Polarización de la luz y excitación atómica

Realmente no se puede hablar de la relación entre los estados atómicos excitados y la polarización de la luz entrante: los estados atómicos son los que son, independientemente de la luz entrante. Sin embargo, diferentes transiciones entre estados atómicos pueden tener amplitudes de probabilidad que dependen de la polarización de la luz entrante: es fácil ver que los electrones en un enlace molecular interactuarán más fuertemente con un campo eléctrico alineado con el enlace.

Si está hablando de que la luz entrante provoca la emisión de fotones, bueno, eso es emisión estimulada, y las consideraciones básicas de simetría muestran que la polarización de la luz emitida debe estar alineada con la de la luz entrante. Consulte la página de Wikipedia sobre emisión estimulada y también las páginas de hiperfísica sobre los mismos temas y también sobre los coeficientes A y B de Einstein.

Para pensar en lo que sucede cuando la luz pone a los átomos/moléculas en estados excitados y luego los átomos/moléculas emiten luz espontáneamente algún tiempo después, uno aplica los principios de conservación de energía, cantidad de movimiento y cantidad de movimiento angular al sistema luz/átomo/medio ambiente como un entero _ Las relaciones de polarización tienen que ver con la conservación del momento angular . Para entender esta última afirmación, véase, por ejemplo, el capítulo llamado "Momento angular" en el tercer volumen de "las conferencias de Feynman sobre física". ¿Qué significa esto practicamente? Pensamos en tres casos diferentes:

1. En un medio ópticamente transparente, los fotones son absorbidos por los electrones y estos últimos emiten nuevos fotones en su lugar casi instantáneamente (en femtosegundos o menos). Hay poco tiempo para que los electrones interactúen con los átomos y las moléculas que los rodean entre la emisión y la absorción. Por lo tanto, los fotones emitidos deben tener exactamente la misma longitud de onda (correspondiente a la conservación de la energía), dirección (correspondiente a la conservación del momento) y polarización (correspondiente a la conservación del momento angular) que los fotones entrantes, y el efecto del medio sobre la luz es simplemente uno de retardo, por lo que el medio se modela mediante un índice de refracción, es decir, un factor de escala de la velocidad de la luz.

2. Hay una pequeña excepción al proceso (1) en medios birrefringentes. El proceso es casi el mismo, pero hay cierta transferencia de momento angular por parte de los electrones absorbentes al átomo/moléculas/entorno circundante. El estado de polarización de la luz cambia y, a su vez, la luz y el medio ejercen un momento de torsión diminuto, el impulso angular, uno sobre el otro.

3. Por último tenemos la fluorescencia. El átomo/molécula excitado y absorbente "espera" mucho tiempo antes de la emisión espontánea: típicamente nanosegundos, puede ser tan largo como milisegundos. En ese tiempo puede interactuar con el medio en el que está inmerso: su entorno. Entonces, las relaciones de energía, momento y momento angular son complicadas:

   • Energía : casi siempre hay un cambio de Stokes con la fluorescencia: el estado desde el que el átomo/molécula emite fluorescencia puede ser más bajo que el estado al que la luz entrante elevó por primera vez el átomo/módulo. Además, es posible que el átomo/molécula no emita fluorescencia hasta el estado fundamental. (Vea mi dibujo a continuación, que tipifica la fluoresceína, es decir, "tinta de pluma verde fluorada"). Las pérdidas de energía significan que el proceso de absorción/fluorescencia transfiere energía vibratoria y calor al sistema átomo/ambiente.

   • Momento lineal : durante el tiempo de vida de la fluorescencia, el átomo/molécula puede soportar el medio que lo rodea y viceversa, por lo que el impulso se transfiere al entorno. Por lo tanto, casi siempre hay poca relación entre la dirección de la luz entrante y la de la fluorescencia;

   • Momento angular : las interacciones entre los átomos, las moléculas y el entorno que los rodea tienden a no implicar tanto el par como la transferencia de impulsos. Esto es intuitivamente razonable: las fuerzas tienden a estar dirigidas a lo largo de la línea entre los centros de masa. Sin embargo, hay algo de par e impulso angular, especialmente para los fluoróforos de larga duración. Por lo tanto, la polarización de la fluorescencia tiende a estar fuertemente correlacionada con la de la luz entrante, pero también existe una despolarización definida. Otro factor que tiende a mantener bastante bien correlacionada la fluorescencia y la polarización de la luz entrante es que el momento angular está cuantificado, mientras que el momento lineal no lo está. De manera simple, puede pensar en la línea de que los impulsos angulares deben alcanzar un valor definido.$\pm\hbar$umbral antes de que se conviertan en transferencias reales.

Una transición electrónica se caracteriza por su momento dipolar de transición . En pocas palabras, es un vector que muestra la dirección y la magnitud del desplazamiento de la nube de electrones. La probabilidad de interacción con un fotón es proporcional a un producto escalar del momento dipolar de transición y la polarización del fotón. Las transiciones electrónicas con momento dipolar cero se denominan así prohibidas .

Dado que el átomo es esféricamente simétrico , no hay una dirección dada y el momento dipolar de transición apunta a todas partes. Por lo tanto, no habrá preferencia por la polarización de la luz. Sin embargo, puede imponer una dirección, por ejemplo, aplicando un campo eléctrico. Entonces el momento dipolar de transición estará orientado y la interacción con la luz dependerá de su polarización.