¿Es la reflexión y la refracción lo mismo, el rebote de la luz?

Este es uno de los lugares donde el dualismo onda-partícula mete en problemas a algunas personas. A muchos se les enseña que significa que la luz puede ser una onda y una partícula, y que la fraseología puede generar cierta confusión. Me resulta más intuitivo arrancarme la curita rápidamente y decir que la luz no es ni una onda ni una partícula. Es algo que, en algunas situaciones, puede modelarse bien como una onda, y en algunas situaciones puede modelarse bien como una partícula, pero es algo propio (que puede modelarse bien en todos los casos conocidos usando un concepto más complicado , una "función de onda").

Puede pensar en fotones que se reflejan o transmiten aleatoriamente en el límite, pero la verdad es que el modelo de fotones de bola de billar realmente no es muy efectivo para describir lo que sucede en este límite. Esta es una de las regiones donde la mecánica ondulatoria modela muy bien los efectos, mientras que los modelos de partículas no lo hacen tan bien. Si usa la mecánica ondulatoria, la idea de que una onda se refleje parcialmente y se transmita parcialmente no es difícil de creer en absoluto. De hecho, es bastante fácil de probar.

Pensar en términos de onda en estos límites también da respuestas correctas en situaciones peculiares en las que el modelo de partículas simplemente cae de bruces. Considere el caso interesante de una "onda evanescente".

En esta configuración, el láser y el prisma se configuran en los ángulos correctos para causar una "reflexión interna total". Esto significa que, según los modelos simples, el 100 % de la luz debería rebotar en el lateral del prisma y entrar en el detector. De hecho, si el prisma está al aire libre, vemos un reflejo del 100 % (bueno, dentro de las barras de error de absorción). Sin embargo, acerca un objeto al prisma (pero sin tocarlo) y las cosas cambian. ¡Terminas viendo los efectos del objeto, aunque se suponía que el 100% de la luz se reflejaría!

Si piensas en la luz como fotones, esto es difícil de explicar. Si lo mira como una onda gobernada por las ecuaciones de Maxwell, verá que violaría la ley de conservación de la energía si hubiera un reflejo "puro". En cambio, crea un reflejo y una "onda evanescente" que está fuera del prisma, y ​​su fuerza cae exponencialmente, ¡lo cual es realmente difícil de explicar con partículas!

Por supuesto, estas también son todas simplificaciones. La verdadera respuesta a su pregunta es que la función de onda de la luz interactúa con los campos electromagnéticos de los átomos en el prisma, y ​​el resultado de esa interacción conduce a la reflexión, refracción, difusión, absorción y ondas evanescentes. Sin embargo, naturalmente, esas ecuaciones son un poco más difíciles de entender, por lo que usamos los modelos más antiguos y simples anteriores a la mecánica cuántica. Solo tenemos que asegurarnos de usar el que sea más aplicable en cualquier situación dada, porque ninguno de ellos es del todo correcto.

lo que determina si un rayo de luz se refleja o se refracta.

Al pasar de un medio a otro, hay tres posibles acciones de los fotones:

1. El haz se refleja. El fotón tiene impulso y una parte de este impulso pasa al medio y el fotón reemitido (reflejado) tiene menos contenido de energía y su longitud de onda se desplaza hacia el rojo.
2. El haz entra en un medio más denso y los fotones se mueven con menos la velocidad de la luz por el vacío a través de este medio. Por esto, el fotón se dobla (refracta).
3. El haz entra en un medio menos denso y el fotón se mueve con mayor velocidad que en el medio más denso. por esto, el fotón se refracta en la dirección opuesta al caso 2.

Por lo general, los casos 1 y 2, así como el 1 y el 3, tienen lugar comúnmente.

Algunos hechos teóricos

Cualquier rayo de luz consiste en fotones (esto se ve fácilmente si uno investiga sobre la producción de luz, que ocurre siempre a partir de partículas subatómicas excitadas).

Los fotones son cuantos indivisibles y no pueden dividirse durante su vida entre emisión y absorción.

Para los fotones reflejados, los ángulos de entrada y salida son idénticos. Esto se usa en telescopios reflectores que no tienen ninguna aberración cromática .

