¿Qué sucede cuando un fotón "muere"?

Question

Según entiendo, un fotón se produce, o "nace", siempre que un electrón se mueve de un estado de alta energía a su estado de energía normal.

El fotón luego viaja a la velocidad de la luz a través del espacio en línea recta hasta que golpea otro átomo, o más bien, interactúa con la(s) capa(s) de electrones de ese átomo. La firma de energía del fotón puede cambiar en este punto.

El fotón luego puede rebotar en ese átomo, y continuará viajando a través del espacio a la velocidad de la luz hasta que golpee otro átomo. Y así sucesivamente.

(Por favor corríjame si alguna parte de mi entendimiento aquí está equivocada.)

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Sin embargo, lo que quiero saber es qué sucede cuando la luz se detiene, y cómo esto se relaciona con el fotón. Quiero saber qué sucede cuando un fotón "muere" - no en un sentido literal, solo en el sentido de cuando ha terminado su viaje de rebotar de átomo en átomo.

Si te paras en una caverna enorme y totalmente oscura, y brillas una linterna, la luz solo llegará hasta cierto punto. ¿Estoy en lo cierto al asumir que los fotones producidos por la linterna eventualmente dejan de rebotar de átomo en átomo, o continúa el viaje del fotón y simplemente es indetectable para los ojos humanos?

De manera similar, el color negro "absorbe la luz" - ¿esto significa que el color negro está "comiendo" fotones? ¿La energía se transfiere a los electrones del material negro? ¿Qué sucede con esta energía?

Y finalmente, ¿ocurre la misma "muerte de fotón" cuando un fotón golpea la retina en el ojo de una persona?

En resumen, ¿qué sucede cuando un fotón muere?

Answer 1

Esta pregunta trata sobre la naturaleza del campo electromagnético. El campo electromagnético es un sistema físico que se describe más plenamente por la teoría cuántica de campos, y los resultados coinciden con los de la teoría de campos clásica en ciertos casos límite. El 'fotón' es una imagen física que nos da una forma útil de imaginar ciertos aspectos de este campo. Es principalmente una forma de rastrear movimientos de energía.

Lo principal que necesitas saber es que la energía se conserva, pero los fotones no. Cuando la energía se mueve de alguna otra forma a una forma electromagnética, entonces se crean fotones. Cuando la energía se mueve de una forma electromagnética a otras formas, entonces los fotones se destruyen.

Otra forma de decir lo mismo es notar que cuando un electrón se mueve de un nivel de energía más alto a uno más bajo en un átomo, lo hace a través de la forma en que su carga empuja sobre el campo electromagnético circundante, causando que vibre a una amplitud más alta (tanto la parte eléctrica como la magnética comienzan a vibrar). Esta vibración, cuando ocurre a una frecuencia fija, puede modelarse convenientemente diciendo que tiene una cantidad fija de energía, igual a $h f$ donde $h$ es la constante de Planck y $f$ es la frecuencia. Si este $h f$ es igual al cambio de energía $\Delta E$ en el átomo, entonces decimos que se ha creado un fotón. También puedes encontrar casos donde se producen dos fotones, uno a frecuencia $f_1$ y otro a $f_2$, y luego $h f_1 + h f_2 = \Delta E$. Este tipo de proceso es mucho más raro pero ilustra que la energía se conserva, pero una cantidad dada de energía puede expresarse físicamente de más de una manera.

Eventualmente un fotón puede llegar a otro átomo y ser absorbido. Lo que sucede entonces es que el campo electromagnético en oscilación empuja sobre los electrones dentro del átomo, hasta que uno de ellos gana un poco más de energía. La vibración del campo entonces disminuye a medida que se transfiere la energía. Resumimos el proceso diciendo que el fotón ha sido absorbido. O, si prefieres, el fotón 'muere'. Esta es simplemente otra forma de decir que el campo ha dejado de vibrar.

Answer 2

Un fotón es simplemente una onda de cambio en el campo electromagnético de fondo. O, para ser más preciso, es un paquete de energía electromagnética que es irreducible sin alterar su frecuencia de oscilación.

Sabiendo esto, un fotón "nace" cuando una forma de energía se convierte en energía electromagnética (por ejemplo, de la energía potencial de un electrón al pasar del estado excitado a un estado más bajo o de la energía térmica en la emisión de cuerpo negro o de la energía de masa en la aniquilación de partículas). Un fotón, en cambio, "muere" cuando su energía electromagnética se transforma en otra forma de energía. Algunos ejemplos de esto podrían ser a través de la excitación de un electrón en un átomo, podría ser absorbido y convertido en energía térmica, podría usarse en la producción de pares de partículas, o podría convertirse en masa al caer en un agujero negro.

Eso es todo. Sabiendo que un fotón es solo un paquete de energía significa que se aplican las reglas de conservación de la energía. La energía no puede ser creada ni destruida*, simplemente transformada en otra forma. Por lo tanto, un fotón puede ser transformado en otra energía y, por lo tanto, "morir" por cualquier medio que podríamos usar para convertir la energía de una forma a otra.

