Para un átomo aislado similar al hidrógeno, supongo que la energía del fotón tiene que coincidir exactamente con la diferencia de energía entre dos niveles. Pero nuestro Universo no está formado por átomos de hidrógeno aislados. Una nube molecular en el espacio exterior o el medio de ganancia de un láser o cualquier entorno físico, en realidad, se compone de miles de millones de partículas que interactúan entre sí (aunque muy débilmente en la mayoría de los casos). La naturaleza exacta de la energía de excitación se vuelve borrosa y observamos una extensión de líneas de absorción. A pesar de que un solo átomo podría no ser capaz de absorber un fotón de esa frecuencia solo, podría estar moviéndose en relación con la fuente de la luz (cambio de frecuencia Doppler) o podría interactuar con otro átomo, cambiando un poco la diferencia de energía necesaria entre la energía real del fotón y la energía de excitación ideal hacia o desde otros átomos cercanos. Entonces, la mecánica cuántica “clásica” hace posible al menos imaginar que la absorción podría tener lugar.
Sin embargo, es una pregunta interesante, si hubiera un solo átomo de hidrógeno en todo el universo, ¿absorbería alguna radiación? Dado que la energía del fotón puede ser arbitraria, la probabilidad de que cualquier fotón tenga exactamente la energía de excitación de este átomo único es cero. Entonces, ¿se absorbería un fotón en tal caso?
Primero, debemos aclarar algunas cosas: la mecánica cuántica ordinaria es insuficiente para describir tal proceso. En QM, las partículas no pueden crearse ni destruirse bajo ninguna circunstancia. Este problema solo se puede modelar usando la teoría de campo cuántico, o más bien la electrodinámica cuántica, que es la teoría de campo cuántico que unifica el campo electrónico y el campo electromagnético. Allí el campo de electrones interactúa con el campo electromagnético y las partículas, cuantos del campo, pueden ser aniquiladas, en este caso el fotón se absorbe. Ahora no soy un experto en QED, pero, que yo sepa, cualquier proceso puede describirse mediante una serie de subprocesos cada vez menos probables. Básicamente, hacemos una expansión de Taylor del término de interacción de los campos, resultando en infinitos términos la forma de integrales. Estos pueden interpretarse como diferentes procesos que tienen lugar. Para ilustrar, estamos hablando del fotón que se está adsorbiendo. Entonces, el término de primer orden podría ser que el fotón se desvanezca y transfiera su energía e impulso al electrón. Los términos de orden superior pueden incluir la creación de otro fotón inmediatamente después, o un par de electrones o antielectrones apareciendo y confundiéndose con las otras partículas, o múltiples fotones adicionales y pares de positrones de electrones que lo hacen cada vez más complicado. Estos términos pueden ser representados por los famosos diagramas de Feynmann, que ciertamente has visto antes.
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Suponemos que cada término superior en la expansión es cada vez más pequeño, de modo que la expansión total converge a un valor finito. Por lo tanto, incluso si normalmente asumimos que se está llevando a cabo el proceso de primer orden, de hecho podría haber infinitamente muchas otras interacciones de partículas. O, más bien, hay una sola interacción de campo, que podemos imaginar como un rango infinito de interacciones de partículas, cada una drásticamente menos probable que ocurra que la anterior. Y así puedo imaginar que el fotón será absorbido por el electrón en el átomo, siempre que se conserve el impulso y la energía del sistema. El núcleo podría recibir (o proporcionar) parte del impulso o la energía necesaria para que tenga lugar la absorción, y así el átomo podría excitarse, absorbiendo el fotón, aunque las energías no coincidieran exactamente.
Lamento no poder proporcionar ningún argumento cuantitativo desde la parte superior de mi cabeza. Pero espero que la respuesta pueda guiarlo en su viaje para comprender la diferencia entre lo que realmente sucede y cómo lo describe un modelo físico. Siempre hay espacio para mejorar esto último.
