Los fotones absorbidos se convierten en calor. ¿Cuál es el mecanismo subyacente?

Cuando escribe “calor”, supongo que quiere decir que la absorción de fotones aumenta la temperatura del sistema de absorción. En termodinámica, el calor se define objetivamente como la transferencia de energía como resultado de una diferencia de temperatura. En el caso de que los fotones se irradien desde una fuente térmica, la transferencia de su energía radiante es “calor”. En esto se convierte en energía interna adicional del sistema de absorción.

La mayoría de las veces esta energía interna dará como resultado un aumento de la temperatura.

Es un buen punto notar que muchos átomos que absorben la energía de los fotones pronto re-irradiarán fotones. Pero esa no es la única forma en que los átomos y las moléculas pueden eliminar la excitación. Los átomos y moléculas excitados cerca de otros átomos y moléculas pueden transferir su energía extra a estas partículas, y el resultado es un aumento de la energía cinética a las otras partículas. Cuando se han absorbido muchos fotones y se ha transferido energía a muchas de las partículas que forman un objeto, su temperatura será notablemente mayor.

Hay otras formas en que un sistema de átomos puede absorber fotones sin emisión posterior. Lo que es necesario para la absorción de un fotón es que algo puede ganar su energía y su momento lineal y también cambiar en el momento angular en una unidad. La energía, el momento lineal y angular se consideran cantidades absolutamente conservadas.

Dado que un fotón es una excitación de campos electromagnéticos, puede desaparecer transfiriendo energía, momento y momento angular a campos electromagnéticos dentro de un sistema. La parte de energía de esto puede transferirse rápidamente a las partículas que forman el sistema a través de sus nubes de electrones. No sé mucho sobre cómo funciona esto.

Existen otros mecanismos de absorción de fotones para fotones de baja energía, como la separación entre átomos. Un fotón de baja energía puede ser absorbido como un cambio en la posición de uno o más átomos. Las reacciones de los átomos cuando regresan a sus posiciones de equilibrio son, en efecto, una vibración que es en efecto calor. Estas vibraciones a veces se llaman fonones, que se consideran cuasi partículas cuantificadas que pueden propagarse a través de la red de átomos, extendiendo así el calor. El proceso es, por supuesto, reversible. A veces los fonones se convierten en un fotón emitido de baja energía.

Los sistemas de materiales absorben fotones a través de una serie de procesos físicos, dependiendo del rango espectral. Las microondas se absorben a través de los modos de plasmón en los metales, los modos rotacionales de las moléculas o los modos libracionales de líquidos polares. Los fotones IR excitan las vibraciones de los enlaces moleculares, los fotones UV y visibles promueven las excitaciones electrónicas, etc. Ese es el paso 1. Además, recuerde que el número de fotones no es una cantidad conservada.

A continuación, el sistema responderá para distribuir este exceso de energía de manera tan uniforme en tantos grados de libertad como sea posible. Esto ocurre en una escala de tiempo de pico a microsegundo

Los fotones no tienen masa, pero tienen impulso. Literalmente pueden empujar la materia, cuando la nube de electrones alrededor de los átomos los absorbe, lo que también hace que los átomos se “muevan” un poco más rápido, que es la energía cinética del calor.

El calor es energía aleatorizada. Cuando se absorbe un fotón, su energía se transfiere a los átomos, que luego comparten esa energía con otros átomos hasta que se vuelve aleatoria. Calor.