¿La luz pierde energía cuando se refleja en una superficie?

Sí, este es el principio detrás del radar Doppler. La frecuencia/energía aumenta si la superficie se mueve hacia la fuente. La frecuencia/energía disminuye si la superficie reflectante se aleja de la fuente.

La única vez que la frecuencia/energía no cambiará es si la superficie inicialmente tiene el impulso opuesto al de la luz.

Cuando un fotón interactúa con un átomo, pueden suceder tres cosas:

1. dispersión elástica, el fotón mantiene su energía y fase, y cambia de ángulo, este es el caso de un espejo, reflexión

2. dispersión inelástica, el fotón cede parte de su energía al átomo y cambia de ángulo, esto sucede cuando la luz infrarroja transfiere energía cinética al movimiento vibracional de las moléculas (se calienta)

3. absorción, el fotón le da toda su energía al átomo, y el electrón absorbente se mueve a un nivel de energía más alto según QM

En su caso, la reflexión es dispersión elástica, y esta es la única forma de mantener el nivel de energía de los fotones y construir una imagen especular.

Por supuesto, esto supone una superficie reflectante estacionaria (en relación con el observador), espejo.

Como dicen las otras respuestas, cuando la superficie reflectante viaja hacia o desde el observador, el nivel de energía de los fotones puede cambiar.

Es muy importante hablar de reflexión especular, como un espejo, donde también se mantiene el ángulo relativo de los fotones. Y diferenciarlo de la reflexión difusa, donde no se mantiene el ángulo relativo de los fotones.

Está preguntando si el impulso de los fotones se puede transferir a la superficie. Sí, los fotones pueden ejercer presión sobre la superficie del espejo.

Por favor vea aquí:

¿Puede algo sin masa ejercer una fuerza?

La respuesta es sí, pero el efecto es extremadamente pequeño. En una colisión elástica de un fotón con un objeto masivo que inicialmente está en reposo, la pérdida relativa de energía del fotón será

$$\frac{\Delta E}{E} = \frac{E}{E + mc^2/2}.$$ Asumiendo$mc^2\gg E$esto se reduce a $$\frac{\Delta E}{E} = \frac{2E}{mc^2}.$$ Para un solo electrón ($m=511\,\textrm{keV}/c^2$) y un fotón típico en el rango visible ($E=2\,\textrm{eV}$) esto equivaldría a aproximadamente$1/100,000$. Este es un límite superior del efecto. Fuera de los experimentos en trampas atómicas, la luz visible no se refleja en electrones individuales sino en sólidos. En este caso, el impulso de retroceso es absorbido por la mayor parte del sólido, que es mucho más pesada. Típicamente, la interacción inmediata de una onda de luz con la superficie de un sólido involucra a los átomos en un volumen cuyas dimensiones están dadas por la longitud de onda. Para luz visible ($\nu=O(500\,\textrm{nm}$) fácilmente terminas con cientos de miles de átomos (un espaciado típico es$10\,\textrm{nm}$absorbiendo colectivamente el retroceso, cada uno miles de veces más pesado que el único electrón de arriba. Tomando átomos de hidrógeno con los números anteriores, terminas con un factor de supresión adicional de$\approx 125,000,000$haciendo que el impacto del impulso de retroceso sea totalmente despreciable.

Vale la pena señalar que esta absorción colectiva de retroceso por un cristal es lo que condujo a la técnica experimental de espectroscopia de Mößbauer . A diferencia de su pregunta, aquí los ftones no se reflejan en el cristal, sino que son emitidos por núcleos excitados dentro del cristal. Aunque la lógica es la misma.

Usted preguntó acerca de la luz, pero la imagen cambia al pasar a energías de fotones más altas y, por lo tanto, longitudes de onda más cortas. Una vez que la longitud de onda del fotón se vuelve más pequeña que el tamaño de los átomos, el reflejo de los fotones por electrones individuales se convierte en un efecto importante. Para energías de fotones donde la masa del electrón es insignificante, la totalidad de la energía del fotón puede ser absorbida por el electrón. ¡Esta es la situación opuesta a la que describí anteriormente para la luz visible! Este tipo de procesos son un tipo de lo que se conoce como dispersión Compton .