¿Cómo absorbe un solo átomo un fotón cuando un átomo es más pequeño que la longitud de onda del fotón?

La longitud de onda que menciona es de ondas de probabilidad, mientras que la probabilidad de interacción de un fotón y un átomo es proporcional a la probabilidad de encontrarlos en la misma área al mismo tiempo. Por supuesto, la probabilidad es bastante baja para un solo fotón y un solo átomo , pero puede usar muchos fotones para aumentarlo (un láser, por ejemplo). Observe también que la energía del fotón tiene que coincidir más o menos con las energías entre algunos niveles de energía del átomo.

En el caso de los materiales ( muchos átomos ), es algo diferente. Los niveles de energía ahora están degenerados (es decir, se deforman y se dividen en comparación con los valores iniciales) y forman bandas de energía, mientras que los electrones se comparten entre muchos átomos y no están tan localizados. Para ilustrar esto, agregue otro átomo al átomo, para que eventualmente formen un enlace donde los electrones ahora se comparten entre los dos y orbitan alrededor de ambos. Sus niveles de energía están ligeramente divididos ahora para satisfacer el principio de exclusión de Pauli. Ahora agregue aún más átomos allí: los electrones se comparten entre todos los átomos, mientras que sus niveles de energía se dividen en niveles aún más finos, formando prácticamente bandas de energía continua. El punto es que los electrones ahora están altamente deslocalizados y tienen longitudes de onda de “modulación” más largas, por lo que también podrían capturar fácilmente fotones de longitudes de onda mucho más largas. Puede encontrar más información sobre la onda de Bloch y la estructura de banda electrónica (no son las mejores fuentes para aprender sobre esto, lo siento).

Observe también que no es que un electrón en sí mismo reciba el fotón, sino todo el sistema (electrón y núcleo en el caso del átomo único). Es válido también en el caso de un material sólido.

Esta es una pregunta interesante, y me parece que estás mezclando propiedades de onda y partículas. Lo que está sugiriendo es lo que la teoría clásica predice y fue refutado por el efecto fotoeléctrico. Es, en esencia, exactamente por qué tenemos la teoría del fotón en primer lugar. En nuestra comprensión moderna, un fotón es una partícula fundamental de luz, un solo fotón no puede ser absorbido por más de un átomo al mismo tiempo. Entonces, si nuestra onda E&M está en contacto con múltiples átomos simultáneamente, la pregunta es: ¿cuál absorbe el fotón y por qué no los otros? La respuesta simple y no detallada aquí es la probabilidad. Cada átomo tiene alguna probabilidad de absorber el fotón y es imposible predecir exactamente cuál lo absorberá realmente. Sin embargo, es posible predecir qué fracción de átomos absorberá fotones durante un período de tiempo.

La función de onda del fotón no es, como yo lo veo, en sí misma el fotón. Es una función de probabilidad, la probabilidad de que el fotón elija manifestarse en algún momento. Y la única forma en que un fotón puede manifestarse es renunciando a su energía, en un solo bulto, en algún momento.

Entonces, para mí, el fotón en sí mismo puede tratarse como una partícula puntual adimensional que es, de una manera probabilística de mecánica cuántica, en algún lugar dentro del volumen representado por su función de onda. Y solo puede hacer una cosa: entregar su energía a una sola partícula cuando su función de onda se superpone con la otra partícula. No puede “tocar” muchos átomos. Puede reaccionar exactamente con otra partícula, y se destruye en el proceso.

Esta es una pregunta inteligente que merece una mejor respuesta que la que daré. La función de onda del fotón se extiende en el espacio sobre la longitud de coherencia. Para luz típica, esto es aproximadamente 1 m. De esta manera, la función de onda de fotones está en contacto con el átomo durante un tiempo de 1 m / c, que es del orden de 10e-8s. Esto es suficiente para excitar el átomo. Esto no es una coincidencia, porque lo típico se origina de la emisión atómica, que lleva exactamente el mismo tiempo. No hay problema en la dirección hacia adelante.

El problema es la dirección lateral. Nuestra función de onda también se extiende 1 m en dirección lateral. Es tentador imaginar esto como un manojo de flechas, con solo una de ellas dando en el blanco. Pero no funciona así. Cada una de nuestras flechas sería un paquete de ondas extremadamente estrecho en la dirección lateral y se extendería por completo durante el tiempo de interacción. Esto significa que no podemos escapar considerando solo una flecha que golpea la marca.

Intuitivamente, queremos desechar la parte del paquete de ondas de fotones que pierde por completo el átomo. Para esto, expresamos el paquete de ondas entrantes en términos de ondas parciales con el átomo en el origen. Cree en aquellas personas que dicen que para un dispersor puntual, solo la onda s puede interactuar. La onda s no tiene dependencia angular en absoluto. Esto significa que cortamos del paquete de ondas esa onda que se extiende concéntricamente desde afuera hacia el centro donde se encuentra el átomo. Esta es la ‘flecha que da en el blanco’ y, debido a la conservación del momento angular, es estable.

Un paquete de ondas completamente descentrado tiene un componente de onda s cero, como se esperaba.

El átomo ahora se encuentra en el foco de la onda s esférica entrante, pero este foco se extiende sobre la longitud de onda del fotón, que aún es mucho más grande que la extensión del átomo.

El procedimiento mecánico cuántico nos dice que calculemos . El fotón y el estado de electrones se superponen, y es por eso que se está formando una amplitud de estado excitado en el átomo, y la amplitud del estado de fotón disminuye.

Lo extraño: la mecánica cuántica no explica cómo disminuye la amplitud del estado del fotón en un punto espacial en un lado del foco porque hay cierta absorción en un átomo en el otro lado del foco. Simplemente no lo hace. Los estados no son locales .

En primer lugar, es el electrón el que absorbe el fotón, así es como deberías ver el fenómeno.
Y se podría decir que el electrón es mucho más pequeño.
Bueno, no se considera el tamaño del electrón, es la nube de electrones del electrón que el fotón puede ver, y el tamaño de la nube será comparable a la longitud de onda del fotón.
Es porque mientras está en un átomo, el electrón no es una esfera cargada, sino una onda y esta onda es enorme, por lo que la longitud de onda del fotón debería ser comparable a esta nube.