la imagen de QM funciona bastante bien porque los electrones nunca alcanzan la velocidad de la luz a menos que se pongan en un acelerador. Al explicar el fenómeno por QFT, podemos describir el electrón por un estado excitado del campo 1 (Campo de Dirac) y, de manera similar, el fotón por el estado excitado del campo 2 (Campo de Maxwell). Ahora, si se absorbe el fotón, entonces el campo 2 llega a sus estados fundamentales y el campo 1 se mueve al estado excitado superior. Las matemáticas de este proceso no son muy fáciles y además son muy largas. Si desea ver las matemáticas, le recomiendo encarecidamente el capítulo 8 para Dirac Field, el capítulo 9 para Maxwell Field del libro Ashok Das-Lectures on QFT. Para conocer la interacción de estos dos campos, puede consultar el capítulo 5 del libro Peskin, Schroeder: Introducción a QFT.
johndecker
Henrikas
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