¿Cuál es la interacción específica fotón-partícula por la cual se transfiere la cantidad de movimiento en la presión de radiación?

Prefacio actualizado (en respuesta a los comentarios).

Según el título, esta pregunta se centra en comprender "la interacción específica entre partículas y fotones mediante la cual se transfiere el impulso en la presión de radiación".

En la pregunta original incluí un prefacio que daba un ejemplo de lo que quería decir con "presión de radiación": velas solares. Eso fue sólo para un ejemplo. La pregunta no es sobre velas solares, y no sobre la teoría clásica de cómo calcular la presión de radiación. Las "velas solares" se mencionan solo como orientación y evidencia de que hay un fenómeno macroscópico real involucrado que no tiene una descripción obvia a nivel detallado de la interacción fotón-partícula específica. Mis disculpas si esa mención ha sido engañosa.

La información que busco es una descripción de lo que sucede a nivel de interacción fotón-partícula específica para generar presión de radiación.

Lo que sigue es la publicación original, textualmente:

En esta pregunta, "presión de radiación" significa el término que se usa para describir el comportamiento de las velas ligeras. "interacción específica fotón-partícula" significa exactamente con qué partículas interactúan los fotones para impartir impulso al objeto impactado. Existen fórmulas para calcular la presión de radiación, sin embargo, no describen la interacción fotón-partícula que produce la presión. Existen interacciones fotón-electrón de reflexión y refracción, sin embargo, estas son 100% elásticas, lo que significa que no se pierde ni se gana energía, por lo que es difícil ver cómo podrían transferir la energía del impulso aumentado al objeto impactado.

Una conjetura es que los fotones impactan los quarks en los hadrones del objeto impactado. Sin embargo, no he visto ningún documento obvio (es decir, a través de Google) que describa esto.

Entonces, la pregunta: ¿cuál es la interacción específica fotón-partícula por la cual se transfiere el impulso en la presión de radiación, y cuáles son los enlaces a los artículos que describen esto?

Espera, ¿por qué la reflexión y la refracción son "interacciones fotón-electrón"? Esos son fenómenos macroscópicos. Además, las colisiones elásticas transfieren impulso todo el tiempo. Si una bola de billar en movimiento choca con otra estacionaria de igual masa, la primera bola transfiere todo su impulso a la segunda. En cualquier caso, es posible que desee comenzar preguntando cuáles son las interacciones responsables de la reflexión y la refracción.
Los fotones y las partículas son tanto la forma difícil como la menos útil de pensar en esta pregunta. En serio. Trátelo en electrodinámica clásica y termine con eso.
La pregunta tiene como objetivo comprender las posibles interacciones fotón/quark que involucran fotones de energía relativamente baja. La presión de radiación como fenómeno es una forma potencial de llegar al conocimiento de ese tipo de interacción, ya que ese conocimiento parece no ser fácil de encontrar de otra manera.
Lo que la teoría clásica te dice es que la interacción está dominada (en muchos órdenes de magnitud) por los electrones y luego la relación de fuerza entre el EM y la interacción fuerte te dice que la interacción entre la onda y el núcleo está dominada por una interacción coherente. con todo el núcleo (y el remanente está dominado por la interacción con nucleones individuales). Los quarks simplemente no entran en el problema. Lo que usted propone es como tratar de comprender la economía de una gran nación examinando las transacciones del puesto de limonada de un niño.
@dmckee La teoría clásica es un conjunto de metáforas del lenguaje que abstraen un conjunto de fórmulas matemáticas que brindan predicciones relativamente precisas y omiten detalles como la forma precisa en que el impulso del fotón se transfiere a la sopa de quarks/gluones con masa en los hadrones en para que se muevan. Estoy empezando a concluir que la respuesta "aún no está cubierta por la ciencia aceptada actual". La fisión puede haber parecido inimaginable en 1880; en 1945 habían descubierto qué hacer con los limones.
El OP debería reformular la pregunta, ya que se hace evidente que no está interesado en absoluto en la pregunta que realmente planteó sobre la mecánica macroscópica de las velas solares y la transferencia de impulso, sino únicamente en la física nuclear subyacente, los fermiones y la coherencia cuántica.
@Thisiswhatyoudo Mis disculpas por cualquier dificultad que esto haya creado. Sin embargo, la afirmación "la pregunta que realmente planteó sobre la mecánica macroscópica de las velas solares" no es exacta. La pregunta tanto en el título como en la conclusión de la publicación se refieren claramente a la "interacción específica de partículas y fotones", y la palabra "interacción" se usa varias veces en el prefacio. Elegí agregar el prefacio para evitar que se refiera a la teoría pura, que como habrás encontrado, no parece tener una respuesta a la pregunta. Sin embargo, editaré la pregunta.
La respuesta obvia a su pregunta, ¿cómo se transfiere el momento por un fotón contra una superficie elástica, es preguntar qué le sucede a esa elasticidad cuando la colisión está dentro de un rango resonante y la partícula es absorbida?
@Steve: Desafortunadamente, ni la pregunta adicional ni su posible respuesta son obvias para mí. Tal vez podrías explicarlos con más detalle.
@wayfarer, tal vez en la revisión no entendí bien su pregunta: pareció aceptar la reflexión y la refracción y señaló que estos son elásticos y que el impulso se gana por absorción (es decir, superando cualquier resistencia elástica). Pero creo que está preguntando más específicamente cómo funciona esa absorción internamente dentro del átomo de alguna manera más profunda, que tendré que dejar para otros.

