Frecuencia de la luz frente a la frecuencia de la vibración de los electrones

Probaré una explicación ondulada a mano que asume que te sientes cómodo con la idea de un campo electromagnético. Si no lo eres, házmelo saber y lo abordaré en una edición.

La luz son ondas de electromagnetismo. Cuando la gente habla de la velocidad de la luz, se refiere a la rapidez con que las ondas viajan por el espacio. La frecuencia de la luz es la velocidad a la que vibran las ondas.

La mayoría de las fuentes de luz producen ondas con una mezcla de frecuencias.

Puede pensar (muy vagamente) que la intensidad de la luz es la altura de la onda, por lo que cuanto más intensa es la luz, más pronunciada es la onda.

Los experimentos han demostrado que se necesita una cantidad mínima fija de energía para desencadenar una ondulación de una frecuencia determinada. Esa energía mínima viene dada por hf, donde h es un número diminuto conocido como la constante de Planck (llamada así por Max Planck) yf es la frecuencia de la ondulación.

Puede, de nuevo, pensar en un fotón como la onda más pequeña que puede hacer de una frecuencia dada. Si desea aumentar la intensidad de la onda, debe construirla en unidades de un fotón. Entonces, puedes pensar en un rayo de luz como el efecto acumulativo de miles de millones de pequeñas ondas que se suman para crear un efecto mayor.

Los fotones son emitidos (nuevamente de forma suelta) por partículas cargadas, en circunstancias en las que la partícula pierde energía que se transfiere a la onda de fotones. La frecuencia del fotón está dada por e/h, donde e es la energía extraída de la partícula cargada (y h es nuevamente la constante de Planck).

No es correcto pensar en la partícula cargada 'vibrando', por lo que no puedes pensar que la partícula tiene una frecuencia de vibración que está ligada a la frecuencia del fotón, aunque esa es una imagen tentadora y estaría en consonancia con las ideas clásicas. sobre campos eléctricos.

De hecho, una de las razones por las que los físicos se dieron cuenta de que había algo mal con el electromagnetismo clásico fue que imaginaban electrones orbitando en átomos como pequeños planetas, y el electromagnetismo clásico decía que los electrones crearían ondas mientras orbitaban. Eso significaría que los electrones estarían irradiando energía todo el tiempo, por lo que pronto disminuirían la velocidad y entrarían en espiral en el núcleo. Las primeras ideas de la teoría cuántica eran que los electrones solo podían existir en ciertas órbitas, en las que no creaban ondas, y que las ondas solo ocurrían cuando un electrón "saltaba" de una órbita a otra inferior. La energía desprendida por un solo salto era la mínima necesaria para iniciar una onda, o en otras palabras, para crear un fotón.

Los electrones y los fotones son entidades mecánicas cuánticas, que obedecen a ecuaciones mecánicas cuánticas.

Lo que estás describiendo con palabras es una descripción clásica de la luz que está controlada por ecuaciones electrodinámicas clásicas, ecuaciones de Maxwell.

Una partícula cargada acelerada produce una onda electromagnética (EM). Las ondas electromagnéticas son campos eléctricos y magnéticos que viajan a través del espacio vacío a la velocidad de la luz. c. Una partícula cargada que oscila alrededor de una posición de equilibrio es una partícula cargada acelerada. Si su frecuencia de oscilación es f, entonces produce una onda electromagnética con frecuencia f.

Yendo al marco mecánico cuántico de fotones, la luz clásica de frecuencia f emerge de trillones de fotones de energía = h*f de una manera matemáticamente complicada. La frecuencia está asociada con la energía. Un electrón acelerado irradiará un fotón según las reglas de la electrodinámica cuántica, y habrá una probabilidad de generar este fotón, matemáticamente complicado. Esto se puede demostrar matemáticamente, pero no de forma manual.

No necesita profundizar en la mecánica cuántica para comprender qué significa "frecuencia de luz".

Clásicamente, la luz es energía transportada por el campo electromagnético (EM). Cuando el electrón vibra, modifica el campo EM de tal manera que la energía se propaga. Este campo es un campo vectorial, lo que significa que para cada punto en el espacio, el campo EM tiene 6 valores que lo definen, 3 para el campo eléctrico y 3 para el campo magnético.

Para simplificar, piense solo en el campo eléctrico por ahora. Cada punto en el espacio está asociado con 3 números que determinan el vector del campo eléctrico allí. A medida que pasa el tiempo, esos 3 números cambian porque el campo es dinámico, por lo que el vector que representa cambia constantemente. En el caso de la luz monocromática este cambio es periódico. A medida que pasa el tiempo, el vector en cualquier punto puede describir un círculo, una elipse o simplemente acortarse y luego alargarse como un resorte. Este movimiento periódico tiene cierta frecuencia y eso es lo que significa la frecuencia de la luz.