Para fotones refractados, como en este prisma , el ángulo de refracción depende de sus longitudes de onda:

Pero las longitudes de onda de los fotones permanecen iguales y los fotones no se dividen en un fotón refractado y un fotón reflejado.

tus suposiciones

Así que tu primera conjetura

¿Qué pasa con cada fotón individual? ¿El fotón se divide en dos y una mitad se refleja mientras que la otra se refracta?

no es correcto.

¿Algunos fotones se reflejan y otros se refractan, y si es así, qué determina qué le sucede a qué fotón?

Quizás sepas que los fotones tienen una componente de campo eléctrico y una componente de campo magnético, tanto perpendiculares a la dirección de propagación como entre sí. Me centraré en el componente del campo eléctrico, pero todo lo que se dice ahora también es correcto para el componente del campo magnético. La dirección del campo eléctrico de los fotones de una fuente térmica (bombilla, fuego,...) se distribuye aleatoriamente alrededor de 360°.

Dependiendo del ángulo en el que se dirige el haz hacia el prisma, pasa más (o menos) luz a través del prisma y se refleja menos (o más) luz. Se encontró que los dos haces están polarizados. Es decir, el campo eléctrico de los fotones tiene una dirección preferencial.

polarización de la luz

¿Qué sucede con los fotones? Usando luz polarizada verás lo que sucede. Gire la dirección de polarización y verá que en un momento la luz se refleja cada vez más y 90° más tarde pasa más a través del prisma. Entonces la dirección del campo eléctrico del fotón determina el comportamiento de la interacción con el prisma.

Usted pregunta cómo un fotón individual "decide" reflejarse. (Estas son las palabras de Feynman, página 24 de QED.) Feynman dice que no sabemos. Newton también especuló sobre esta misma pregunta en 1704, ¡así que puedes ver que se ha avanzado muy poco!

RF supone que la pregunta no tiene sentido, pero no da más detalles. Todo lo que dice es que estamos atascados con el cálculo de probabilidades. ¡Eso es todo! (ver página 18-24 de QED para esta discusión)

Esa no es una respuesta muy satisfactoria, al menos para mí. Lo que te queda es ciencia no determinista, calculando probabilidades como un corredor de apuestas en una pista de carreras. Bueno, no tan malo, ya que conocemos las probabilidades exactas. Pero probabilidades de todos modos.

Cosas espeluznantes, en el fondo.

1) Esto es incorrecto. Los fotones no se pueden dividir, la energía se cuantifica.

2) Esto es un poco más correcto. No es del todo correcto, pero pensar de esta manera dará resultados que tengan un poco más de sentido. Una imagen más completa es la siguiente. Cuando un solo fotón incide sobre el límite, entra en una superposición cuántica de haberse refractado y reflejado. Es entonces cuando realiza una medición de en qué dirección va el fotón, R% de las veces lo verá reflejarse y T% de las veces lo verá transmitirse al medio y refractarse. Se podría decir que el fotón está en una superposición y el sistema de medición colapsa en el estado del fotón reflejado o en el estado del fotón refractado. Cuando realiza el experimento con 10 ^ 16 fotones, parece que el T% de ese haz va en una dirección y el R% va en la otra. Voy a señalar que no hay problemas con la energía aquí.

3) Esta pregunta está por todas partes. Estás preguntando acerca de una imagen microscópica de reflexión y refracción. Respuesta de la física clásica: el campo electromagnético impulsa dipolos eléctricos en el material. Estos dipolos modifican el campo incidente y también irradian sus propios campos. Sin embargo, dado que los dipolos en diferentes lugares son impulsados ​​por el mismo campo eléctrico, su oscilación es coherente. Esto significa que la emisión de un dipolo desde la parte superior del haz (mirando tu imagen) puede interferir coherentemente con la emisión de un dipolo desde la parte inferior del haz. Esta interferencia es constructiva para dos situaciones. 1) un haz reflejado 2) un haz refractado. Pregunta: ¿por qué el rayo no se refleja en un ángulo diferente? Respuesta: la interferencia del campo electromagnético de los dipolos y el campo incidente en esos puntos del espacio es destructiva.

Respuesta de la física cuántica: los átomos en el material absorben los fotones, pero dado que son impulsados ​​por un campo eléctrico, se someten coherentemente a una emisión estimulada de modo que su patrón de emisión (una superposición de fotones que van en muchas direcciones diferentes) puede sufrir una interferencia espacial coherente. Resultando en una interferencia destructiva para todos los casos excepto el fotón que se refleja o se refracta.