Respuestas (1)

Un fotón individual transporta energía. h v y el impulso h v / C . Cuando un fotón es absorbido por un material, la energía y el momento se transfieren al absorbedor. Si un fotón es emitido posteriormente por cualquier proceso, entonces el fotón emitido se lleva la energía y el momento.

Si consideramos los fotones en un haz dirigido a un espejo plano perfecto a lo largo de su vector normal, entonces en el marco del espejo cada fotón contribuye con 2 h v / C en impulso al espejo donde v es la frecuencia del fotón medida en el marco del espejo. Esto hace que el espejo se acelere.

En el marco de reposo inicial del espejo, la frecuencia de los fotones incidentes sigue siendo la misma, pero el haz reflejado se desplaza cada vez más hacia el rojo debido a la reflexión del espejo que se aleja. De esta forma, los fotones transfieren tanto energía como momento al espejo. Esquemáticamente, así es como podría funcionar una vela solar.

Ninguna de las discusiones anteriores dependía de la naturaleza de los procesos de absorción o emisión. Como ya han indicado los comentaristas, la sección transversal de interacción de los fotones con los electrones es mucho mayor que la de su interacción con los hadrones. En la práctica, los hadrones no hacen una contribución importante a la absorción o emisión de fotones.

"cada fotón contribuye con 2 hν/c de momento al espejo". Sin embargo, a nivel de partículas no hay un "espejo", solo hay una colección de partículas. "la sección transversal de interacción de los fotones con los electrones es mucho mayor que la de su interacción con los hadrones". Y, sin embargo, los hadrones tienen la mayor parte de la masa, a la que se debe aplicar el impulso. ¿Se transfiere el impulso a los electrones y luego a los hadrones? Estoy tratando de ver esto en términos de una interacción específica entre partículas y fotones. Tal interacción DEBE ocurrir; la pregunta es, ¿exactamente cómo?
Los fotones primero transfieren el impulso a los electrones. Luego, los electrones transfieren impulso a los núcleos a través de la fuerza de Coulomb (las cargas positivas son arrastradas por las cargas negativas).
que inició una búsqueda que condujo a esto: vol. 25, nº 17 | 21 de agosto de 2017 | OPTICS EXPRESS 20803 que contiene esta cita: "Mientras que en el campo de la mecánica cuántica teórica hay varios debates sobre el comportamiento del momento de la luz en el borde de la interacción luz-materia [39–41], los otros campos de la ciencia y la tecnología brindan consistentemente evidencias de apoyo sobre los principios de aplicación y utilización de algunos de sus efectos". es decir. mediciones precisas, pero la explicación precisa aún se está debatiendo. Todavía parece inestable.
Hay un enlace accesible al texto completo de ese artículo aquí: osapublishing.org/DirectPDFAccess/…
Este documento de 2004 entra en intrincados detalles sobre cómo calcular la transferencia del momento del fotón a varios materiales y, sin embargo, dice poco o nada sobre la interacción fotón-partícula. Esto tiende a reforzar mi sospecha de que no existe una ciencia ampliamente publicada sobre ese tema específico. osapublishing.org/oe/…
