¿Espectroscopía de una onda de luz clásica o solo de un fotón?

En química, consideramos principalmente la luz/radiación electromagnética como un haz de partículas o fotones. Este es un modelo muy útil para explicar excitaciones e ionizaciones moleculares a partir de interacciones cuánticas. Sin embargo, me pregunto hasta dónde nos llevará el modelo de electromagnetismo de la luz como una perturbación que se propaga.

Mi amigo de la universidad que estudia física me asegura que las leyes de Maxwell se encuentran entre algunas de las más bellas de toda la física. Con este fin, estoy emocionado de encontrar áreas donde podamos compartir esta visión. Pero la mayor parte de mi título se centra en las interacciones luz-materia del modelo de fotones, por ejemplo, técnicas de dispersión.

En particular, imagine alguna técnica de espectroscopia,

  • Mi enfoque sería describir un modelo de dispersión de luz desde la colisión de fotones incidentes con electrones, intercambio de energía y promoción o relajación hasta un estado virtual y emisión de fotones.
  • La alternativa es un campo electromagnético que encuentra cargas estáticas y se superpone en un campo resultante.

No estoy familiarizado con este segundo enfoque y esperaba una pequeña introducción al modelo clásico aplicado a la espectroscopia de sólidos/moléculas, etc. Gracias por su tiempo.

Esta es una pregunta hermosa pero compleja. Hemos desarrollado "atajos" en nuestra descripción del mundo físico, donde a veces usamos ondas y otras partículas, simplemente porque complicaría las cosas (sin aumentar nuestra comprensión) tratar de expresar la dualidad completa en todos los escenarios. Eso no significa que no sea una buena pregunta, pero puede resultar difícil obtener una respuesta satisfactoria.
El problema con esto es que estarías describiendo cosas que no existen. Ni los fotones ni los electrones son bolas duras y la imagen de colisión es básicamente una aproximación clásica que no describe lo que realmente sucede. La otra pregunta es, para empezar, ¿por qué necesitamos más descripciones de fenómenos bien entendidos? ¿No estarías dedicando mejor tu tiempo a investigar algo que aún no se comprende al 100 %?
@CuriousOne, no creo que tu comentario tenga mucho que ver con la pregunta. La pregunta no insiste en que los fotones o los electrones sean bolas duras. La pregunta tampoco pregunta por lo que "realmente sucede". Para responder a su pregunta, necesitamos más descripciones de todos los fenómenos, porque aprender otro punto de vista entrena el cerebro y tener otro punto de vista a nuestra disposición aumenta nuestras posibilidades, tanto en aplicaciones como en desarrollo de la física. Afirmar que cualquier cosa en física se "entiende al 100%" es ridículo.
@RedPen, lo que estás preguntando es un gran tema de física, no es posible explicarlo aquí. Búsqueda del modelo de Lorentz-Drude, teoría clásica de la dispersión, teoría clásica de la absorción.
@JánLalinský: El OP parece, más o menos, estar pensando en estos fenómenos como procesos clásicos de dispersión de partículas u ondas. La respuesta a eso es "no son ninguno" y entrenar al cerebro para que se limite a dos visiones insuficientes de un fenómeno que ya está perfectamente explicado por un tercero, es un mal entrenamiento. Los procesos básicos en la espectroscopia atómica se entienden casi al 100% como nunca se puede entender en física. Ahora, invité al OP en mi comentario a pensar en cosas que no se entienden y agradecería sugerencias experimentales que invaliden QM, pero esa no es su propuesta.
@JánLalinský: Todos esos modelos son aproximaciones de la física que se han utilizado para predecir el momento magnético anómalo del electrón con 14 dígitos de precisión... simplemente no suena la música en estos días.
Gracias a ambos por sus sugerencias, acabo de escuchar acerca de la electrodinámica clásica, así que estoy muy emocionado de aprender cómo aplicarla a mi propio tema de moléculas y cristales. Aprecio que su uso sea limitado y no sea correcto en comparación con lo que está sugiriendo CuriousOne, pero siento que QED sería otro idioma para mí en este momento (¿si eso es lo que estaba sugiriendo?). Muchas gracias a los dos por vuestra ayuda, ¡realmente lo aprecio! :)
@CuriousOne, estás haciendo demasiadas suposiciones privadas y luego compartes tus conclusiones.
@JánLalinský: Solo puedo guiarme por las cosas que dice el OP. (S) él podría habernos contado sobre sus planes para describir la espectroscopia atómica utilizando la electrodinámica cuántica, pero no lo hizo, por lo que solo puedo discernir que todavía está pensando en términos clásicos, lo cual es completamente incorrecto pero aún se enseña. en clases para físicos y químicos por igual. Yo, por ejemplo, nunca escuché las palabras "integral de ruta de Feynman" pronunciadas en una sola clase de pregrado y tuve que aprender sobre estas cosas ESTÁNDAR yo mismo. Aquí, por supuesto, podemos obtener la información correcta del OP de inmediato.
El simple hecho de que un modelo no utilice ideas de la teoría cuántica de campos no lo invalida; sólo lo hace la inconsistencia interna o la contradicción con la experiencia. En mi experiencia, pensar en la espectroscopia en términos clásicos es muy valioso.
La imagen de onda de la dispersión a nivel atómico no se adapta muy bien a una "pequeña introducción". A escalas más grandes, la infraestructura de Huygens-Fresnel funciona bastante bien. Elige cualquier texto de física sobre óptica.
Cualquier trabajo en este sentido solo tocaría la interpretación de la mecánica cuántica. No contribuiría en absoluto a la teoría de los fenómenos físicos en sí. Si @RedPen pretende ser un filósofo de la ciencia en lugar de un científico, sería un paso en esa dirección.