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$^{\text{* esto es localmente cierto}}$

Answer 3

solo queriendo aprender más al respecto.

Comienza con el espectro electromagnético que tiene frecuencias desde muy pequeñas hasta muy altas. El espectro visible, el color que llamamos, es una pequeña parte del espectro. Las ondas electromagnéticas están descritas por las ecuaciones clásicas de Maxwell.

Luego descubrimos que todo a nivel microscópico sigue la mecánica cuántica, y la partícula fotón se acumula en superposición con otras de la misma energía para formar la onda electromagnética clásica, parte de la cual es el espectro de color que ven nuestros ojos.

Luego entra en juego la biología, y la percepción del color. Lo que nuestros ojos llaman rojo, no es el rojo en el espectro (el arcoiris por ejemplo tiene las frecuencias puras). Se llama percepción del color. Nuestros ojos llaman negro a la ausencia de colores perceptibles, pero el objeto llamado negro aún emite fotones según su temperatura.

Los fotones se crean de dos maneras, y siempre se cumple la mecánica cuántica.

a) cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, interactuando con un campo, magnético o eléctrico, sale un fotón, con una probabilidad dada por cálculos mecánicos cuánticos.

b) lo que describes, átomos individuales en niveles de energía excitados dados por las soluciones mecánicas cuánticas, pueden desexcitarse y dar fotones. Cuando los fotones de esa energía encuentran un átomo, pueden dispersarse y excitarlo a un nivel más alto, por lo tanto el fotón es absorbido y "muere".

c)más generalmente en la materia que está compuesta por entidades mecánicas cuánticas, átomos, moléculas, redes de moléculas, la solución de las ecuaciones define niveles de energía fijos para los electrones/núcleos/átomos/moléculas/posiciones de red. Debido a que toda la materia tiene una temperatura específica, y la temperatura está conectada con la energía cinética, el movimiento de estas entidades cargadas cuánticas genera un espectro de fotones a partir de excitaciones y desexcitaciones, llamado radiación de cuerpo negro. La absorción es la "muerte" de ese fotón.

El color que vemos como negro, significa que está absorbiendo fotones visibles, absorbiendo energía. Así que una superficie negra al sol está más caliente que una blanca, que refleja la luz visible.

Así que no es solo rebotar, sino también interactuar de varias maneras con la materia en su camino que un fotón "muere".

Answer 4

Como se ha indicado en los comentarios, hay más de una forma de crear un fotón. Pero la descripción que das es bastante precisa para el proceso que estás describiendo. El fotón generado por la primera transición electrónica se encuentra con otro átomo y se dispersa. En ese proceso, un electrón en el segundo átomo podría, en teoría, absorber toda la energía del fotón, pasar a un estado excitado y luego decaer a un estado inferior emitiendo fotón(s) en el proceso. O en el caso más general de dispersión, el fotón incidente transfiere algo de momento y energía al electrón y rebota con menos momento y energía, todo de manera de conservar ambas cantidades. Estás usando la palabra "morir" creo para describir el estado donde el fotón ya no forma parte de la imagen, pero luego pintas una imagen donde algún fotón regresa. Uno podría decir que en cualquiera de los procesos que describí, el fotón inicial desaparece, deja de existir, y se genera un nuevo fotón. Nada tiene que sucederle al fotón original. Lo importante es que la energía y el momento se conserven en el proceso. A nivel de campo cuántico, los fotones atraviesan un proceso donde generan espontáneamente pares de partícula antipartícula que se recombinan para formar "el fotón" nuevamente. Y de igual forma, los electrones están emitiendo y reabsorbiendo fotones. Estos procesos se combinan para producir valores corregidos de carga, masa y posiblemente otras cantidades. Esto se llama renormalización en la QFT. Una colección de partículas cargadas y fotones se puede pensar como un sistema y los elementos individuales de ese sistema. Lo que importa es que todas las propiedades mecánicas relevantes se conserven. Así que a veces nos referimos a la configuración de todos estos componentes como el estado del sistema en lugar de centrarnos en cada partícula como si tuviera una identidad. En los casos en los que la luz se absorbe completamente y no vuelve a emitirse en el espacio libre, la energía no se pierde, sino que queda atrapada en el material como energía térmica, o algún otro tipo de energía mecánica como vibraciones acústicas. Aún ocurre alguna emisión en forma de calor, pero no se puede atribuir un componente específico del sistema al fotón original, ya que hay mucho ocurriendo en su interior. Este tipo de interacción no es un proceso fundamental. Normalmente manejamos esto de manera estadística.

En cuanto al ejemplo de la linterna, no está claro que tu suposición sea cierta. Las estrellas son linternas en la caverna oscura del espacio vacío (hasta cierto punto). La luz, en teoría, seguirá para siempre, pero la intensidad disminuirá ya que los fotones de la fuente viajan en diferentes direcciones. En una atmósfera como el aire habrá alguna atenuación que causará que la luz disminuya debido a la absorción y dispersión difusa. Desde el punto de vista de la física de partículas, el fotón no tiene una vida útil, no se desintegra por sí solo. Contribuye a procesos al interactuar con otras partículas y a través de esos procesos puede dejar de existir como componente de todo el sistema.

