Si las energías de los fotones son continuas y los niveles de energía atómica son discretos, ¿cómo pueden los átomos absorber fotones?

¡Esa es una muy buena pregunta!

Hay tres casos, el tercero de los cuales es el más fundamental y el más interesante.

El primer caso es la absorción incompleta , como un rayo gamma que suelta algunos electrones a su paso. En ese caso, las diferencias se resuelven localmente y de manera bastante trivial mediante la asignación de energía, impulso y giro de manera adecuada entre las partes que fueron golpeadas y el fotón restante.

El segundo caso es la absorción flexible , que es cuando el receptor objetivo es lo suficientemente grande y complejo para absorber cualquier diferencia entre la luz emitida y los receptores de nivel atómico del objetivo. Un buen ejemplo de este tipo de absorción flexible son las proteínas opsina en la retina de su ojo. Estas proteínas son lo suficientemente grandes y complejas como para que, como los guantes de un lanzador en el béisbol, la molécula como un todo pueda absorber la energía, el impulso y el espín de los desajustes de cualquier fotón que se encuentre dentro de un cierto rango bastante amplio de frecuencias y polarizaciones. Entonces, es alguna variante de esta categoría la que se ocupa de la flexibilidad necesaria en la mayoría de las formas de absorción de fotones.

El tercer caso y el caso más curioso ocurre cuando comienzas a mirar el lado cuántico de la pregunta.

Debido a la mecánica cuántica, ningún fotón tiene una ubicación, energía, momento o polarización verdaderamente exactos (o giro, básicamente su momento angular). Un fotón que ha viajado durante mucho tiempo a través del espacio interestelar, por ejemplo, lo hace bastante bien en cuanto a la precisión de su frecuencia (energía y momento), pero francamente está por todas partes en términos de dónde podría terminar en el espacio. No obstante, todavía tiene cierta incertidumbre residual en su frecuencia, incluso después de un largo viaje.

Al igual que con la flexibilidad local de los receptores como las opsinas, esta pequeña incertidumbre de la frecuencia cuántica también permite cierto margen de maniobra sobre si un fotón será absorbido o no por un electrón en un átomo. La descripción de la función de onda del fotón en ese caso le permite comportarse como cualquiera de un pequeño número de frecuencias cercanas pero distintas, una de las cuales se seleccionará cuando llegue incluso a un receptor flexible como una opsina.

Sin embargo, esta forma final de flexibilidad es un poco extraña. Si la energía (que es la misma que su frecuencia para un fotón en el espacio) se conserva absolutamente, ¿no es este poco de ambigüedad en cómo se "registra" el fotón con una proteína opsina en su ojo que va a causar una ligera desviación en algún lugar de la energía total del universo? Por ejemplo, ¿qué pasaría si el átomo original que emitió el fotón terminara en sus libros de contabilidad de energía como si hubiera emitido el fotón en el extremo inferior de la envolvente probable, pero los átomos en su proteína opsina interpretaron que tenía energía en el extremo superior?final de ese sobre? Si eso sucede, ¿no ha creado su ojo en ese caso una pequeña cantidad de energía que no existía antes en el universo como un todo, y por lo tanto violó la conservación de la energía por solo un poco?

La respuesta es intrigante y nada comprensible desde un punto de vista clásico.

Si bien la incertidumbre cuántica permite cierto grado de libertad que hace posible la absorción en un rango de frecuencias, lo hace a costa de nuestros conceptos habituales de localidad. Específicamente, cada evento de este tipo "enreda" la emisión y la absorción del fotón en un solo evento cuántico, sin importar cuán separados puedan parecer los eventos en el tiempo de reloj ordinario.

Cuando digo "entrelazar" me refiero a la palabra exactamente de la misma manera un tanto misteriosa que usan las personas que describen la computación cuántica. El entrelazamiento es una parte de la física que cruza los límites ordinarios del espacio y el tiempo de maneras muy extrañas, pero algún aspecto siempre está involucrado en los eventos cuánticos.

¿Que extraño? Bueno, si vives en el hemisferio norte, prueba esto alguna noche: averigua dónde está la galaxia de Andrómeda , sal y mírala. Entonces: ¿lo viste?

Si es así, simplemente se aseguró de que las frecuencias (energías) de cada fotón que vio ahora estén exactamente equilibradas en los implacables libros de conservación del universo con las energías anteriormente inciertas de los eventos de emisión de fotones que tuvieron lugar hace aproximadamente 2,5 millones de años . Este equilibrio en un sentido bastante real no ocurrió hasta que echaste un vistazo a la galaxia de Andrómeda y obligaste a esos fotones a abandonar su anterior incertidumbre. Así es como funciona todo enredo: la función de onda permanece abierta e incierta hasta que se produce una detección firme, luego, de repente y francamente como por arte de magia, todo se equilibra.

Y todo este tiempo pensaste que no había nada particularmente extraño en la visión ordinaria basada en la luz, ¿no?

Tenga en cuenta, sin embargo, que esta tercera forma de flexibilidad de recepción de fotones habilitada para el entrelazamiento solo funciona dentro de las limitaciones de la función de onda del fotón.

Esa observación sugiere un experimento que está estrechamente relacionado con su pregunta original, que es esta: ¿Si pudiera hacer que la función de onda del fotón se definiera de manera tan estricta y estrecha que la pendiente habilitada por el entrelazamiento ya no se aplica? ¿Se aplicaría entonces su pregunta sobre la "probabilidad cero", al menos en el límite de una función de onda sin ninguna incertidumbre?

La respuesta es sí.

