Fotones y Absorción

A menudo es confuso pensar en un fotón como una partícula... un poco de algo . Este es uno de esos casos. Para muchos propósitos, uno imagina que un fotón es una excitación de un "modo" electromagnético. El modo es una distribución espacial que describe dónde ocurre la excitación: una función de onda. La excitación del modo (el fotón) existe en todas partes donde existe el modo. Un ejemplo simple de un modo es una onda estacionaria en una cavidad con paredes perfectamente conductoras. Pero se puede pensar que cualquier campo de ondas EM existe en uno o más modos.

Se podría pensar que el modo está vacío si no tiene excitaciones, es decir, no tiene fotones. Pero eso no es realmente cierto ya que la excitación del punto cero del modo garantiza que siempre haya algo en el modo, incluso si no se puede acceder directamente a ese algo . (El campo de punto cero hace sentir su existencia de otras maneras, como desencadenar una emisión espontánea).

Así que la onda EM... el modo... no desaparece. Incluso si el modo no contiene fotones, el modo existe junto con su campo de punto cero.

Pero la interacción con el átomo ocurre en un lugar particular: la ubicación del átomo. La moda pierde un cuanto de excitación y el átomo gana uno, y la interacción se parece mucho a una partícula que golpea al átomo y es absorbida. Desafortunadamente, esa imagen tentadora puede generar dificultades.

¿Qué pasa con la velocidad finita de la onda EM? La función de onda del fotón (o el campo EM) son simplemente las ecuaciones de Maxwell. Al igual que con una onda clásica, un cambio en el estado de amplitud/excitación se propaga a la velocidad de la luz. El análisis es algo diferente en QM, pero el resultado es el mismo.

En el nivel mecánico cuántico de la ecuación de Schrödinger, el átomo tiene niveles de energía que el electrón puede ocupar. Las transiciones de niveles de energía más altos a niveles más bajos dan como resultado la emisión de un fotón.

Uno puede desarrollar una intuición a partir de la versión más primitiva de cuantización, el átomo de Bohr, donde los postulados limitan al electrón a estar en un nivel de energía cuantizado. El átomo de Bohr se postuló porque en la teoría electromagnética clásica descrita por las ecuaciones de Maxwell, un electrón que orbita como un planeta alrededor de un protón emite radiación electromagnética continua hasta que cae sobre el protón. Esto no fue observado. En cambio, se observaron espectros de luz , mostrando que la luz venía fragmentada, en cuantos de energía. Junto con el efecto fotoeléctrico se postuló y encontró consistentemente la presencia de fotones, partículas de luz, con masa cero y energía =h*nu.

La onda electromagnética de frecuencia nu está formada por un enorme conjunto de tales fotones . Ha habido experimentos disparando fotones individuales en dos rendijas, donde el patrón de interferencia se construye un punto a la vez, mostrando la reacción de la partícula fotónica individual con la pantalla y la naturaleza de la onda colectiva.

Usted pregunta:

Esto me lleva a la confusión: si no desaparece instantáneamente, entonces el fotón todavía existe y no se absorbe.

Las ondas E&M (fotones) no están localizadas, entonces, ¿cómo pueden absorberse?

Así viene tu confusión porque le asignas al fotón la onda electromagnética completa. El único fotón absorbido por el átomo y elevando el electrón a un nivel de energía más alto es una pequeña parte de la onda electromagnética y puede comportarse como una partícula que transfiere su energía y momento en un tiempo delta(t) compatible con el ancho de la línea que lo absorbe Cuando se comporta como una onda en el nivel micro de los átomos, es una onda de probabilidad, como muestra el experimento de las dos rendijas. Tiene una probabilidad de mostrar la frecuencia de la onda clásica a la que pertenece, en su interacción con la materia en (x,y,z) específicos. El conjunto de fotones es una onda de energía en el espacio, construida por millones de fotones individuales.

Entonces, en el mismo sentido en que una bola de billar golpea a otra y transfiere su cantidad de movimiento/energía en un intervalo de tiempo delta(t), el fotón se comporta de la misma manera y transfiere su cantidad de movimiento/energía al átomo cuando es absorbido. No es el conjunto de fotones que componen la onda electromagnética que incide continuamente sobre la materia lo que desaparece. Solo una pequeña cantidad de él, localizada con un delta (t) y delta (x) delta (y) delta (z).