¿Por qué los electrones absorben y reemiten fotones?

Question

Hasta cierto momento, me dijeron que los fotones, también conocidos como luz, eran sólo una onda de energía. Luego me dijeron que no, que la luz es en realidad una partícula. Y los electrones de un átomo la absorben y la reemiten. Pero, ¿por qué los electrones se molestan en absorber y reemitir la luz y no la dejan pasar todo el tiempo? (Un electrón también sería inestable al absorber la energía y por eso la reemite pero en primer lugar ¿por qué la absorbe?)

*Nota: Se hizo una pregunta similar anteriormente ( ¿Cómo absorbe o emite luz un electrón? ) pero mi pregunta no es la misma. La pregunta anterior era cómo pasa y pregunto por qué ocurre.

Answer 1

Y los electrones de un átomo lo absorben y reemiten. Pero, ¿por qué los electrones se molestan en absorber y reemitir la luz y no la dejan pasar todo el tiempo?

Hay un malentendido básico en su pregunta.

Un electrón es un partícula elemental de masa fija. Puede dispersar de un fotón, (que también es una partícula elemental); si se acelera puede emite un fotón, pero no lo absorbe, porque la masa del electrón es fija, y si pudiera absorber un fotón -en el centro de masa del electrón- la masa tendría que cambiar, lo que contradice las observaciones y la relatividad especial para las partículas elementales.

Los términos absorción y absorbe no son utilizables con electrones libres. Son los electrones ligados en un sistema atómico, los que pueden cambiar los niveles de energía en el átomo cuando el el átomo absorbe un fotón . Así que no es el electrón el que absorbe el fotón, sino el átomo.

El átomo tiene niveles de energía y si la energía del fotón coincide (dentro de un pequeño $E$ la anchura del nivel de energía) con la energía de transición de patear un electrón a un nivel de energía vacío, entonces el átomo puede absorber el fotón (no el electrón). Por lo tanto, el respuesta al "por qué" , arriba, es "porque el fotón tiene la energía adecuada para transferir el electrón a un nivel de energía vacío" .

Si la energía del fotón no coincide con la energía de transición del átomo, el fotón puede dispersarse con los campos eléctricos de desbordamiento del átomo o la molécula, ya sea de forma elástica, o transfiriendo energía y un fotón de menor energía sigue su camino.

La idea relevante que hay que mantener es que una partícula elemental no puede absorber un fotón. Las compuestas, como los átomos, las moléculas y los entramados, sí pueden.

Answer 2

Pero, ¿por qué los electrones se molestan en absorber y reemitir la luz y no sólo dejarla pasar todo el tiempo? (Un electrón también sería inestable al absorbiendo la energía y por eso la reemite, pero en primer lugar ¿por qué la absorbe?)

Una pregunta similar podría hacerse sobre macroobjetos, por ejemplo, un péndulo.

Si empujas un péndulo va hacia arriba y luego baja. Entonces, ¿por qué, se podría preguntar, se molesta en subir, si después va a bajar? ¿Por qué absorbe la energía de un empujón en lugar de ignorarla?

Supongo que una respuesta simplista es que absorbe la energía porque recibe un golpe directo y no le corresponde al péndulo decidir si debe tomarla o simplemente ignorarla.

Answer 3

En realidad se trata de dos preguntas: ¿por qué los electrones interactúan con los fotones y por qué los átomos absorben los fotones?

¿Por qué interactuar con los fotones?

Se puede entender por qué los electrones interactúan con los fotones considerando la teoría cuántica de campos relativista. Para combinar la mecánica cuántica con la relatividad especial, hay que pensar que la realidad está formada por "campos cuánticos". Un campo es algo que tiene un valor en cada lugar, por ejemplo $\Phi(x,t)$ puede ser un campo (dependiente del tiempo), el valor de la función significa el valor en cada punto del espacio (y cada tiempo t). Un campo clásico, no cuántico, simplemente tiene un valor en cada lugar - se puede pensar en él como la altura de algún sistema, digamos la desviación del equilibrio de un oscilador, en cada punto del espacio. A quantum tiene en cambio un campo quantum en cada punto del espacio; se puede pensar que tiene un oscilador armónico cuántico en cada punto del espacio. El estado del sistema puntual, es decir, la desviación de este oscilador respecto al equilibrio, es la "altura" del campo en ese punto del espacio.

Ahora bien, un principio básico de la mecánica cuántica es que el fase del estado cuántico no importa. Para trasladar este principio a un campo cuántico, las ecuaciones que describen la física del sistema, conocidas como el Lagrangiano, tienen que no cambiar si cambiamos las fases de los estados de los puntos en el espacio. Este requisito se conoce como "simetría gauge". Ahora bien, resulta que es bastante difícil construir un lagrangiano con simetría gauge utilizando sólo expresiones estándar como las derivadas. En cambio, para mantener la simetría gauge hay que introducir otro campo cuántico conocido como campo gauge. Esta es la única manera de mantener la simetría gauge, es decir, de mantener el requisito de que la fase de un estado cuántico no tiene significado físico.

Así que si se intenta construir leyes físicas (un lagrangiano) para describir un campo de materia simple (por ejemplo, el campo de un electrón), hay que introducir un campo "gauge" adicional que interactúe con él. Las ondas del campo de materia serán las partículas de materia, como los electrones. Las ondas del campo gauge serán las partículas portadoras de fuerza, como los fotones.

