Bien, voy a intentarlo: (¡Tenga en cuenta que la respuesta a esta simple pregunta llena muchos libros!) La luz (ondas EM en longitudes de onda visibles o invisibles) es una onda que viaja libremente por el espacio. Si hay materia en el espacio, la luz interactuará con ella de varias maneras. Si la materia (átomos) tiene niveles de energía discretos o continuos (lo explicaré de forma continua en un minuto), y la energía del fotón es igual a una diferencia entre el nivel en el que se encuentra un electrón y un nivel en el que puede estar, entonces el El átomo absorbe el fotón de luz (con cierta probabilidad). Luego hace algo con la energía. ¡Ahora se pone interesante! Para una gran cantidad de materia, los átomos pueden absorber fotones de luz con una amplia gama de energías y convertir la energía en otra forma, como la energía vibratoria, esencialmente calor. Entonces, el átomo absorbe la energía EM de la luz y transfiere la energía a la energía cinética del átomo o molécula, y simplemente se mueve más rápido, o en una dirección diferente, o gira, etc.
Ahora sobre los niveles de energía de los electrones: los niveles más bajos de átomos simples, como el hidrógeno, son modos muy discretos o soluciones de la ecuación diferencial que gobierna la forma del electrón en el átomo. Piense en estos como los modos de vibración de un parche de tambor. Cada uno tiene una cierta energía. Si golpeas un átomo con un fotón igual a la diferencia de energía entre dos niveles, el átomo absorberá el fotón, saltará al nivel de energía más alto y luego permanecerá allí por un tiempo o no. Pero en algún momento el electrón volverá a su estado de menor energía y reemitirá el fotón.
La energía también se puede convertir en calor, por lo que no se emite luz, o el electrón puede moverse a un nivel intermedio (perdiendo energía térmica) y luego decaer a un nivel más bajo, emitiendo un fotón de diferente longitud de onda (color) excitación original Esto se llama fluorescencia. Ahora sobre los espectros continuos: ¿y si el átomo se mueve cuando el fotón lo golpea? El fotón esencialmente será Doppler desplazado ligeramente en energía. Si tiene una gran cantidad de tales átomos a una temperatura determinada, entonces la energía vibratoria y la velocidad de los átomos se distribuyen estadísticamente en un rango. Esto significa que los fotones que se encuentran cerca de la energía de absorción específica pueden encontrar un átomo que se mueve correctamente para que la energía coincida. Por lo tanto, el nivel de energía de absorción puede ser una amplia banda de energías. Agregue a esto el hecho de que los niveles de energía discretos más altos se acercan entre sí, y los átomos más complejos que el hidrógeno tienen muchos, muchos niveles que están muy cerca. Por lo tanto, muchos materiales pueden absorber fácilmente grandes cantidades de luz en un amplio rango continuo de frecuencias. Entonces, esto explica cosas que son oscuras, marrones, grises, como tierra, rocas, árboles, etc. De hecho, para que algo tenga un color brillante, significa que tiene algunas características de absorción de energía muy específicas. Los humanos buscamos estas sustancias para teñir y colorear nuestra ropa, autos, platos, libros, etc. Y las flores han evolucionado para utilizar estas moléculas para atraer a las abejas. Pero estos productos químicos son muy especiales y raros.
OK, ¡a la reflexión y la refracción! La luz es una onda E&M con algunas características complejas y muy interesantes. Se mueve en una determinada dirección y tiene campos eléctricos y magnéticos que se dirigen perpendicularmente al movimiento y entre sí. Mantenga el pulgar y los siguientes dos dedos en ángulo recto entre sí. Ahora imagine que su mano es el fotón que se mueve en la dirección de su pulgar. Puedes ver dónde están apuntados los vectores E y M. La luz viaja a través de un material transparente, como el aire con solo una pequeña interacción con los átomos. Estos átomos no tienen amplias bandas de niveles de energía, como la suciedad y los troncos de los árboles, por lo que no pueden absorber la luz y convertirla en calor o cualquier otra cosa. Del mismo modo, el vidrio y el agua son transparentes porque sus niveles de energía están demasiado separados. Sin embargo, los medios transparentes, en cierto sentido, atrapan y liberan los fotones de luz, simplemente no pueden retenerlos por mucho tiempo. Esto significa que la velocidad de la luz es un poco diferente a la del espacio libre. La relación entre la velocidad de la luz en el aire, el agua o el vidrio y su velocidad en el vacío se denomina índice de refracción del material, n. Para el vidrio, n es 1.5, entonces la luz en el vidrio solo va 2/3 c, donde c es aproximadamente [matemática] 3X10 ^ 8 [/ matemática] metros / seg.
Ahora, ¿qué sucede en el límite de aire y agua, o aire y vidrio (o vidrio y agua para el caso)? La luz tiene una frecuencia, lo que significa que la intensidad de los campos E y M oscila con el tiempo como una onda sinusoidal. No entraré en la geometría de la onda con gran detalle, pero el resumen es este: los campos E y M tienen que ser continuos en la interfaz entre el aire y el vidrio, y si la onda incidente entra en frecuencia f y longitud de onda [ matemática] \ lambda [/ matemática], pero se propaga en el vidrio con una longitud de onda diferente (porque la velocidad es más lenta), luego para que E&M coincida, tenemos que hacer que la onda refractada en el agua se dispare ángulo diferente, además tenemos energía que no se puede canalizar hacia esa onda, pero una solución con dos ondas salientes (refractadas y reflejadas) funciona para transmitir toda la energía, con las ondas E y M coincidentes en el límite. Para un diagrama y las ecuaciones, vea la ley de Snell.
Para un material como el metal, el campo eléctrico se “acorta”, lo que significa que no se puede mantener un campo eléctrico fuerte con poca energía, por lo que la solución a las ecuaciones de Maxwell, que gobiernan toda la electromagnetismo, da como resultado una onda reflejada con todo La energía de la onda incidente.
Bueno, eso es un comienzo en esta pregunta … ¡Necesito ir a preparar la cena ahora! Espero que sea útil!