Como resultado, puede aproximarse a ese límite de "no queda ambigüedad" en las funciones de onda de fotones simplemente aumentando la energía del fotón. En particular, cuando se sube al rango de fotones gamma, la absorción exacta y "sin patadas" (frente a la emisión) de un fotón comienza a convertirse en un evento realmente raro.

Esta especificidad de los fotones gamma se puede demostrar experimentalmente usando algo llamado efecto Mössbauer , que es en sí mismo un hermoso y decididamente extraño ejemplo de efectos cuánticos que inciden en la vida cotidiana a gran escala. En Mössbauer, los grupos de átomos dentro de trozos ordinarios de elementos a temperatura ambiente se comportan como si estuvieran completamente inmóviles. (Cómo lo hacen está más allá del alcance de esta pregunta, pero tiene que ver con una nueva forma de condensación de Bose-Einstein dentro de los modos de vibración de los átomos).

El efecto Mössbauer permite que su pregunta sea explorada experimentalmente en un laboratorio ordinario. Un grupo de átomos emisores de rayos gamma "inmóviles" envía rayos gamma a otro grupo de átomos "inmóviles" que pueden absorber exactamente esa frecuencia de fotones gamma. A continuación, intenta jugar con las frecuencias de los fotones gamma cada cierto tiempo poniendo uno de los grupos de átomos en movimiento lineal en relación con el otro.

Entonces, la pregunta se convierte en esta: ¿Qué tan rápido tienes que mover uno de los grupos de átomos (cuál no importa) antes de que el grupo receptor ya no pueda "ver" las frecuencias y absorber los fotones gamma?

Podrías pensar que tendrías que viajar a miles de millas por hora para tener un efecto tan profundo en algo tan energético como los rayos gamma, ¡pero es al revés! Incluso una diminuta velocidad de un centímetro por segundo es suficiente para causar una gran caída en el nivel de absorción de los fotones gamma.

Y es por eso que su pregunta es realmente interesante: porque tiene razón. Si bien se necesita algo de trabajo para configurarlo y algunos efectos bastante inusuales para probarlo, al final es muy poco probable que se obtenga una coincidencia exacta entre la frecuencia emitida por un átomo (o núcleo de un átomo) y las expectativas de frecuencia de el átomo absorbente. Es solo a través de tres factores de compensación (absorción incompleta, absorción local indulgente y entrelazamiento cuántico) que se obtienen los altos niveles de absorción de fotones "prácticos" que hacen posible el mundo tal como lo conocemos.

Aquí está la respuesta de un experimentador:

Usted declara:

La probabilidad de que un fotón tenga la cantidad justa de energía para una transición atómica es 0.

Debe tener en cuenta que la declaración cae solo por la existencia de láseres , por lo que su pregunta debe tener un cómo es posible tener láseres.

1) Un fotón individual no puede etiquetarse como continuo. Tiene una frecuencia específica nu y energía E=h*nu. Es el espectro de frecuencias de fotones que puede ser continuo. Puede haber millones de fotones en un nu específico, donde un delta (nu) como precisión de medición es inevitable.

2) Los niveles atómicos tienen un ancho medible. Es la razón por la que lo que se puede emitir se puede absorber como se ve a continuación.

espectro continuo

líneas de emisión

líneas de absorción

Por lo tanto, su pregunta se reduce a por qué las órbitas atómicas tienen un ancho , que es una pregunta diferente.

Hay varias razones para el ancho de las líneas:

• 3 mecanismos determinan el perfil φ(ν)

– Incertidumbre mecánica cuántica en la energía E de niveles con tiempos de vida finitos. --> el ancho natural de una línea (generalmente muy pequeño).

– Ensanchamiento por colisión. Las colisiones reducen la vida útil efectiva de un estado, lo que conduce a líneas más anchas. Alta presión -> más colisiones (por ejemplo, estrellas).

– Doppler o ensanchamiento térmico, debido al movimiento térmico (o turbulento a gran escala) de los átomos individuales en el gas en relación con el observador.

El análisis en la conferencia.

Aunque algunos niveles atómicos pueden ser teóricamente discretos (por ejemplo, los estados fundamentales), las frecuencias de las transiciones atómicas se definen por la diferencia de dos niveles atómicos y no son discretas, las bandas relevantes tienen un ancho finito (llamado ancho de línea natural). Además, existe el ensanchamiento Doppler, el ensanchamiento por colisión de la banda, etc. Entonces, la probabilidad de absorción de fotones puede ser finita.

En la mecánica cuántica también existe el principio de incertidumbre. Por energía ($\Delta E\cdot\Delta t \ge \hbar/2$) significa que el ancho de línea ($\Delta E$) es inversamente proporcional a la vida útil ($\Delta t$) del Estado. Si la vida útil es finita, el ancho de línea también es finito. Por lo tanto, sin ceros.

Esta es una muy buena pregunta.

Como dice Ben Crowell, el tiempo de vida del fotón es finito y, por lo tanto, su energía se distribuye en un rango de frecuencias, es decir, no es una función delta sobre una frecuencia específica.

La energía del fotón se puede obtener integrando todo el espectro y puede ser la correspondiente al pico, E= h•f donde f es la frecuencia donde se encuentra el pico.

De todos modos, en este caso, ¿debemos asignar la frecuencia "f" a este fotón y esperar que cuando sea absorbido transfiera h•f eV al electrón absorbente?

Otra duda es como queda el paquete de ondas en el espacio ya que tiene que respetar las ecuaciones de Maxwell y por lo tanto no puedes colocar una ventana cuadrada con N periodos y dejarla feliz... Los haces gaussianos pueden ser buenos candidatos...

Lo siento si no puedo ser más preciso sobre este asunto tan interesante y también me disculpo por mi inglés.