Explicar las leyes de reflexión a nivel atómico.

De acuerdo con la electrodinámica cuántica (QED) , se puede pensar que la luz recorre todos los caminos. Sin embargo, los únicos caminos que no experimentan interferencia destructiva son aquellos en la vecindad de caminos con acción (tiempo) estacionaria (por ejemplo, mínima), que, en su caso, es el camino de "ángulos iguales".

Recomiendo encarecidamente leer QED: The Strange Theory of Light and Matter de Feynman . En el enlace también encontrará un enlace al video.

Entonces, con QED en la mano, antropomórficamente, los fotones no necesitan saber a dónde ir, porque van a todas partes. :)

Cuando la luz incide sobre un material perfectamente reflectante, cada átomo en el espejo absorberá y reemitirá fotones, pero dado que el átomo es una partícula puntual, reemitirá en todas las direcciones, como una fuente puntual coherente. La ley de los ángulos iguales en la reflexión especular es consecuencia del hecho de que la fase de la radiación reemitida está estrechamente ligada a la fase local del haz entrante . El ángulo de incidencia determina la variación espacial de esta fase y, por tanto, de las fases relativas de cada fuente esférica, que a su vez determinan la dirección en la que interferirán constructivamente.

Esencialmente, los átomos actúan como una matriz en fase como la de este applet ; agregar más fuentes mejora la colimación del haz saliente. Esto produce dos haces, uno de los cuales se refleja y otro que interfiere destructivamente con la onda entrante.

Recientemente escribí una publicación de blog sobre el tema, cómo se reflejan los espejos en el nivel atómico, basado en esta publicación . La mayor parte de su pregunta ya ha sido abordada por la publicación Physics.SE que vinculé. De todos modos, aquí va...

En la electrodinámica clásica, los fenómenos se pueden explicar cuando se piensa que la luz está hecha de campos eléctricos oscilantes. La luz entra, hace oscilar los dipolos atómicos (polarización) en el vidrio (al ser aislante, tiene dipolos) lo que a su vez hace que los dipolos emitan una radiación electromagnética que ha experimentado de la misma frecuencia pero con algún desfase ($\pi/2$) en relación con la onda entrante, que hace que se retrase. Cabe señalar que las ondas electromagnéticas son emitidas por los dipolos en todas partes (no solo en la dirección de la onda entrante). Es solo que los otros caminos tomados por la luz interfieren destructivamente y se anulan entre sí. La radiación directa va junto con la onda y lo que se refleja hacia atrás es lo que ves como el 4% de luz reflejada (del vidrio).

Cuando la onda golpea la interfaz metal-vidrio (recuerde, la reflexión ocurre siempre que hay una falta de coincidencia del índice de refracción ), los átomos se sacuden de un lado a otro. Pero, esta vez la onda electromagnética se desplaza a una fase de$\pi$(debido a la conductividad de los metales) que hace que la radiación directa interfiera destructivamente y, por lo tanto, la luz no pasa a través de los metales. Ahora, la radiación hacia atrás pasa a través del vidrio, recibe algunas ondas asociadas y así es como ves tu cara en el espejo.

Ahora, todo lo que he explicado hasta ahora puede ser intuitivo y también puede satisfacerte, porque es una visión clásica, que es concebible. Mala suerte..!!! Eso no explica todo. No se puede hablar sobre el camino de un solo fotón o lo que hace un solo electrón en un átomo. Es una confusión, una superposición de todas las probabilidades. Todo con lo que puedes jugar son las posibilidades de que, cómo es probable que se reflejen las cosas, etc. Además, como dice @Igor , es un fenómeno colectivo. Un fotón puede hacer lo que quiera. Puede interactuar con todos los átomos a la vez, cualquier cosa. Entonces, @aufkag tiene toda la razón. Y esto es lo que pasa. La luz toma el camino más corto (camino con tiempo mínimo) para llegar al detector. En el plano euclidiano 2D, quegeodésica es una línea recta.

Puede hacer una pregunta, "¿por qué no cambia la frecuencia?" Los paquetes discretos de energía de la luz (fotones) se absorben como un todo o simplemente se transmiten sin ser perturbados . Sólo la intensidad se ve afectada. Si fuera de otra manera (si la frecuencia cambiara), cuando haces experimentos en vidrio, podrías notar fácilmente que el color de la luz debería haber cambiado (el azul se volverá rojo y finalmente desaparecerá de nuestra vista, ya que entra en IR y región radial). Pero, eso no sucede.

La suma de caminos aportados por todas esas flechas (que se construyen por el tiempo empleado) constituyen para producir el camino tomado por la luz. No me gusta resumirlo aquí. Pero, recomiendo encarecidamente ver las conferencias QED de Feynman (especialmente el segundo video, donde explica sobre los ataques de reflexión).

Hay algunas maneras de abordar esto. La luz visible es de aproximadamente 500 nm, mientras que los diámetros atómicos típicos son del orden de 0,5 nm para ser generosos ( la cita para el carbono es 0,2 nm ). Entonces, desde este punto de vista, las propiedades rugosas de la superficie no se pueden resolver. Sin embargo, cada átomo individual absorberá y volverá a irradiar dependiendo de los electrones que lo rodean, y los niveles de energía que ocupan los electrones dependen en gran medida del material (su estructura de banda ). Por ejemplo, el vidrio deja pasar mucha luz visible porque no hay niveles de energía disponibles para que entren los electrones cuando absorben la luz visible, pero puede bloquear la luz ultravioleta porque esos niveles de energía están disponibles.

Además, a medida que llegamos a los rayos X, la longitud de onda es lo suficientemente corta como para que se puedan resolver los átomos individuales. Debido a que los fotones de los átomos vecinos están significativamente desfasados, interfieren y, en lugar de un bonito reflejo especular como el de un espejo, se obtienen fuertes mínimos y máximos de difracción. Esta es la base de la cristalografía de rayos X.