Qué ocurre con los momentos de los fotones cuando la luz entra en un medio

Question

La luz se refracta al penetrar en un medio a medida que disminuye la velocidad porque cambian la permitividad y la permeabilidad. Entonces, ¿hay un cambio de momento de un fotón que entra en un medio refractivo? Y si hay un cambio de momento, ¿cómo se justifica el cambio instantáneo del mismo?

También una pregunta más: la luz se refracta para tomar el camino más corto. Pero cuando la luz se refracta para hacerlo, lo hace en línea recta. Esto suena como si la luz conociera el medio que tiene delante. Entonces, ¿cómo es que no se necesita ningún tiempo para que se produzcan las refracciones cuando la luz entra en el medio?

Answer 1

Como el momento se conserva, el momento del dieléctrico más el fotón debe ser igual al del fotón libre. Por tanto, parte de la energía y del momento del fotón original residen en el medio. La descripción de las leyes de conservación no está exenta de controversia en general en la teoría actual y no voy a resolverla aquí.

Answer 2

Usted pregunta por el nivel QM, por lo que ocurre con los fotones. Lo que realmente le ocurre al fotón cuando viaja a través del medio, depende también del medio. En el aire, por ejemplo, es la dispersión de Rayleigh (da color azul al cielo), en otros medios podría ser diferente tipo de dispersión.

Es muy importante entender que según QM todo son probabilidades. Un fotón puede ser dispersado (o absorbido) de diferentes maneras.

Cuando un fotón intenta entrar en el medio, pueden ocurrir dos cosas:

1. reflexión (dispersión elástica), y el fotón no entra en el nuevo medio, vuelve al medio original, el fotón mantiene su energía, cambia de ángulo (cambio del vector momento). En este caso, el fotón ejerce presión sobre la superficie del medio reflectante (como un espejo), esto se llama presión de radiación, y así es como funcionan las velas solares.

https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pressure

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail

2. refracción, el fotón entra en el nuevo medio, pueden ocurrir tres cosas:

   • dispersión elástica, el fotón entra en el nuevo medio, y se dispersa elásticamente, mantiene su energía, cambia de ángulo (cambio del vector momento) al interactuar con los átomos del medio a medida que avanza en el medio, esto es como en el aire, dispersión de Rayleigh.

https://en.wikipedia.org/wiki/Elastic_scattering

• dispersión inelástica, el fotón cede parte de su energía al átomo/electrón y cambia de ángulo (cambio del vector momento). Aquí es donde la energía de los fotones se convierte en parte en energías de vibración y rotación de las moléculas, calentando el material.

https://en.wikipedia.org/wiki/Inelastic_scattering

• absorción, el fotón cede toda su energía y momento al átomo/electrón, y deja de existir. El átomo recibe un retroceso (se lleva todo el momento).

El resto del impulso hace que el átomo retroceda.

¿Adónde va el momento cuando el átomo absorbe un fotón?

Answer 3

Voy a agitar la mano cómo entiendo lo que es se muestra matemáticamente aquí.

La radiación electromagnética clásica está compuesta por fotones. Los fotones no se describen mediante las ecuaciones de onda de Maxwell que describen la luz.

Los fotones son partículas de mecánica cuántica, y se describen mediante un función de onda $Ψ$ que depende del problema de condiciones límite en su forma matemática. En un medio esto irá cambiando según las dispersiones mecánico cuánticas del fotón con los distintos átomos del medio, en este caso una red ya que se supone transparencia.

La onda EM clásica es una superposición/sumación de zillones de fotones funciones de onda y es esta función de onda total la que dará el $Ψ^*Ψ$ la descripción mecánica cuántica de la onda luminosa clásica.

Pictóricamente, se puede pensar que los fotones individuales tienen pistas más largas debido a la dispersión, por lo que tardan más tiempo en salir del medio. La confluencia de fotones sigue constituyendo la onda clásica. Nótese que a menos que el medio cambie el color de la luz, los fotones no pierden energía/momento apreciable (dentro de la incertidumbre de Heisenberg), es el cambio en su dirección lo que hace la ralentización de la luz EM que construyen, siguen yendo con velocidad c en el vacío ya que, para los fotones, la mayor parte del espacio está vacío.

Pregunta tú:

Esto suena como si la luz supiera del medio que tiene por delante. Entonces, ¿cómo es que no se necesita ningún tiempo para que se produzcan las refracciones cuando la luz entra en el medio?

Si la confluencia de fotones tras su dispersión con la red no volviera a construir un haz de luz, significaría que el medio no es transparente. Es el posicionamiento matemático de los átomos de la red lo que permite la dispersión de los fotones para que el haz se construya en el medio, pero sólo con una velocidad diferente a c ( los fotones siempre tienen c). En mecánica cuántica la solución es entera en este caso la dispersión de zillones de fotones en un enrejado .

No es la luz la que "sabe", sino la matemática de los fotones que se dispersan en una red transparente.