Ondas electromagnéticas y fotones

La respuesta de Claudio Saspinski responde al caso especial de la onda de radio. Tu pregunta es mucho más amplia. Por lo tanto, también responderé.

... viene una lluvia de ziolion de fotones, interactúan con la partícula cargada por dispersión Compton o algo así. En esta imagen no puedo ver cómo se puede seguir una dirección particular.

Correcto. Todos estos fotones proceden de fuentes térmicas, con diferente contenido energético (frecuencias), con distintas posiciones espaciales de sus crestas y con distintas direcciones -sobre todo 360°- a la dirección de propagación. Al interactuar con un cuerpo, estos fotones dieron su energía a los átomos del cuerpo, elevando la temperatura por encima de la temperatura ambiente. Los átomos del cuerpo por su parte emiten fotones (en su mayoría con frecuencias más bajas) y el equilibrio térmico. =>
Los átomos están haciendo un desplazamiento caótico por la absorción y emisión de los fotones.

Si tengo una partícula cargada, está libre en el espacio y luego una onda electromagnética la atraviesa.

Ese es el caso especial mencionado por Claudio Saspinski. Los fotones del primer párrafo no se pueden medir como una onda. Son radiaciones electromagnéticas. Una onda EM medible son las ondas de radio . Los electrones en la superficie de un conductor (varilla de antena) se aceleran sincrónicamente hacia adelante y hacia atrás y durante cada aceleración emiten fotones, todos con la misma dirección de su componente de campo eléctrico (paralelo a la varilla). La radiación EM es polarizada.
Además, el número de fotones emitidos y la dirección de su campo eléctrico cambia periódicamente. De cero a un número máximo y de nuevo a cero, todos con la dirección de su campo eléctrico hacia arriba, y luego nuevamente al número máximo, esta vez con la dirección del campo eléctrico hacia abajo.

En la barra conductora receptora, los electrones, absorbiendo estos fotones polarizados, se aceleran todos en la misma dirección. Por supuesto, solo mientras la onda entrante contenga fotones. En la siguiente media onda, los fotones entrantes aceleran los electrones en la barra en la dirección opuesta.

En resumen, tiene razón al preocuparse por la diferencia entre las ondas electromagnéticas y los fotones.

Un ejemplo típico es un circuito LC , donde una onda de radio EM con la frecuencia resonante del dispositivo genera una corriente alterna.

El circuito LC es un oscilador armónico y todo se puede entender sin pensar en fotones.

Pero si el poder de la ola entrante se vuelve demasiado débil, las cosas cambian. Hay un mínimo de energía para cada frecuencia:$E = \hbar \nu$. Entonces, el comportamiento del circuito debe entenderse como un oscilador armónico cuántico .

Solo cuando el nivel de energía del QHO es lo suficientemente alto, converge al comportamiento de un oscilador armónico clásico. Pero$\hbar$es un número muy pequeño, por lo que la mayoría de lo que llamamos señales débiles son lo suficientemente fuertes como para comportarse de forma clásica.

¿Está preguntando qué sucederá si una partícula cargada se encuentra con un haz de luz no perfectamente coherente y polarizada?

Puede ver tales ejemplos en el plasma siendo opaco, si es lo suficientemente denso y también en el universo primitivo siendo opaco debido a las distancias y la cantidad de partículas cargadas.

La partícula interactuará con los fotones entrantes y cambiará de dirección aleatoriamente, con una fuerza promedio cercana a cero. Cada vez que una partícula cargada cambia de dirección, emite un fotón, que debilita el original y amplifica el que va hacia los lados, donde se movía la partícula cargada.

Si pregunta cómo se puede seleccionar una dirección específica como la preferida para emitir fotones, puede consultar este dispositivo:

https://en.wikipedia.org/wiki/Klystron

Si pregunta cómo se puede seleccionar una dirección específica como la preferida para acelerar los electrones, puede consultar este dispositivo, el que tiene RF:

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Linear_particle_accelerator

Si pregunta sobre el marco de referencia del fotón, entonces no tiene sentido. No tiene tiempo, desde su perspectiva no reaccionó con nada más que el electrón objetivo, inmediatamente después de ser emitido por la fuente.

Si pregunta sobre imágenes populares de fotones que muestran giro o polarización cuando golpea el objetivo, no es útil en su pregunta. El electrón no ve este patrón complejo, ya que el fotón es un objeto simple que genera una fuerza, dependiendo de la polarización y la fase del impacto.

Si pregunta si los fotones pueden interactuar entre sí, la respuesta suele ser no. Solo a través de la gravedad o la creación de materia para energías extremadamente altas.

Si pregunta cómo pasar en los cálculos de un fotón a muchos haces de fotones: considere que solo la parte polarizada y coherente del haz empuja al electrón en la misma dirección. Entonces, si el haz tiene 23% de polarización vertical y 77% de polarización horizontal, considere que el 46% (el más pequeño, 23% multiplicado por 2) del haz está disperso y el 54% es útil en polarización. Si el 12 % del haz tiene una fase de 0 grados y el 88 % tiene una fase de 180 grados, eso es poco probable, pero más fácil de calcular, entonces la parte que se dispersa es el 24 % (la parte más pequeña, 12 % multiplicado por 2) y el 76 % es útil en fase. En total el 76% del haz es útil en fase y el 54% es útil en polarización. 76% multiplicado por 54% es 41%, y esta parte del haz actúa como un fotón fuerte, empujando al electrón en la misma dirección. El resto del haz se desperdicia, empujando al electrón en direcciones aleatorias.