Principio de reflexión a nivel atómico

Este fenómeno bien observado, además de varios otros, siempre me ha fascinado. Somos muy conscientes de varias teorías, experimentos y aplicaciones prácticas de este conocido fenómeno, pero ¿está establecido lo que sucede en la base de la reflexión?

Mi profesor de secundaria me dijo una vez que cada vez que la luz incide sobre cualquier superficie reflectante, sus electrones absorben la energía del fotón y liberan la misma energía. Si esto es realmente cierto, entonces tengo muchas preguntas para continuar, pero si no lo es, ¿qué es la reflexión, cómo y por qué tiene lugar?

Relacionado: physics.stackexchange.com/q/32483/2451 y enlaces allí.

Respuestas (2)

La pregunta ¿Qué ES la reflexión? es realmente un duplicado del tuyo, pero sospecho que la respuesta puede ser un poco breve para ti.

Una onda de luz, como cualquier onda electromagnética, es una combinación de un campo eléctrico y magnético oscilante. Estos campos ejercen una fuerza oscilante sobre los electrones en cualquier material que golpea la onda, y esos electrones comienzan a oscilar en respuesta. Sin embargo, un electrón oscilante emite radiación electromagnética y esta radiación interfiere con la luz incidente.

Para calcular lo que sucede en la interfaz, debe tener en cuenta la luz incidente, la luz que se vuelve a irradiar desde el sólido hacia el vacío (es decir, la luz reflejada) y la luz que se vuelve a irradiar hacia el cuerpo del sólido (es decir, , la luz transmitida). Cuando haces esto, encuentras que la luz se refleja en el ángulo de incidencia y la luz se transmite en un ángulo dado por la ley de Snell. El cálculo es un poco complicado, pero si está interesado, tiene muchos ejemplos por el costo de un Google rápido.

Respuesta al comentario:

Las oscilaciones de los electrones son impulsadas por el campo EM entrante, por lo que la frecuencia de oscilación es la misma que la frecuencia de la luz entrante. La fase no necesita ser (que es el origen del cambio del índice de refracción).

En el mundo real, el reflejo no es independiente del color (es decir, la frecuencia de la luz), y este fenómeno se conoce como dispersión . Tampoco es independiente de la intensidad de la luz, lo que se conoce como no linealidad , aunque la no linealidad suele ser un efecto extremadamente pequeño.

Los electrones no reaccionan instantáneamente cuando incide la luz. La frecuencia más rápida a la que pueden reaccionar es la frecuencia del plasma .

Respuesta a la respuesta al comentario:

La energía se puede perder debido a las interacciones con la red y, de hecho, esta es la norma, por lo que la suma de las ondas reflejadas y transmitidas es generalmente menor que la onda incidente. La energía perdida termina como calor, es decir, vibraciones reticulares.

Sin embargo, el hecho de que se pierda energía no cambia la frecuencia de oscilación de los electrones, porque eso está determinado por la luz incidente. Eso significa que la frecuencia de la luz reflejada y transmitida es la misma que la luz incidente, es decir, el mismo color.

Si la luz incidente contiene diferentes frecuencias, como la luz blanca, el resultado puede ser un cambio en el color percibido. Por ejemplo, si proyectas luz blanca sobre oro, la luz reflejada es amarillenta. Sin embargo, el proceso de reflexión no cambia la frecuencia de la luz, sino que cambia las intensidades relativas de las frecuencias en la luz reflejada al absorber algunas frecuencias con más fuerza que otras.