Por ejemplo, la luz roja tiene una frecuencia de aproximadamente$4.3*10^{14}$Hz. Esto significa que si pudieras medir el vector eléctrico en algún punto del espacio, lo verías oscilando$4.3*10^{14}$veces cada segundo.

Está buscando un modelo conceptual que tenga sentido, por lo que desea una explicación clásica. Las explicaciones cuánticas no tendrán sentido de esa manera.

Tienes las ideas fundamentales claras. Cargas opuestas se atraen, cargas iguales se repelen. Es un campo de fuerza. Una carga en movimiento tiene una fuerza diferente a la de una carga sin movimiento relativo; tanto la dirección como la intensidad de la fuerza pueden cambiar.

Todo va en ambas direcciones, pero veamos una sola dirección. Cuando la carga fuente oscila, la fuerza sobre el objetivo se vuelve más y más pequeña. Un cambio en la dirección e intensidad de la fuerza. El cambio en la fuerza que está en línea con la dirección del objetivo tiende a promediarse, se vuelve más débil con el cuadrado de la distancia. El cambio de dirección de la fuerza permanece igual y la parte lateral tiene un grado de libertad menos, por lo que disminuye más lentamente con la distancia.

Entonces, en grandes distancias, lo que obtienes es una pequeña fuerza que oscila, moviendo el objetivo hacia los lados. Si la oscilación continúa durante mucho tiempo, un objetivo que está predispuesto a oscilar al mismo ritmo puede absorber cantidades crecientes de impulso de la pequeña fuerza hasta que de alguna manera cambia de estado de manera observable.

Alternativamente, si está predispuesto a vibrar de esa manera, un poco de fuerza de esta fuente en particular podría ser suficiente para empujarlo al límite y cambiar de estado. Cuanta más fuerza, más objetivos que tengan casi suficiente obtendrán suficiente.

Pero, cuando el electrón B vibra, el electrón A deja de vibrar... de lo contrario, la energía no se conservaría.

No, no funciona de esa manera. Pero no tengo claro cómo funciona. La carga fuente está enviando su campo de fuerza a todas partes en todas las direcciones, y parte de ella interactúa con las cargas objetivo mientras que otras partes no lo hacen. No tiene forma de saber qué pasará con toda esa fuerza. Ambas cargas podrían estar estacionarias en el tiempo$t_0$, y luego uno de ellos se mueve y luego está estacionario cuando llega la fuerza, por lo que se ven afectados por la fuerza que se creó en$t_0$en diferentes momentos y en diferentes direcciones. Es un desastre. Tal vez podamos obtener una prueba matemática de que todo tiene que equilibrarse. Tal vez se equilibre estadísticamente, en promedio. Tal vez parte de la energía permanece en el campo de fuerza, y constantemente recibimos radiación que se dirige a la nada, con cada vez menos disponible para cualquier otra cosa. No se.

La conservación de la energía es cierta por definición. Cada vez que encontramos que se viola la conservación de la energía, inventamos un lugar para que vaya la energía. Por ejemplo, los neutrinos. Se observó que la energía desaparecía. Debe haber sido llevado por una partícula indetectable. Se observa que aparece energía. Una partícula indetectable debe haberlo entregado. Detectamos neutrinos todo el tiempo: cada vez que se detecta que la conservación de la energía falla en la cantidad correcta, debe haber sido un neutrino. Una falla en la conservación de la energía (y el momento angular, etc.) lo que SIGNIFICA detectar un neutrino.

Cuando tiene un sistema en el que está seguro acerca de la energía, puede usar la conservación de la energía para resolver las cosas. ¿Alguien dice que tiene un automóvil que funciona quemando agua? La conservación de la energía dice que es poco probable. Pero cuando estás resolviendo las leyes fundamentales del universo, no puedes decir "La partícula A debe tener menos energía porque la partícula B tiene más". Por lo que sabe, las partículas indetectables C y D podrían haber interferido.

Cuando la gente habla de la "frecuencia" de la luz... ¿es lo mismo que la "frecuencia" del electrón que vibra produciendo esa luz?

Sí. Por cierto, otras partículas cargadas también pueden vibrar para hacer eso. Los protones pueden. Pero con más masa se necesita más energía para que vibren tanto.

¿Un ciclo de vibración del electrón significa la producción de un "fotón"?

No. Clásicamente, un fotón tiene la cantidad de energía necesaria para que un átomo o molécula cambie de estado de manera detectable.

Una vez que un electrón es "golpeado por un fotón" (lo que sea que eso signifique) y comienza a "vibrar" con cierta frecuencia, ¿durante cuánto tiempo lo hace?

La teoría del fotón es básicamente diferente de la teoría electromagnética clásica.

