¿Cómo se explica el siguiente fenómeno de la óptica clásica en la electrodinámica cuántica?
De acuerdo con el modelo del átomo de Schroedinger, solo se emiten colores particulares según el tipo de átomo y el estado de sus electrones. Entonces, ¿cómo es posible que un mismo tipo de materia cambie de color en relación con la temperatura? Por ejemplo, el agua es transparente con un tinte azul claro, pero la nieve es blanca (lo que significa, básicamente, que los fotones no tienen un color particular en el espectro visible).
Dividir por solicitud: vea la otra parte de esta pregunta aquí .
Es importante distinguir las diferentes fases del material. Si bien es cierto que el agua y la nieve se componen de los mismos componentes básicos de , esos bloques individuales en realidad no son tan importantes como el material resultante. Puedes construir una sala de almacenamiento y pirámides con ladrillos (al menos en principio).
Comencemos con el caso más simple. Más simple en el sentido de que no sucede mucho, solo moléculas volando. Supongamos un gas ideal donde las moléculas no interactúan entre sí. Luego, para explicarlo todo, basta mirar una sola molécula.
El color de la molécula, por supuesto, surge debido a su espectro de absorción. Esto a su vez depende de los niveles de energía de la molécula. Para los átomos, estos son niveles discretos bastante agradables. Para moléculas más complicadas, también tiene que tener en cuenta los grados de libertad de rotación y vibración y, además de los niveles discretos, también verá tiras continuas que consisten en niveles de energía muy finos correspondientes a eso. Para una ilustración, consulte el artículo de wikipedia sobre hidrogeno _
En cualquier caso, si de alguna manera puede obtener ese espectro de energía, puede investigar las propiedades macroscópicas por medio de las estadísticas habituales de Boltzmann.
con siendo la función de partición, la temperatura inversa y proyector encendido -ésimo nivel de energía.
Usando esto, puede ver que a medida que aumenta la temperatura, la distribución del nivel de energía cambiará para ocupar niveles más altos y esto, a su vez, cambiará la probabilidad de procesos de absorción individuales entre ciertos niveles.
Ahora, el único lugar donde necesita hablar sobre QED es la conexión entre el espectro de absorción y los niveles de energía. Recuerde que en la mecánica cuántica los niveles de energía son estables . No cambian, por lo que no habría ni emisión ni absorción. Para resolver esta aparente paradoja debemos recordar que olvidamos cuantizar el campo electromagnético. Si tiene esto en cuenta, los niveles de energía excitada del átomo ya no son estables debido a las fluctuaciones del campo electromagnético. O en términos de partículas: porque el número de partículas no se conserva y es fácil crear fotones de la nada. Por supuesto, la energía se conserva, por lo que solo son posibles los fotones correspondientes a la diferencia de energía. Y lo mismo puede decirse de la absorción.
Por ahora no hablaré de estas fases porque la respuesta se está haciendo larga y porque las propiedades ópticas de los sólidos constituirían un libro propio . En cuanto a los líquidos, tengo la sensación de que debería mantenerse el mismo análisis que para los gases, excepto que, por supuesto, ya no es suficiente hablar de moléculas individuales debido a interacciones no despreciables. Pero supongo que comenzar con las estadísticas del gas ideal y simplemente cambiar la temperatura debería dar una primera aproximación razonable.
Observación: Mirando hacia atrás en la respuesta, realmente no expliqué su pregunta por completo. Pero supongo que es porque es bastante difícil abarcar todo lo que está pasando. ¿Tal vez estaría en orden otra división y especialización (por ejemplo, al color de los sólidos) de la pregunta? :-)