Respuestas (1)

¿Cuánto de la física se puede explicar solo con la mecánica cuántica ?

El 99% de lo que se explica en PSE con QM es sobre los experimentos de doble rendija y la interacción de átomos, partículas subatómicas y elementales. Este último parte de las ecuaciones de los espectros de radiación EM (Balmer, ...) y radiación de cuerpo negro de Planck e infiere la distribución de electrones alrededor del núcleo.

donde estamos

Los experimentos de rendija muestran un patrón de distribución en la pantalla con una intensidad periódica descrita por una ecuación de onda. Todo lo demás es interpretación, porque no tenemos ningún instrumento para una medición directa que no afecte la ruta de propagación. Además, la onda esférica (principio de Huygens) detrás de un obstáculo no existe. La desviación de las partículas detrás de una sola rendija se anula a la izquierda y a la derecha de la rendija, mientras que en el caso de las ondas de agua se propaga a través de los 180° detrás de la rendija.

La premisa de Bor sobre las órbitas estaba equivocada y la aplicación de la distribución de líneas espectrales (especialmente o incluso exclusivamente del hidrógeno) a la estructura atómica no está de acuerdo con la tabla periódica de elementos. Todavía aplicamos las fórmulas de Balmer y Rydberg de las líneas de emisión de hidrógeno a la distribución de electrones para todos los elementos. Hay una periodicidad clara del comportamiento químico para 2, 8, 8, 18 y 18 elementos y QM necesita muchas reglas adicionales para estar de acuerdo con el PTE.

Algunas sugerencias .

El dipolo magnético del electrón juega la regla principal en la distribución de electrones en los átomos. El modelo cúbico del químico Gilbert N. Lewis para los períodos segundo y tercero y el principio de Paulis son un buen punto de partida. En cuatro aristas del cubo, los dipolos magnéticos están dirigidos hacia adentro (spin down) y en las otras aristas hacia afuera. Simetría perfecta.

El electrón no sólo está igualmente equipado con un campo magnético y uno eléctrico. Sin embargo, el campo eléctrico se elimina parcialmente a medida que se acerca al núcleo. Los fotones emitidos surgen de la energía del campo eléctrico del electrón y los protones correspondientes. La discreción de la emisión de fotones indica la posibilidad de que la emisión se detenga cerca del núcleo. Ya no hay un paquete de energía en el campo eléctrico del sistema electrón-protón suficiente para la emisión de fotones. Esto explicaría la estabilidad de los átomos.

Por último, pero no menos importante, el paso de partículas a través de rendijas para fotones y partículas subatómicas debe investigarse en diferentes materiales y con potencial eléctrico aplicado o un campo magnético. La observación de una interacción cuantificada entre los electrones de la superficie de la rendija y las partículas que pasan pondría fin a la agonizante discusión sobre el comportamiento espeluznante en los experimentos de inferencia. Por cierto, mientras que la interferencia ocurre en las ondas de agua, tal explicación para los fotones es insostenible hoy en día. La luz en el rango de baja intensidad no interactúa.

"porque no tenemos ningún instrumento para una medición directa que no afecte la ruta de propagación" La falta de instrumentos no es la razón. La razón es que cualquier configuración que distinga entre las dos rendijas directamente prohíbe la interferencia.
"La premisa de Bor sobre las órbitas estaba equivocada" El modelo de Bohr fue un paso crucial hacia la mecánica cuántica. Fue un enfoque pragmático. Esta es una visión retrospectiva 20/20.
¿Espectroscopía de una onda de luz clásica o solo de un fotón?
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