Cuando comienza con las ecuaciones de Maxwell, etc., obtiene ecuaciones matemáticas que predicen cómo funcionan las fuerzas eléctricas y magnéticas, incluida la radiación electromagnética. Pero no pueden predecir los caprichos de los átomos. Solo describen las fuerzas, y no las formas particulares en que los átomos interactúan con esas fuerzas.

La teoría del fotón explica algunas de las interacciones de la luz con los átomos. Los átomos tienden a absorber y emitir luz a unas pocas frecuencias específicas, diferentes para cada elemento.

La luz puede sacar electrones de los átomos. Se necesita una frecuencia mínima para hacer eso, por debajo de esa frecuencia no se pierden electrones. Por encima de la frecuencia, los electrones se pierden incluso cuando la intensidad de la luz es baja. Cuanto mayor sea la frecuencia de la luz, más rápido se moverán los electrones expulsados.

Además, asumimos que la radiación de baja intensidad se absorbe poco a poco, durante muchos ciclos. Entonces, si se necesita un millón de electronvoltios para eliminar un electrón, esa es una frecuencia de aproximadamente 2.5 * 10 ^ -20. Entonces, si hacemos que la intensidad de la luz sea muy baja, de modo que tomaría más de 10 ^ 21 ciclos para sumar un millón de eV, se deduce que ningún átomo obtendría suficiente energía durante al menos un segundo y habría un Retraso antes de que los electrones salieran. Pero en realidad, comienzan de inmediato a un ritmo bajo.

Podrías pensar que la conclusión obvia es que algunos átomos están preparados y casi listos para funcionar si obtienen suficiente energía a una frecuencia lo suficientemente alta, mientras que otros átomos no lo están. Cuanto más baja es la intensidad, menos átomos están listos.

Pero eligieron otra interpretación obvia. La luz no viaja en ondas, sino en paquetes de energía que pueden absorberse prácticamente de inmediato. Un átomo envía un paquete, otro átomo absorbe ese paquete. Y luego agitaron sus manos para encontrar razones por las que los paquetes que viajan por el espacio se comportan exactamente como ondas.

No tiene exactamente sentido. Pero pronto todo fue reemplazado por la mecánica cuántica, que se supone que no tiene sentido. Así que eso se arregló.

Aquí hay una explicación experta sobre los fotones. experto en fotones

La luz es la forma en que los átomos intercambian energía con otros átomos o partículas subatómicas más pequeñas mientras se unen o cambian el nivel de carga. Estos intercambios de energía pueden ocurrir en todas las frecuencias del espectro electromagnético desde gamma, que es tan rápido/pequeño que viajará entre partículas atómicas sin chocar con ninguna durante mucho tiempo. Pero cuando tienes un montón de ellos, las posibilidades aumentan. Y tienen tanta energía porque son rápidos que tienen un gran efecto en cualquier cosa con la que se encuentren, como causar cáncer. En el otro extremo del espectro se encuentran la radio y la banda ancha. Algunas de estas longitudes de onda podrían superar el kilómetro. Esta es una luz de baja energía y no hay mucho con lo que no se tope o reaccione; golpea todo a su paso. Pero debido a que tiene menos energía, es en su mayoría inofensivo y tiene pequeños efectos. Eso' Es por eso que colocar una barra de metal en la parte superior de su casa puede captar fácilmente las frecuencias de radio. La energía de la luz después de ser liberada de una reacción atómica siempre viaja a la misma velocidad desde su fuente en todas las direcciones en unidades de energía llamadas fotones. El número de longitudes de onda en comparación con otros fotones a la misma distancia a esa velocidad determina qué tipo de luz es.

Creo que su comprensión de los electrones que vibran uno al lado del otro se refiere a la electricidad. La electricidad se crea haciendo que los electrones en la capa exterior de ciertos elementos como el metal vibren al conectarlos con algo que tiene una gran carga magnética. Algunos elementos que se descomponen rápidamente por oxidación o por alguna otra reacción natural a otros elementos, liberan constantemente una gran cantidad de radiación que les da un efecto o carga magnética. Cuando está cerca de un elemento como el metal cuya capa exterior es susceptible a las cargas magnéticas, la capa exterior del electrón comienza a vibrar. Esa vibración viaja como fichas de dominó haciendo que cada átomo próximo haga lo mismo, como un alambre de metal. No se pierden ni ganan fotones ya que el átomo no pierde ni gana un nivel de carga. Debido a que el electrón solo vibra y permanece en el nivel externo, es una forma de engañar al poder de un átomo al excitarlo, pero no lo suficiente como para ganar o perder un nivel de carga. Esto es posible debido a las fuerzas fuertes y débiles de los átomos y cómo se mantienen unidos o se separan.