Resumiendo entonces, la razón por la que un electrón interactúa con los fotones es que un electrón es realmente una onda en un campo cuántico (relativista), y estas ondas tienen que interactuar con ondas en el campo electromagnético (gauge), que llamamos fotones, para que el campo del electrón sea un campo cuántico (es decir, para que la fase de los estados puntuales carezca de significado físico).

¿Por qué los átomos absorben los fotones?

Anna v ya ha explicado muy bien por qué un electrón elemental no puede absorber un fotón, sino que tiene que dispersarlo, ya que la energía del electrón y, por tanto, su masa no pueden aumentar en su marco de reposo. Pero, ¿por qué los átomos absorben fotones?

El punto importante aquí es que no se puede "apagar" la interacción electromagnética para un efecto y mantenerla "encendida" para otro. Si construyes una ecuación que describa un electrón que es atraído a un núcleo positivo por la fuerza electromagnética, entonces esto mismo sistema también se verá afectado por las ondas del campo electromagnético.

Así que las mismas ecuaciones que describen las órbitas estables (los niveles/orbitales de los electrones) debido a la interacción electromagnética con el energía potencial del núcleo, también describen una respuesta a un onda electromagnética (normalmente se trata sólo como una perturbación del estado estable). Y esta interacción con las ondas equivale a aniquilar un modo normal de la onda (aniquilando un fotón), mientras que al mismo tiempo aumenta la energía para mantener la conservación de la energía. (O, a la inversa, creando una onda en modo normal y disminuyendo la energía).

Answer 4

Imagina una caja cúbica en equilibrio térmico con una temperatura ambiente $T$ y pensemos que en esta caja hay un campo electromagnético (es decir, fotones) y también un gas de átomos (es decir, fermiones).

Como probablemente sabes, los fotones son continuamente absorbidos y emitidos por las paredes de la caja y tienden a alcanzar la distribución de frecuencia de Planck en el equilibrio térmico. Es importante notar que este proceso de absorción y reemisión continua de los fotones por las paredes de la caja (¡es decir, por la materia!) está siempre presente cuando juntas materia y luz. Esto es fundamental si se quiere llegar a la distribución de Planck, porque ésta tiene un potencial químico $\mu=0$ (es decir, el coste energético para producir (o matar) un fotón es prácticamente nulo).

Si este marco está claro, ahora tienes que entender con seguridad que estos fotones se mueven dentro de esta caja. Durante el movimiento se dispersarán con los electrones de los átomos del gas porque la sección transversal elctrón-fotón no es cero: este proceso de dispersión caracteriza la interacción entre los fotones y los electrones y, por tanto, la excitación resultante de los átomos.

La respuesta a su pregunta puede ser:

Interactúan con los electrones, porque hay un proceso continuo de reequilibrio de la luz y la materia que conviven para alcanzar el equilibrio térmico de los fotones dado por la distribución de Planck. Este proceso está hecho de absorción y emisión de fotones por parte de la materia. Significa que los fotones se mueven, pero si se mueven significa que hay una probabilidad de dispersión -> interacción no nula.

Answer 5

Creo que es una muy buena pregunta, en el sentido de que es realmente difícil de responder de forma clara e intuitiva. Esta es mi opinión, y hay que admitir que es lo que Terry Pratchett solía llamar una buena mentira (es decir, da la sensación de ser intuitivamente "correcta", pero probablemente no sea objetivamente cierta):

En física, tenemos campos, que se describen como algo que impregna el espacio; el campo eléctrico es una de esas cosas. Por otro lado, tenemos "masas" o "cargas": alguna cantidad que interactúa con campos de determinados tipos; la carga eléctrica interactúa con el campo eléctrico, por ejemplo. Esto significa que una carga se rodea de alguna manera de un campo, y si cambias la posición de la carga, el campo tenderá a moverse con ella - pero esto no ocurre instantáneamente, el cambio del campo se propaga desde la carga siguiendo una forma de onda. Estoy tratando de escoger mis palabras con cuidado, por eso suena un poco confuso - la forma en que el campo cambia se puede describir usando senos y cosenos, básicamente.

Esto es similar a lo que ocurre con un corcho que flota en el agua: si se empuja el corcho, el agua se tambalea, se propaga una onda y luego se desvanece - se trata de una "partícula ondulatoria", si se quiere, sólo que se propaga uniformemente en todas las direcciones - no creo que sepamos realmente por qué los fotones parecen ser más partículas que esto. Sin embargo, este ejemplo también ilustra cómo el campo puede influir en la partícula: cuando una onda pasa por el corcho, éste se tambalea, y lo mismo ocurre sin duda con los electrones.

Algunas de las respuestas anteriores han postulado que los electrones libres no absorben los fotones, y creo que eso no es del todo cierto: si un fotón choca con un electrón, perderá algo de energía, que se transfiere al electrón; en mi opinión eso significa que parte de la energía fue absorbida. Nunca hemos visto que un fotón sea totalmente absorbido por un electrón libre, y no encaja con las teorías actuales, pero no creo que el estado de la física experimental permita descartar que pueda ocurrir. Además, no estoy convencido de que podamos explicar por qué y cómo un fotón puede ser absorbido completamente por un electrón ligado; la mecánica cuántica parece bastante imprecisa en cuanto a los detalles, lo cual quizás no sea sorprendente, ya que es una teoría probabilística/estadística: describe lo que ocurre en promedio, no lo que necesariamente ocurre con las partículas individuales.

Lo siento, si esta última parte ha sido un poco rancia: Soy un matemático que trata de entender los fundamentos de la física, y me resulta difícil.