Como estudiante de física atmosférica, estoy familiarizado con la radiación electromagnética en la atmósfera y lo que dicta a qué longitud de onda emitirán los objetos. Al observar la radiación en la atmósfera, siempre se piensa en ella como una onda, ya sea de onda larga o de onda corta. Recientemente, sin embargo, me presentaron al mundo cuántico y tengo problemas para traducir entre el modelo de onda y el modelo de partículas de luz.
Entiendo que el sol, que tiene una temperatura de 6000k, tiene su pico de emisión en el espectro visible. Cuando esa luz llega a la Tierra y golpea un objeto, esa luz se absorberá y lo que no se absorba se reflejará y veremos ese color. Tengo problemas para entender cómo funciona esto cuando pienso en fotones. ¿Cómo vemos los colores de un objeto cuando pensamos en fotones?
Recientemente vi un video sobre por qué el vidrio es transparente. Decía que los electrones en el vidrio estaban dispuestos de tal manera que cuando se encontraban con los fotones no había suficiente energía para que alcanzaran un nivel de energía superior. Esto me hizo pensar en por qué es necesario absorber ese fotón y alcanzar un nivel de energía más alto para no ser transparente. Parecía que para que no fueran transparentes, los fotones tenían que ser absorbidos para que los electrones pudieran emitir un fotón de ese color.
Cuando pensamos en fotones, ¿vemos colores porque los fotones se reflejan como una onda? ¿O vemos electrones emitiendo un determinado color de fotón a medida que reduce los niveles de energía? Por ejemplo, tengo una pared verde con una ventana. ¿Los fotones atraviesan el vidrio pero golpean mi pared, excitando los electrones a un nivel superior y luego, a medida que van a un nivel más bajo, se emite un fotón verde o los fotones golpean mi pared y simplemente rebotan?
Por lo tanto, es una confusión muy común, y ocurre porque la luz no es ni una onda ni una partícula, sino que es (actualmente mejor descrito como) un campo cuántico. Las descripciones de ondas y partículas son aproximaciones que se aplican en algunas circunstancias. En particular, el modelo de fotones es una buena manera de describir cómo el campo electromagnético intercambia energía con su entorno. Cuando la luz transfiere energía a otra cosa, la energía transferida es un número entero de energías de fotones.
Entonces, en su ejemplo, el vidrio es transparente porque para la luz visible no hay niveles de energía separados por una energía fotónica. Dado que la luz solo puede interactuar con el vidrio intercambiando energía en grumos del tamaño de un fotón, la interacción no puede ocurrir. El vidrio absorbe en el ultravioleta porque la energía del fotón es proporcional a la frecuencia de la luz y en las frecuencias ultravioleta la energía del fotón es lo suficientemente grande como para excitar los electrones en el vidrio.
El pigmento verde en la pintura de su pared ha sido elegido para tener excitaciones electrónicas que corresponden a la energía fotónica de la luz roja y azul, pero ninguna con una energía que coincida con la luz verde. Esto significa que la luz roja y azul que cae sobre la pared se absorbe pero la luz verde se refleja. En general, con los sólidos, cuando una luz excita una transición electrónica y es absorbida, la energía de los electrones excitados se disipa como vibraciones reticulares. Solo en algunas circunstancias se vuelve a emitir como luz, en cuyo caso se obtiene fluorescencia o fosforescencia . Entonces, no es el caso que la luz se absorba y se vuelva a emitir como luz verde. La luz verde se refleja y permanece verde, mientras que los demás colores se absorben y su energía acaba calentando la pared.
La luz verde que llega a la retina tiene una energía fotónica que coincide con los pigmentos ópticos de los conos M. Por lo tanto, la luz es absorbida (en fragmentos del tamaño de un fotón) por electrones excitantes en los pigmentos ópticos.
La respuesta de John es clara para el conjunto de fotones que forman la onda electromagnética.
Si realmente está preguntando cómo los fotones individuales terminan creando la onda electromagnética clásica, ya sea que se reflejen o no, debe profundizar más en la electrodinámica cuántica. Lubos Motl tiene en su blog una entrada de cómo las ondas clásicas emergen de un gran conjunto de fotones.
Las ecuaciones clásicas surgen de las mecánicas cuánticas de manera coherente, pero el electromagnetismo tiene la elegancia adicional de tener las ecuaciones de Maxwell tanto para las ondas clásicas como para la mecánica cuántica que da una función de onda para un fotón. Entra el mismo potencial de cuatro dimensiones y, por tanto, la continuidad de lo clásico y lo cuántico en la frecuencia de la energía del fotón, E=h*nu, y la frecuencia expresada en el espacio por un gran conjunto de fotones de frecuencia nu.
La energía de un fotón da lugar a su frecuencia:
E = h*f
donde f es la frecuencia y h es la constante de Planck.
La frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda según:
lambda*f=c
donde lambda es la longitud de onda y c es la velocidad de la luz.
Por lo tanto, puede afirmar que los fotones con mayor nivel de energía (naturaleza de partículas de la luz) tienen frecuencias más altas (naturaleza de onda de la luz) y longitudes de onda más bajas.
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Juan Rennie