@wayfarer El artículo de 2004 al que ha hecho referencia analiza detalladamente cómo las leyes clásicas de la electrodinámica permiten comprender la presión de radiación como una interacción entre el campo eléctrico de la luz y los electrones de conducción del material objetivo. Cuando uno quiere considerar la interacción de fotones individuales con el material, entonces es necesaria una descripción mecánica cuántica, pero se reduce al resultado clásico cuando se trata de una gran colección de fotones. Nuevamente, la interacción es con los electrones, y no hay ningún misterio sin resolver que involucre a los hadrones.
Esto nuevamente es cálculo versus explicación. El cálculo no es el foco. Para repetir, es precisamente una explicación de la "interacción específica de los fotones individuales con el material" que es el foco de mi pregunta. Si no hay misterio, entonces debería haber una explicación directa usando algo así como diagramas tipo Feynman. Existe un interés significativo en los cálculos por razones industriales. Una explicación detallada de la interacción fotón-partícula debería ayudar a justificar y mejorar tales cálculos. Si existiera tal explicación, ¿por qué no se cita comúnmente?
La razón por la cual la descripción mecánica cuántica de la interacción de fotones individuales con los electrones de un material objetivo no se discute comúnmente en aplicaciones industriales es porque no es útil. Para fines industriales, nunca se trata de fotones individuales, se trata de las propiedades macroscópicas de la luz, y su interacción con los electrones puede describirse perfectamente mediante la electrodinámica clásica.
Si desea la descripción de la mecánica cuántica, probablemente necesite comenzar con un libro de texto sobre electrodinámica cuántica. Usted pregunta sobre los diagramas de Feynman y proporcionan un componente de la respuesta, pero de hecho los fotones interactúan en cierto sentido con todos los electrones en el material a la vez, y el resultado final se calcula a través de una integral de trayectoria. Nuevamente, esto es excesivo si solo está tratando de entender cómo funciona algo como una vela solar. Consulte también la respuesta más votada a esta pregunta: physics.stackexchange.com/questions/1909/…
Vuelva a leer la pregunta original y la actualización: no estoy tratando de entender cómo funcionan las velas solares. Estoy tratando de entender cómo los fotones transfieren el impulso a las partículas. La publicación que citó es interesante, sin embargo, el comentario de Chad Orzel allí dice: "La cuestión de cuál es el momento del fotón dentro de un material con un índice de refracción n es complicada y sutil". lo que indica que la pregunta sigue abierta. Aprecio que la pregunta pueda tener un enfoque limitado, sin embargo, no se responde haciendo referencia a un tema relacionado.
Posiblemente, parte de la razón por la que este hilo es difícil es porque aparentemente estoy preguntando sobre algo que posiblemente ni siquiera se pregunte muy a menudo. Así que tengo que usar referencias oblicuas para llegar a él: presión de radiación, velas solares, usos industriales, diagramas de Feynman, mecánica cuántica. Las personas responden a las respuestas sobre esas cosas y usan frases como "en cierto sentido". Sin embargo, esos temas no son el punto. El punto es que de alguna manera los fotones transfieren impulso a los hadrones. Ese ha sido el enfoque de la pregunta de la publicación original, y no ha sido respondida, ni siquiera metafóricamente.
¿Cuál es la interacción específica fotón-partícula por la cual se transfiere la cantidad de movimiento en la presión de radiación?
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