¿Cómo es que la luz reflejada permanece constante incluso en términos de color e intensidad (suponiendo una refracción insignificante) y las oscilaciones son siempre iguales a la frecuencia de la luz absorbida? ¿Los electrones dejan de oscilar tan pronto como la luz deja de incidir en el reflector?
@rijulgupta: He editado mi respuesta para responder a tu comentario.
Acepto que los electrones comenzarían a oscilar con la misma frecuencia, pero si emitieran energía a la misma frecuencia, ¿no significaría eso que están devolviendo toda la energía? ¿No se excitaría algún electrón a un nivel de energía más nuevo o retendría algo de energía de alguna manera, en absoluto? suena un poco mal.
Parte de la energía se devuelve como luz reflejada y parte se envía hacia adelante como luz transmitida. Si suma la energía reflejada y transmitida, debe sumar para ser igual a la energía de la onda incidente. Los electrones solo se excitarán a un nivel de energía más alto si la longitud de onda de la luz incidente coincide exactamente con la energía de excitación. A esta energía, el índice de refracción puede comportarse de manera extraña, aunque confieso que olvidé los detalles y tendría que buscarlos. De memoria, el índice de refracción llega a cero.
No se puede simplemente dejar el material con algo de energía, tal vez como energizado. Recuerdo que hubo un experimento en el que se impartía impulso disparando electrones a una sustancia, si esta sustancia se convirtiera en un reflector, reflejaría la luz pero también ganaría KE sin devolver toda la energía, por lo que definitivamente algo debe ser diferente.
Los electrones pueden interactuar con la red que los rodea y disipar energía de esa manera. En ese caso, la energía disipada terminará como calor, es decir, vibraciones de red, y la suma de la luz reflejada y transmitida será menor que la luz incidente. El ejemplo obvio de esto es el cuerpo negro ( en.wikipedia.org/wiki/Black_body ), donde se absorbe toda la luz, por lo que no se refleja ni se transmite ninguna luz.
Entonces, ¿por qué obtendríamos la misma luz reflejada característica incluso cuando al menos podemos suponer el cambio o la pérdida de energía?
@rijulgupta: He editado mi respuesta nuevamente para responder a su último punto.
¿Por qué la frecuencia del haz de luz incidente y transmitido reflejado sigue siendo la misma? Dijimos que los electrones comienzan a oscilar con la frecuencia de la luz incidente, luego también pierden energía, esto debe tener algún impacto en sus oscilaciones y después de esto, cuando emiten la energía, ¿por qué permanecería igual?
@rijulgupta: No, la pérdida de energía reduce la amplitud de la oscilación pero no cambia su frecuencia .
Entonces eso debe traer algún cambio en la intensidad, ¿verdad? Incluso para luz monocromática
@rijulgupta: Sí, cambia la intensidad, pero no cambia la frecuencia.
Fresco ! ¿Todos saben esto ya o encontramos algo nuevo?
@rijulgupta: lamentablemente sospecho que muchos de nosotros sabíamos esto, pero muchos de nosotros somos expertos en este juego :-)

La esencia de su pregunta es el principio fundamental de reflexión del nivel de secundaria .

La reflexión tiene lugar en una interfaz con diferente índice de reflexión .

A nivel atómico, su imagen de un electrón que absorbe energía de la luz es correcta. Piense en ello como un péndulo: el oscilador armónico . Sin atenuación, la frecuencia del oscilador permanece igual. Entonces, el color reflejado de la interfaz del espejo es el mismo.

De hecho, las matemáticas sobre la reflexión comienzan con el movimiento de una nube electrónica , como el oscilador armónico. Algunas frecuencias están menos atenuadas y el elemento tiene alta reflectividad. A cierta frecuencia, la energía es suficiente para excitar un nuevo estado externo y es menos probable que el fotón se vuelva a emitir. Para que sea sólido, se debe introducir una atenuación dependiente de la estructura interna del elemento. Esto actúa como cualquier fuerza disipativa sobre el movimiento del oscilador.

Sin embargo , con la atenuación , como la absorción dependiente de la longitud de onda, los espejos dorados difieren de los espejos de aluminio comunes en su baño. Se debe leer una explicación sobre el reflejo de diferentes metales para profundizar en el tema. En resumen: el aluminio refleja todo el espectro visible mientras que el oro carece de reflejo en el régimen azul.

¿Sin atenuación, ninguna en absoluto? ¿Cómo está pasando eso?
¿Qué posibilidades de pérdida de energía tiene un electrón? Esta pregunta es algo bastante avanzado para el nivel de secundaria. Sin atenuación en esta imagen significa que no pierde energía a través de las vibraciones o la radiación de la red.
¿Y puede decir que no perdería energía a través de vibraciones o radiaciones reticulares incluso a través del fenómeno en el que se imparte impulso al material cuando se disparan fotones sobre él, dándole así KE?
@rijulgupta Proporcioné más información sobre la atenuación.