¿Qué sucede realmente cuando un fotón es absorbido por la materia?

Las partículas están representadas por fluctuaciones en los campos en la teoría cuántica de campos. Entonces, si tienes un fotón y un electrón, tendrás una fluctuación correspondiente en cada campo. Los dos campos interactúan entre sí, por lo que la fluctuación del campo de fotones puede influir en la fluctuación del campo de electrones y desaparecer.

Si quieres una analogía, piensa en dos trozos de cuerda atados en un extremo. Inicialmente hay una fluctuación en ambas cadenas que chocan en la interfaz de cadenas. Después de la colisión, solo hay una fluctuación más grande en la cuerda que representa el campo de electrones.

Considere la cosa dentro de la segunda forma de cuantización: el hamiltoniano contiene un término como$b^\dagger a_e+\text{h.c}$, que describe la aniquilación de una excitación que produciría un fotón, y su procedimiento conjugado (que te importa más): absorber un fotón y excitarse.

Este tipo de hamiltoniano se deriva, principalmente, de QuantumElectroDynamics (QED). El lagrangiano contiene un término de vértice de este tipo: campo de materia (spin-$\frac{1}{2}$campo) se acopla al campo de luz (spin-$1$campo). Wikipedia da una explicación bastante clara para esto.

Hay muchas formas en que un fotón puede interactuar con la materia, pero dado que el fotón es una entidad mecánica cuántica, uno tiene que definir la materia en el régimen cuántico.

En dimensiones proporcionales a h_bar, la materia está compuesta de átomos en varias combinaciones.

Aquí se puede ver una forma de interactuar con la materia: los átomos son modelados por electrones en orbitales alrededor de un núcleo positivo de cargas iguales y opuestas. Los orbitales son soluciones de la ecuación mecánica cuántica y son niveles de energía. Entonces, un fotón puede ser absorbido por un átomo "pateando" un electrón a un nivel de energía más alto, si el fotón tiene esa energía +/- un ancho mecánico cuántico en la energía. (la energía del fotón es h*nu, donde nu es la frecuencia del haz de luz clásico del que forma parte). Esto da espectros de absorción , y luego, cuando el electrón vuelve a caer al estado de menor energía, los espectros de emisión. El momento se conserva por un exceso de movimiento del átomo que absorbió el fotón.

Los átomos en la materia también tienen un campo eléctrico de derrame con el cual un fotón puede interactuar con el efecto Compton , ya sea con átomos individuales o con una masa de átomos como en un gas, un líquido o un sólido. El fotón pierde parte de su energía y cantidad de movimiento y la transfiere a los átomos o moléculas, dependiendo de la dispersión la energía puede ser energía vibratoria en un sólido o líquido, así al final la energía calienta la materia, porque la temperatura está conectada con la energía cinética media de átomos y moléculas.

Hay otras formas más complicadas en las que el fotón se dispersa y cede parte de su energía y, secuencialmente, se absorbe por completo.

El mecanismo de interacción es muy similar a una onda de radio que interactúa con una antena. El "fotón" se manifiesta como oscilaciones del campo eléctrico, que impulsan al electrón como una masa sobre un resorte. La frecuencia de oscilación viene dada por la diferencia entre el estado inicial y el estado excitado, y puedes seguir el movimiento de la carga oscilante calculando la superposición de los dos estados.

El electrón oscilante irradia energía electromagnética como cualquier otra antena. Inicialmente, debido a la interacción del campo radiado con el campo incidente, en realidad hay una absorción neta de energía; pero eventualmente el campo incidente desaparece y el sistema atómico simplemente continúa oscilando, re-irradiando cualquier energía residual hasta que regresa al estado fundamental.

También puede analizar este sistema en términos de "fotones" usando algo llamado "Regla de oro de Fermi", pero todo llega exactamente al mismo resultado en términos de lo que realmente puede medir... la cantidad de radiación dispersa como una función de la campo incidente.

DESCARGO DE RESPONSABILIDAD: Soy un chiflado reconocido cuyas opiniones son rutinaria y masivamente rechazadas por los expertos en este foro que saben mucho más que yo.

Lo intentaré en un sentido muy general, y luego puedes usar tu imaginación, porque es posible que los libros no te respondan a esto.

Cada interacción tiene lugar a través de algún tipo de fuerza. Cuando empujamos un automóvil, transferimos nuestra energía al automóvil, pero la energía primero se convierte en fuerza y ​​luego ingresa al automóvil. De la misma manera, el fotón debe transformarse en una diminuta fuerza que empujaría al electrón. Esa fuerza más que probable tiene que ser la repulsión electromagnética. Puede pensar que el campo/onda de fotones de cierta frecuencia y el campo/onda de electrones impactados no pueden coexistir en el espacio. Uno transfiere su energía al otro y desaparece. Esta imposibilidad de coexistir da lugar a la repulsión, la repulsión da lugar al movimiento. Paradójicamente, aún coexisten después de la interacción, pero como uno, no como dos.