¿Razón física por la que la longitud de onda define la abertura de tamaño mínimo que puede atravesar una onda electromagnética?

Question

Me cuesta entender por qué la longitud de onda restringe el paso de una onda a través de un agujero más pequeño que esa longitud de onda. Por ejemplo, en un microondas, la rejilla frontal impide la salida de las microondas, pero deja pasar la luz visible.

La imagen que tengo en mi mente es una cuerda en el espacio que representa un solo fotón, esta cuerda tiene una onda que se propaga hacia abajo con longitud de onda, digamos 1 metro, pero la amplitud de la onda es de 1 mm. Así que incluso con una longitud de onda de 1 metro me parece que la cuerda puede pasar fácilmente por cualquier agujero de tamaño 1 mm o mayor. Estoy seguro de que esta analogía es errónea, pero no entiendo por qué. ¿Podría alguien explicarme la razón física por la que la longitud de onda define la abertura de tamaño mínimo por la que puede pasar una onda electromagnética y por qué mi analogía no funciona?

Answer 1

Hay que distinguir entre conductores y no conductores. Si el material no es conductor, la radiación electromagnética puede atravesar un orificio de cualquier tamaño, independientemente de que el orificio sea mayor o menor que la longitud de onda. La potencia transmitida no es más que la potencia incidente por unidad multiplicada por el área del orificio, exactamente como cabría esperar. Todo muy aburrido en realidad.

Pero mencionas la pantalla en un microondas, y en este caso la pantalla es conductora, lo que cambia completamente el comportamiento. La onda EM incidente induce oscilaciones en el metal de la pantalla, y estas oscilaciones irradian EM que interfieren con la onda incidente. Es este proceso el que bloquea la onda incidente. El proceso es puramente clásico y no requiere apelar a la existencia de fotones.

Las pantallas conductoras como la pantalla de un microondas se conocen genéricamente como pantallas de Faraday o más comúnmente como pantallas de Jaulas Faraday . Calcular la relación entre el tamaño del orificio y la intensidad transmitida es un asunto algo tortuoso, pero resulta que hay una excelente descripción del cálculo aquí en este sitio en David La respuesta de ¿Cuál es la relación entre el tamaño de la malla de la jaula de Faraday y la atenuación de las señales de recepción de los teléfonos móviles? .

Answer 2

El problema puede ser que usted está pensando en una cadena. También puede ser que estés mezclando las visiones clásica y cuántica de la física. En cualquier caso, probemos con algunas imágenes visuales.

Pasemos a las 2 dimensiones. Un campo eléctrico clásico en un punto te dice que sobre la fuerza en una carga de prueba en ese punto. Puedes representarlo como una flecha. Si pones una flecha en cada punto de un plano, podrías obtener algo parecido a un campo de trigo. Un campo eléctrico llena el espacio. Así que realmente tienes que imaginar un montón de campos de trigo. Pero el 2D es útil para hacerse una idea.

Ahora imagina un viento racheado que sopla por el campo, moviendo las flechas de un lado a otro. Esto da la idea de una onda electromagnética. En los libros de texto se habla sobre todo de ondas que oscilan regularmente de un lado a otro, porque son las más sencillas de analizar y porque las ondas suelen ser así. Pero no tienen por qué ser regulares.

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Para una onda electromagnética, el "viento" es en realidad campos eléctricos y magnéticos cambiantes generados por cargas en movimiento. La mayoría de las cargas móviles son electrones, y la mayoría de los electrones se encuentran en los átomos. Se necesita la mecánica cuántica para describir cómo se comportan los electrones en los átomos, sobre todo si se quiere pensar en un solo fotón. Una simple imagen de una partícula vibrante no funciona.

Del mismo modo, la idea de una onda electromagnética cambia en la mecánica cuántica. Un solo átomo puede emitir un fotón. Algún tiempo después, un átomo distante puede verse afectado por el fotón. El átomo contiguo no sentirá nada. En mecánica cuántica, las ondas describen probabilidades. Indican dónde es probable que los átomos se vean afectados y dónde es probable que no.

El campo eléctrico clásico funciona cuando hay muchos fotones. Las regiones donde la probabilidad es alta reciben más fotones. Las cargas de prueba sienten allí una fuerza mayor. La intensidad de la onda electromagnética es alta. La intensidad de la luz es alta. Las regiones donde la probabilidad es baja son más oscuras.

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Volviendo al viento racheado, cabe preguntarse con qué rapidez puede cambiar el viento, de modo que el trigo sople a la izquierda, luego a la derecha y de nuevo a la izquierda. Otra pregunta relacionada es a qué distancia se doblan los tallos hacia la izquierda y hacia la derecha. Estas preguntas corresponden a la frecuencia y la longitud de onda de la onda electromagnética.

Una de las reglas de la mecánica cuántica es que las altas frecuencias requieren altas energías para generarse. No puedo dar ninguna razón mejor para ello que la de que así es como funciona el universo.

Las microondas se generan mediante procesos de baja energía. Tienen frecuencias bajas y longitudes de onda largas. La luz visible es de mayor energía, mayor frecuencia y menor longitud de onda.

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Volviendo a una imagen clásica, la rejilla de un horno microondas está formada por tiras de conductor eléctrico con aislante entre ellas. Los electrones pueden fluir libremente en un conductor, pero quedan retenidos en un aislante.

Cuando una onda electromagnética incide sobre un conductor, las fuerzas que actúan sobre los electrones libres los hacen vibrar. Cuando esto ocurre, la onda es absorbida. Los electrones vibrantes emiten una nueva onda electromagnética.

En un espejo liso, la onda emitida es igual que la onda incidente, salvo que va en una dirección diferente.

Si el espejo tiene agujeros, hay que sumar las partes de la onda procedentes de todas las partes del espejo y de los agujeros para saber cuánto se transmite y cuánto se refleja. Cuando sumes ondas, ten en cuenta que se refuerzan cuando están en fase y se anulan cuando están desfasadas.

Para rejillas con orificios más pequeños que la longitud de onda, resulta que pasa muy poco a través de la rejilla. Todo se anula.

Answer 3

Parece lógico que un fotón tenga que tener una sección transversal. Pero como la QED se aplica a todo y no sólo a las interacciones internas del núcleo, el fotón como partícula indivisible está "pasado de moda". Ahora un fotón es una excitación en un campo electromagnético global. Este campo es infinito, por lo que incluso desde el punto de vista metodológico no es posible buscar la sección transversal.

Que cada fotón tiene un centro es indudable, sólo que en este caso los fotones son capaces de eliminar electrones de los metales. Nunca he visto una respuesta a su pregunta, o una vaga sólo como "anchura de la rendija tiene que ser x veces de la longitud de onda".

Además se desplaza que las distribuciones de intensidad aparecen detrás de cada borde, no sólo detrás de las rendijas. Por lo tanto, la anchura de las rendijas es importante para dejar pasar la luz y la anchura de las rendijas es importante para la calidad de la distribución de intensidad. Si se toman dos bordes, se obtienen en cualquier caso dos distribuciones de intensidad de alta calidad detrás de cada borde. Acerque los bordes y obtendrá una rendija. Durante el movimiento los patrones de intensidad se superponen y en algún momento se obtiene un patrón bonito y en algún momento un patrón borroso. Esto te ayudara a entender como funciona el fenomeno en detalle. Pero decir algo sobre la sección transversal de los fotones solo sería posible si el fotón tiene componentes finitos de campo eléctrico y magnético.