En la dispersión, ¿cómo "sabe" una partícula en qué dirección está siendo iluminada?

Question

En los experimentos de dispersión, por ejemplo, la dispersión de la luz, la fuerza de dispersión de las partículas de diferentes tamaños se representa como sigue.

Lo que no consigo entender es: ¿cómo sabe una partícula en qué dirección viene la luz y, por tanto, en qué dirección debe sesgar la dispersión (como en el caso de las partículas grandes)? Por ejemplo, si sólo pensamos en las oscilaciones del electrón, ¿no se producen perpendicularmente a la fuente de luz?

Así que en mi ejemplo de abajo, tengo una partícula siendo iluminada desde la izquierda, y otra desde la derecha. Si miráramos SOLO las oscilaciones del electrón dentro de la partícula, ¿no estarían haciendo exactamente lo mismo? Entonces, ¿cómo parece que la onda dispersa "sabe" dónde están los 0 grados en relación con el rayo entrante?

Para aclarar que no estoy hablando de la interferencia dependiente del ángulo debido a Rayleigh o Dispersión de Mie . Espero que esto tenga sentido.

Answer 1

Es el impulso el que define la dirección de entrada y la transferencia de impulso la de salida.

Los fotones , llevan mecánicamente un momento igual a p=h*nu/c . El momento es un vector y define direcciones.

Un campo electromagnético es una cantidad clásica emergente construido por innumerables fotones.

Existe también un impulso definido para el campo clásico donde el Poynting vector define la dirección, si se ignoran las dimensiones cuánticas, pero se está hablando de electrones que son partículas elementales mecánicas cuánticas.

Answer 2

Permítame ofrecerle una versión ligeramente modificada de su pregunta para ilustrar una forma de reformularla su proceso de pensamiento.

¿Cómo sabe una bola de billar desde qué dirección le ha golpeado la bola blanca?

La respuesta es la misma en el sentido de que "la partícula" no sabe por sí misma, "el sistema" 1 tiene ciertas cantidades invariantes (como el momento y la energía) y algunas de ellas son vectores y tienen direcciones incorporadas. Al igual que la bola blanca, la luz incidente lleva energía, momento y momento angular y esas cantidades conservadas deben ser respetadas por el estado final del sistema.

Este enfoque es, quizás, más natural si se utiliza una imagen cuantificada (es decir, fotones) de la luz, pero sigue siendo aplicable con una visión clásica en la que la entrada de energía y momento es continua.

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1 Es decir, "la partícula" y la luz incidente o la combinación de las dos balsas.

Answer 3

Esto es sólo un complemento de las respuestas anteriores que dan la respuesta correcta. Si quieres pensarlo de forma intuitiva, imagina que la interacción entre los electrones y los fotones se hace más débil. En el límite en que se hace casi nula, la luz casi no se dispersará y continuará en una trayectoria recta.

Answer 4

La dispersión Mie y la dispersión Raleigh son efectos clásicos. No debería ser necesario hablar de fotones en ninguna respuesta.

La direccionalidad de la dispersión en ambos casos viene determinada por la polarización de los vectores del campo eléctrico entrante.

En ambos casos, la luz puede polarizarse en un plano perpendicular a la dirección de la onda electromagnética transversal entrante. Esto define dos direcciones en el espacio: la dirección del vector del campo eléctrico y el vector de onda de la onda electromagnética.

Para la luz no polarizada, el vector del campo eléctrico sigue estando en el plano perpendicular al vector de onda, por lo que sigue habiendo una dirección definida asociada a la radiación entrante, que es perpendicular al plano del campo eléctrico.

En el caso de la dispersión de Rayleigh, la dispersión de la luz polarizada linealmente es direccional en el sentido de que tiene el patrón de radiación dipolar clásico, sin que se emita radiación a lo largo del eje de oscilación, que es la dirección de polarización de la onda entrante. En el caso de la luz no polarizada, no hay una dirección preferente de dispersión y a la partícula que se dispersa no le importa de qué dirección viene la onda.

En el caso de la dispersión de Mie existe direccionalidad independientemente de si la luz entrante está polarizada o no. La direccionalidad viene impuesta por las condiciones de contorno del problema, del mismo modo que la ley de Snell para la luz transmitida a través de una interfaz viene definida por el ángulo entre la normal a la superficie (de una partícula en este caso) y la dirección de la onda electromagnética incidente. La dirección de la onda electromagnética incidente es a su vez perpendicular al plano del campo eléctrico.

A un nivel más profundo, estoy seguro de que es cierto que la dirección del vector momento de los fotones constituyentes, que coincide con la dirección de la onda electromagnética y con el vector de Poynting del campo electromagnético establece un eje y una dirección fundamentales para el problema, pero los conceptos de fotón o de hecho el vector de Poynting no son necesarios para predecir las propiedades de dispersión.