Answer 5

Según entiendo, un fotón es producido, o "nace", cada vez que un electrón se mueve de un estado de alta energía de regreso a su estado de energía normal.

Sería razonable pensar que sucede lo contrario, y ese es de hecho el caso (con algunos detalles extras opcionales que no son importantes).

La fotosíntesis es una de las aplicaciones de la naturaleza donde este efecto se utiliza directamente (en un proceso muy complicado que extrae minúsculas cantidades de energía en una larga cadena de transmisiones de electrones, para finalmente realizar una reacción de gas oxígeno-hidrógeno sin hacer volar por los aires cosas cercanas, lo cual es muy genial) para construir sustancias químicas de alta energía a partir de componentes de baja energía. Aunque, sin importar, los electrones se emocionan de todos modos, ya sea que alguien haga un "buen uso" de eso o no. Y luego, algún tiempo después, algo sucede (no podemos decir qué). Una cosa que puede suceder es la emisión de un fotón diferente, otra cosa es alguna reacción química desconocida y aleatoria que necesita energía. A menudo, esa sea cual sea la reacción desconocida es una fuente de radicales. Por cierto, esta es una de las razones por las que obtenemos cáncer de piel por la luz UV.

que sucede cuando la luz se detiene […]
Si te paras en una caverna enorme y oscura, y enciendes una linterna, la luz solo alcanzará hasta cierta distancia.

Eso no es lo que realmente sucede. Aquí ocurren tres cosas. En primer lugar, los fotones se dispersan en el espacio, y el espacio tiende a "consumir" cosas muy ansiosamente. La formulación matemática de eso es "atenuación de distancia". Mientras uno podría pensar que al estar lejos el doble reduce a la mitad la cantidad de fotones, en realidad los reduce a un cuarto ("inversa del cuadrado"). Evidentemente, algo que funciona de esta manera ahoga muy rápidamente cualquier cosa "muy finita" como, por ejemplo, la luz que proviene de una linterna. No importa tanto para cosas "prácticamente infinitas" como el sol, pero en principio, lo mismo es obviamente cierto. Por lo tanto, la cantidad de luz emitida por una linterna en una caverna grande no es terriblemente enorme.
La segunda cosa es que "algo cercano a cero" y "cero" son exactamente lo mismo. Tus ojos no pueden ver fotones individuales (bueno, técnicamente tus ojos pueden recibir un solo fotón, pero ni la vía bioquímica ni el procesamiento funcionan de esa manera). Hay mucha luz restante en esa caverna oscura (bueno, quizás mucha es algo exagerado), solo que tú no puedes verla.
Por último, hay aire en tu caverna oscura, y hay polvo y vapor en el aire. Todos estos absorben y/o reflejan fotones en cierta medida. La parte de "reflejar" es por qué a menudo puedes "ver" el orbe de luz cuando en realidad eso no es posible en absoluto (¡exactamente qué se supone que verías!). Por otro lado, la luz que se refleja no llegará a tu ojo (salvo incidentalmente, después de haber sido reflejada al menos una vez más). Lo que se absorbe desaparece, de una forma u otra, por lo que no ilumina el resto de la caverna oscura.

el color negro "absorbe la luz" - ¿significa esto que el color negro está "comiendo" fotones?

Lo contrario es cierto. Todos los materiales absorben luz en cierta medida. Algunos solo absorben muy poco de ella, y solo en un rango de frecuencia muy estrecho. Algunos absorben enormes cantidades, y en un amplio rango de frecuencias. Esos materiales aparecen negros para ti porque el negro es tu concepción de que no llega luz a tus ojos. No es que el negro absorba fotones, sino que tú ves negro porque han sido absorbidos. Ten en cuenta, por cierto, que algo puede parecer negro y emitir muchos fotones al mismo tiempo (tú solo puedes ver un rango relativamente pequeño).
Las cosas pueden ser bastante engañosas. El vidrio parece no absorber luz en absoluto (¡mira por tu ventana!), pero eso no es para nada verdad. Solo absorbe una cantidad relativamente pequeña (~8-10%) de la luz que puedes ver. ¡Si consideras la luz UV o infrarroja, las cosas se ven completamente diferentes!

¿ocurre la misma "muerte de fotón" cuando un fotón golpea la retina en el ojo de una persona?

Sí. El fotón excita un electrón en una molécula de rodopsina (hay algunas variantes de estas) y se "va" después de eso. La energía transferida causa un cambio estructural en la proteína que activa una proteína G. Esa activa cierta cantidad del segundo mensajero cGMP. Cuando hay suficiente cantidad de eso (no es el caso para un solo fotón), la célula decide disparar, y luego una red neuronal en la parte trasera de la retina que agrupa algunas áreas de manera algo oscura decide si enviar o no un impulso a tu cerebro. Solo entonces, después de otras miles de iteraciones, tienes la posibilidad de realmente ver algo.