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Ver los colores: fotones frente a ondas

Como estudiante de física atmosférica, estoy familiarizado con la radiación electromagnética en la atmósfera y con lo que dicta la longitud de onda que emiten los objetos. Al observar la radiación en la atmósfera siempre se piensa en ella como una onda, ya sea de onda larga o de onda corta. Sin embargo, recientemente me he introducido en el mundo cuántico y tengo problemas para distinguir entre el modelo ondulatorio y el modelo de partículas de la luz.

Tengo entendido que el sol, que tiene una temperatura de 6000k, tiene su pico de emisión en el espectro visible. Cuando esa luz llega a la Tierra, y choca con un objeto, esa luz será absorbida y lo que no sea absorbido será reflejado y veremos ese color. Me cuesta entender cómo funciona esto al pensar en los fotones. ¿Cómo vemos los colores de un objeto cuando pensamos en fotones?

Hace poco vi un vídeo sobre por qué el vidrio es transparente. Decía que los electrones del vidrio estaban dispuestos de tal manera que cuando se encontraban con fotones no había suficiente energía para que alcanzaran un nivel de energía superior. Esto me hizo pensar en por qué absorber ese fotón y alcanzar un nivel de energía más alto es necesario para no ser transparente. Me hizo pensar que para no ser transparente había que absorber los fotones para que los electrones pudieran emitir un fotón de ese color.

Cuando pensamos en los fotones, ¿vemos los colores porque los fotones se reflejan como lo hace una onda? ¿O vemos que los electrones emiten un determinado color de fotón a medida que bajan los niveles de energía? Por ejemplo, tengo una pared verde con una ventana. ¿Los fotones atraviesan el vidrio pero golpean mi pared, excitando a los electrones un nivel más alto y luego al ir a un nivel más bajo se emite un fotón verde o los fotones golpean mi pared y simplemente rebotan?

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JRT Puntos 97

Esta es una confusión muy común, y se produce porque la luz no es ni una onda ni una partícula, sino que es (actualmente se describe mejor como) un campo cuántico. Las descripciones de onda y partícula son aproximaciones que se aplican en algunas circunstancias. En particular, el modelo del fotón es una buena manera de describir cómo el campo electromagnético intercambia energía con su entorno. Cuando la luz transfiere energía a otra cosa, la energía transferida es un número integral de energías de fotones.

Así, en tu ejemplo, el vidrio es claro porque para la luz visible no hay niveles de energía separados por una energía de fotón. Dado que la luz sólo puede interactuar con el vidrio mediante el intercambio de energía en trozos del tamaño de un fotón, la interacción no puede producirse. El vidrio sí absorbe en el ultravioleta porque la energía de los fotones es proporcional a la frecuencia de la luz y a uv frecuencias la energía del fotón es lo suficientemente grande como para excitar los electrones en el vidrio.

El pigmento verde de la pintura de la pared se ha elegido para que tenga excitaciones electrónicas que correspondan a la energía de los fotones de la luz roja y azul, pero ninguna con una energía igual a la de la luz verde. Esto significa que la luz roja y azul que incide en la pared es absorbida, pero la luz verde es reflejada. En general, en los sólidos, cuando una luz excita una transición electrónica y es absorbida, la energía de los electrones excitados se disipa en forma de vibraciones de la red. Sólo en algunas circunstancias se reemite como luz, en cuyo caso se obtiene fluorescencia o fosforescencia . Así que no es el caso que la luz sea absorbida y reemitida como luz verde. La luz verde se refleja y permanece verde, mientras que los otros colores se absorben y su energía acaba calentando la pared.

La luz verde que llega a su retina tiene una energía de fotones que coincide con la pigmentos ópticos en el M-cones . Así, la luz se absorbe (en trozos del tamaño de un fotón) excitando los electrones de los pigmentos ópticos.

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Fernando Briano Puntos 3704

La respuesta de John es clara para el conjunto de fotones que componen la onda electromagnética

Si realmente se pregunta cómo los fotones individuales acaban formando la onda electromagnética clásica, reflejada o no, hay que profundizar en la electrodinámica cuántica. Lubos Motl tiene en su blog una entrada de cómo surgen las ondas clásicas de un gran conjunto de fotones.

Las ecuaciones clásicas surgen de las mecánicas cuánticas de forma coherente, pero el electromagnetismo tiene la elegancia extra de tener las ecuaciones de Maxwell tanto para las ondas clásicas como para la ecuación mecánica cuántica que da una función de onda para un fotón. Entra el mismo potencial cuatridimensional, y por tanto la continuidad de lo clásico y lo cuántico en la frecuencia para la energía del fotón , E=h*nu, y la frecuencia expresada en el espacio por un gran conjunto de fotones de frecuencia nu.

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Damian Puntos 131

La energía de un fotón da lugar a su frecuencia:

E = h*f

donde f es la frecuencia y h es la constante de Planck.

La frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda según:

lambda*f=c

donde lambda es la longitud de onda y c es la velocidad de la luz.

Por tanto, se puede afirmar que los fotones con mayor nivel de energía (naturaleza de partícula de la luz) tienen mayores frecuencias (naturaleza de onda de la luz) y menores longitudes de onda.

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