¿Por qué los fotones se reflejan en el vidrio?

En la electrodinámica clásica, el proceso de cuánta luz se refracta al pasar a través del vidrio y cuánta luz se refleja está determinado por el principio de Huygens-Fresnel.

Este principio, llamado así por Christiaan Huygens y Augustin-Jean Fresnel, es un método para analizar los patrones de propagación de ondas de luz, especialmente en difracción y refracción. Establece que cada punto no obstruido en un frente de onda emana ondas esféricas secundarias en todas las direcciones. Por lo tanto, la amplitud de luz neta en un punto dado es la suma vectorial de todas las amplitudes de onda en ese punto. Este principio lo hace muy útil para visualizar lo que sucede durante la difracción de la luz.

Aunque, como dice Alex en su respuesta, puede usar el enfoque QFT, me gustaría proporcionar una respuesta alternativa, usando el razonamiento clásico (que no se basa en la cuántica). Es más fácil, para mí de todos modos, entender :) y, con suerte, responder.

De Wikipedia: Ecuaciones de Fresnel

En la electrodinámica clásica, la luz se considera como una onda electromagnética, que se describe mediante las ecuaciones de Maxwell. Las ondas de luz que inciden sobre un material inducen pequeñas oscilaciones de polarización en los átomos individuales (u oscilación de electrones, en los metales), lo que hace que cada partícula irradie una pequeña onda secundaria en todas las direcciones, como una antena dipolo. Todas estas ondas se suman para dar reflexión y refracción especular, según el principio de Huygens-Fresnel.

En el caso de dieléctricos como el vidrio, el campo eléctrico de la luz actúa sobre los electrones del material, y los electrones en movimiento generan campos y se convierten en nuevos radiadores. La luz refractada en el vidrio es la combinación de la radiación directa de los electrones y la luz incidente. La luz reflejada es la combinación de la radiación hacia atrás de todos los electrones.

Cuando la luz pasa de un medio con un índice de refracción n1 dado a un segundo medio con un índice de refracción n2, pueden producirse tanto la reflexión como la refracción de la luz. Las ecuaciones de Fresnel describen qué fracción de la luz se refleja y qué fracción se refracta (es decir, se transmite). También describen el cambio de fase de la luz reflejada.

La luz incidente está polarizada con su campo eléctrico perpendicular al plano que contiene los rayos incidente, reflejado y refractado. Este plano se llama plano de incidencia; es el plano del siguiente diagrama. Se dice que la luz está polarizada en s. La luz incidente se polariza con su campo eléctrico paralelo al plano de incidencia. Tal luz se describe como p-polarizada.

Un rayo de luz incidente IO golpea la interfaz entre dos medios de índices de refracción n1 y n2 en el punto O. Parte del rayo se refleja como rayo OR y parte se refracta como rayo OT. Los ángulos que forman los rayos incidente, reflejado y refractado con la normal de la interfaz se dan como θi, θr y θt, respectivamente.

La relación entre estos ángulos viene dada por la ley de reflexión y la ley de Snell:

La fracción de la potencia incidente que se refleja desde la interfaz viene dada por la reflectancia o reflectividad R y la fracción que se refracta viene dada por la transmitancia o transmisividad T (no relacionada con la transmisión a través de un medio).

Si puede seguir las matemáticas, principalmente trigonometría, puede obtener la proporción de luz que pasa a través del vidrio y la proporción que refleja, aquí:

Coeficientes de refracción y reflexión

No es fácil, al menos para mí, encontrar de inmediato una respuesta a su pregunta basada en QFT, ya que la mayoría de las explicaciones de QFT parecen tratar sobre los espejos y cómo reflejan la luz, en lugar de explicar cómo algunos atraviesan el vidrio y otros se reflejan. , (como en su pregunta particular), pero aquí se puede encontrar una buena explicación, que es básicamente una copia del libro de Feymann:

Reflejo de luz

Solo un pensamiento. ¿Esto se debe a que los átomos de diferentes sustancias como el agua, el vidrio o la madera, etc., curvan el espacio-tiempo de manera diferente y, por lo tanto, influye en la forma en que los fotones interactúan con la materia? es decir, algunos fotones se reflejan y otros se refractan.

Diría que no a ese razonamiento, el espacio-tiempo no está lo suficientemente curvado en una placa de vidrio para tener un efecto significativo.

Pero quiero saber, si un fotón entrante no puede excitar un electrón, ¿por qué no todos los fotones atraviesan el vidrio? es decir, los fotones no deben reflejarse en el vidrio, todos los fotones deben atravesar el vidrio.

Si bien no conozco los detalles exactos de la reflexión del vidrio (está relacionado con la física del estado sólido por lo que recuerdo, con plasmón y pseudopartículas), esto lo sé.

Si bien los átomos individuales solo aceptan niveles de energía particulares, esto no se aplica en general, debido a varias razones:

• La más básica es la incertidumbre tiempo-energía,$\Delta t \Delta x \geq \hbar/2$. Todos los niveles de energía aceptarán con alguna probabilidad energías muy cercanas a las suyas.
• El efecto Doppler se aplica a temperaturas$> 0 K$, ya que los átomos se moverán. Desde su perspectiva, la energía del fotón entrante se desplazará al rojo o al azul, por lo tanto, desde la perspectiva exterior, sus niveles de energía cambiarán. Como este efecto es una distribución de probabilidades, aumenta aún más el rango de energías que el material puede absorber.
• Los átomos que interactúan entre sí crearán nuevos niveles de energía. El ejemplo más básico es que dos átomos de hidrógeno unidos duplicarán cada uno de los niveles de energía, siendo los nuevos niveles respectivamente ligeramente superiores y ligeramente inferiores a los niveles del átomo libre. En sólidos grandes, esto puede, junto con los efectos anteriores, dar lugar a la creación de bandas de energía que son continuas.
• Probablemente no sea el caso del vidrio, pero en algunos sólidos, los electrones más externos pueden tratarse como libres y, por lo tanto, realmente no tienen niveles de energía.

En lugar de pensar en ello de manera determinista, piense en términos de probabilidad de que un fotón se refleje. Estas probabilidades se pueden calcular utilizando la electrodinámica cuántica. Consulte esta serie de conferencias de Richard Feynman para obtener una explicación detallada. https://www.youtube.com/watch?v=eLQ2atfqk2c