La luz es campos electromagnéticos. Los fotones son el comportamiento de esos campos. Pero no necesita descender a pequeños incrementos de energía en ninguna frecuencia en particular para comprender lo que está sucediendo.
La longitud de onda de la luz verde visible es de aproximadamente 500 nanómetros. Sin embargo, el tamaño del átomo de oxígeno en el agua y el vidrio, por ejemplo, es de apenas 2 Angstroms. Hay 10 Angstroms en un nanómetro. Eso significa que estás hablando de una longitud de onda de luz que abarca 5000 átomos. Entonces, ¿qué vas a ganar al intentar comprender un fenómeno de onda que abarca 5000 átomos, al tratar de comprender qué sucede en un átomo individual? Eso es como tratar de entender una colonia de hormigas estudiando una hormiga individual. En realidad, es aún peor que eso, imagina que tus hormigas estaban en comunicación telepática y se influyen mutuamente como una mente colmena. Entonces estudiar hormigas individuales sería un poco miope, ¿no te parece?
Entonces, la forma en que los campos de luz ocupan espacio no es útil aquí. (Eso es lo que realmente es una longitud de onda, lo inverso es lo más relevante, la repetitividad espacial. La forma en que define el espacio).
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Sin embargo, la forma en que los campos de luz ocupan el tiempo es mucho más relevante. La frecuencia es la repetitividad en el tiempo, la forma en que definen los marcos de tiempo. La luz interactúa principalmente con los materiales, no en función del espacio, sino en función del tiempo. Es como una resonancia. Entonces, la frecuencia de la forma en que los campos cambian en una ubicación particular es el espacio, es cómo pueden interactuar con los átomos.
Imagine que tiene miles de botes, como autos divertidos, botes divertidos, que pueden elevarse o descender en el agua a una velocidad razonablemente alta. Tienen una frecuencia interna. Ahora imagine que también hay olas de agua y los divertidos barcos están en el océano.
Bien, ahora si los barcos encuentran olas de longitud de onda larga, tendrán una frecuencia más baja. Los barcos no se verán afectados, hasta que la frecuencia de las olas comience a coincidir con la frecuencia interna de los barcos. Entonces los barcos interactuarán más. Pero si la frecuencia de las olas es realmente rápida, los barcos las ignoran. Esto es como la luz excita átomos y enlaces químicos. Las embarcaciones tomarán energía de las olas o perderán energía, pero solo a una frecuencia característica.
Esta es nuestra analogía de los materiales que interactúan químicamente con la luz. La energía de los átomos y enlaces en la química es en realidad más alta que la luz visible. Corresponde a la frecuencia ultravioleta en la mayoría de los casos. Y aun así, la longitud de onda es de muchos átomos de ancho. Entonces, la moraleja aquí es que la física cuántica de las transiciones de energía de los átomos o enlaces químicos no tiene nada que ver con la interacción normal de la luz visible con materiales como el vidrio.
La teoría clásica del movimiento ondulatorio está bien como base para describir la reflexión y la refracción. Tenga en cuenta que soy cuidadoso con mis palabras. Dijiste absorción, pero no fuiste cuidadoso al decir lo que querías decir. Si la luz entra en un material y la atraviesa como un cristal, entonces deberíamos llamar a eso “transmisión”.
Los electrones en un material de transmisión simplemente crean un ambiente donde hay un campo eléctrico soportado por la suma total de todos los átomos y enlaces. Una perturbación de onda que pasa a través de ese medio puede hacerlo elásticamente, donde no hay una gran pérdida de energía. Habrá una fuerza hacia arriba (digamos), por ejemplo, sentida por varios miles de átomos a la vez en la red, y varios miles de átomos más lejos obtendrán esa misma fuerza. Como un terremoto pasando.
Los electrones que generan el campo no son particularmente móviles, por lo que el efecto de la luz para crear cualquier tipo de efecto inductivo entre los electrones no es del todo probable. Cualquier corriente no fluirá de ninguna manera termodinámica.
Pero si aflojamos algunos electrones y dejamos que respondan realmente, en particular si los “deslocalizamos” ya que están en un metal, entonces se parecen mucho más a un fluido elástico. El diamante es muy rígido y muy transparente. Esto también ocurre en la superficie de materiales que normalmente son sistemas 3D rígidos, en 2D hay enlaces insatisfechos que adquieren un carácter parcialmente metálico. Entonces, incluso el diamante puede tener problemas para construir su superficie, y obtenemos reflejos internos cuando la luz intenta salir de una cara cortada. Lo que hace que una niña brille también.
Ahora estoy simplificando esto para darle una imagen fácil, pero esencialmente podríamos decir que los electrones libres cooperan para producir corrientes que actúan de tal manera que impiden que la luz ingrese al material. Eso refleja. Hay un buen cuerpo de teoría electromagnética simple que describe todo esto, necesita estudiar la ley de Gauss y la naturaleza de las ondas en general. Es exactamente como una cuerda de saltar que se menea en un extremo, a diferencia de una cuerda que está atada en un extremo para hacer un punto nodal o superficie en nuestro caso. Las ondas necesariamente cambian de fase cuando se reflejan. El cambio de fase es como un rodillo oceánico que rebota en un acantilado de roca, los átomos son como piedras en la superficie de la roca. Se podría pensar en un rodillo oceánico masivo como la suma de miles de rodillos oceánicos suaves sincronizados de la misma forma, y estaría hablando de fotones, pero en realidad no tiene gran relevancia.
Sin embargo, ahora hay una imagen cuántica que puede usar, siempre y cuando describa sus cuantos como abarcando cientos y miles de átomos en primer lugar. Estos son los fonones, las vibraciones sonoras del material. Estas son “pseudopartículas”. El sonido como las vibraciones de una estructura material son en gran medida irrelevantes para la luz, excepto cuando esas vibraciones involucran partículas cargadas en el material. En particular, pares de separaciones de carga llamadas dipolos (o multipoles si aumenta las matemáticas). No se puede decir que un solo fonón pertenece a partes específicas del material, sino que tratamos la energía como una abstracción y observamos modos de vibración. Debido a la naturaleza de la luz como una vibración transversal del campo eléctrico, la orientación del dipolo o dipolo inducido debe estar en ángulo recto con la dirección de la luz, lo que se vuelve importante para decidir cómo se dispersará una onda. El agua es un material dipolar natural, la aleatoriedad de los líquidos significa que la luz eventualmente hace que el movimiento se degrade, y la cantidad de luz absorbida por el agua depende de la profundidad. El agua muy profunda parece oscura.
