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Solución:
Y los electrones en un átomo lo absorben y lo reemiten. Pero, ¿por qué los electrones se molestan en absorber y reemitir luz y no simplemente dejarla pasar todo el tiempo?
Hay un malentendido básico en su pregunta.
Un electrón es una partícula elemental de masa fija. Puede dispersión de un fotón (que también es una partícula elemental); si se acelera puede emitir un fotón, pero no lo absorbe, porque la masa del electrón es fija, y si pudiera absorber un fotón, en el centro de masa del electrón, la masa tendría que cambiar, lo que contradice las observaciones y la relatividad especial para partículas elementales. .
Los términos absorción y absorbe no se pueden utilizar con electrones libres. Son los electrones ligados en un sistema atómico, que pueden cambiar los niveles de energía en el átomo cuando el átomo absorbe un fotón. Entonces, no es el electrón el que absorbe el fotón, sino el átomo.
El átomo tiene niveles de energía, y si la energía del fotón coincide (dentro de un pequeño $ ΔE $, el ancho del nivel de energía) con la energía de transición de impulsar un electrón a un nivel de energía vacío, entonces el átomo puede absorber el fotón (no el electrón). Entonces el responder a “por qué”, arriba, es “porque el fotón tiene la energía adecuada para transferir el electrón a un nivel de energía vacío”.
Si la energía del fotón no coincide con la energía de transición del átomo, el fotón puede dispersarse con los campos eléctricos de desbordamiento del átomo o la molécula, ya sea elásticamente, o transfiriendo energía y un fotón de menor energía continúa en su camino.
El pensamiento relevante a tener en cuenta es que una partícula elemental no puede absorber un fotón. Los compuestos como átomos, moléculas y redes, sí pueden.
Pero, ¿por qué los electrones se molestan en absorber y reemitir luz y no simplemente dejarla pasar todo el tiempo? (Un electrón también sería inestable al absorber la energía y, por lo tanto, la reemite, pero en primer lugar, ¿por qué la absorbe?)
Se podría hacer una pregunta similar sobre macro objetos, digamos, un péndulo.
Si empujas un péndulo, este subirá y luego bajará. Entonces, ¿por qué, podría preguntarse, se molesta en subir, si luego baja? ¿Por qué absorbe la energía de un empujón en lugar de simplemente ignorarlo?
Supongo que una respuesta simplista es que absorbe la energía porque recibe un impacto directo y no depende del péndulo decidir si debe tomarla o simplemente ignorarla.
Realmente se reduce a dos preguntas: ¿por qué los electrones interactúan con los fotones y por qué los átomos absorben fotones?
¿Por qué interactuar con los fotones?
Se puede entender por qué los electrones interactúan con los fotones si se considera la teoría relativista de campos cuánticos. Para combinar la mecánica cuántica con la relatividad especial, hay que pensar que la realidad consta de “campos cuánticos”. Un campo es algo que tiene un valor en cada ubicación, por ejemplo $ Phi (x, t) $ podría ser un campo (dependiente del tiempo), el valor de la función significa el valor en cada punto del espacio (y cada vez t). Un campo clásico, no cuántico, simplemente tiene un valor en cada ubicación; puede pensar en él como la altura de algún sistema, digamos la desviación del equilibrio de un oscilador, en cada punto del espacio. A cuántico en su lugar, el campo tiene un cuántico sistema en cada punto del espacio; puede pensar que tiene un oscilador armónico cuántico en cada punto del espacio. El estado del sistema puntual, es decir, la desviación de este oscilador del equilibrio, es la “altura” del campo en ese punto en el espacio.
Ahora bien, un principio fundamental de la mecánica cuántica es que el fase del estado cuántico no importa. Para llevar este principio a un campo cuántico, las ecuaciones que describen la física del sistema, conocidas como lagrangianas, no deben cambiar si cambiamos las fases de los estados de los puntos en el espacio. Este requisito se conoce como “simetría de calibre”. Ahora bien, resulta que es bastante difícil construir un Lagrangiano con simetría de calibre utilizando solo expresiones estándar como derivadas. En cambio, para mantener la simetría de calibre uno tiene que introducir otro campo cuántico, conocido como campo de calibre. Ésta es la única forma de mantener la simetría de gauge, es decir, de mantener el requisito de que la fase de un estado cuántico no tiene significado físico.
Entonces, si intenta construir leyes de la física (un lagrangiano) para describir un campo de materia simple (por ejemplo, el campo de un electrón), debe introducir un campo de “calibre” adicional que interactúe con él. Las ondas en el campo de materia serán las partículas de materia, como los electrones. Las ondas en el campo de calibre serán partículas portadoras de fuerza, como fotones.
Entonces, para resumir, la razón por la que un electrón interactúa con los fotones es que un electrón es realmente una onda en un campo cuántico (relativista), y estas ondas tienen que interactuar con ondas en el campo electromagnético (calibre), que llamamos fotones, en orden para que el campo del electrón ser un campo cuántico (es decir, para que la fase de los estados puntuales carezca de significado físico).
¿Por qué los átomos absorben fotones?
Anna v ya explicó bellamente por qué un electrón elemental no puede absorber un fotón; en su lugar, tiene que dispersarlo, ya que la energía del electrón y, por lo tanto, la masa no pueden aumentar en su marco de reposo. Pero, ¿por qué los átomos absorben fotones?
El punto importante aquí es que no se puede “desactivar” la interacción electromagnética para un efecto mientras se mantiene “activada” para otro. Si construye una ecuación que describe un electrón que es atraído a un núcleo positivo por la fuerza electromagnética, entonces esto mismo El sistema también se verá afectado por ondas en el campo electromagnético.
Entonces, las mismas ecuaciones que describen las órbitas estables (los niveles de electrones / orbitales) debido a la interacción electromagnética con el energía potencial del núcleo, también describen una respuesta a un onda electromagnética (generalmente tratado solo como una perturbación del estado estable). Y esta interacción con las ondas equivale a aniquilar un modo normal de la onda (aniquilar un fotón), mientras que al mismo tiempo aumenta la energía para mantener la conservación de la energía. (O a la inversa, creando una onda en modo normal mientras se pierde energía).
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