¿Cómo refleja una molécula la luz?

Answer 1

TL: DR; no lo hace

En su nivel de explicación más simple, hay una diferencia entre el comportamiento de una sola molécula y una colección estadística de moléculas. Existen propiedades individuales como los espectros, pero cuando están restringidas en un campo de 10 con 20 ceros de algo más pegados a sus amigos más cercanos, las propiedades generales restringen el comportamiento y crean distribuciones de efectos. Es casi imposible hablar sobre la presión o la temperatura de una sola molécula de agua, así que no lo haré.

De lo que hablaré es del comportamiento estadístico de una partícula “a” “estacionaria” en una caja, sujeta a la mecánica cuántica. Clásicamente, se piensa que esto es similar al movimiento browniano: una sola molécula realiza una caminata aleatoria por todo el contenedor. Pero en realidad, estos comportamientos se rigen por la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo (Partícula en una caja)

Pero tan pronto como comienza a hablar de colecciones de objetos, resulta más o menos imposible resolver analíticamente las ecuaciones; debe comenzar a hacer aproximaciones que reflejen las propiedades generales de un gran número de estas partículas. Y cuando estas partículas, que tienen propiedades electromagnéticas, comienzan a interactuar con otras partículas diferentes u ondas EM, parecen seguir de manera experimental algunas reglas clave. Las ecuaciones de Maxwell (¿Son las ecuaciones de Maxwell una descripción correcta del carácter de onda de los fotones?) Son la representación más elegante de las propiedades de las ondas EM, y requieren la unificación de QM y la relatividad especial (teoría de campos cuánticos) para obtener una mejor imagen. Una vez más, voy a detener eso, allí.

Cuando la luz alcanza un límite, como la superficie de un charco de agua, está experimentando un cambio significativo en el campo electromagnético, que se describe mejor cuando una onda alcanza un límite. Debido a que parte de la energía se reflejará fuera del límite, y parte de la energía pasará a través del límite, debemos describir cómo se ve eso para entenderlo.

En la animación anterior, la ola se acerca al menisco definido por la línea negra vertical. Algunas de las ondas se difractan en el líquido y otras se reflejan. Esto está bien descrito por las ecuaciones de Fresnel, conocidas desde principios del siglo XIX (y extendiendo la anterior ley de Snell), pero no fue hasta el QFT que esto se pudo explicar a priori en el contexto de la dualidad onda / partícula de todo. De hecho, la ley de Snell se puede derivar directamente de las ecuaciones de Maxwell y refleja (perdón por el juego de palabras) el hecho de que la luz viaja a una velocidad diferente en diferentes medios según el índice de refracción, una propiedad del agua.

Puede ser difícil de creer, pero incluso una superficie sólida y densa como el plomo tiene cierta permeabilidad, y la luz tiene una velocidad incluso en el plomo (La velocidad de la luz y el Índice de refracción), por lo que aunque las ecuaciones de Maxwell se pueden usar para cosas como la luz También se pueden utilizar para campos electromagnéticos de electrones que viajan en un conductor. Es importante recordar que las reglas realmente no cambian si algo es líquido, sólido, gas o no (“vacío”).

Por lo tanto, utilizando estas construcciones y la mejor matemática que podrían reunir, se puede escribir una ecuación general para el índice de refracción de la luz en el hielo, el agua y el vapor, y concuerda dentro del medio por ciento con cientos de mediciones experimentales en una amplia variedad de Temperaturas, presiones y longitudes de onda de la luz. (I Thormählen, J Straub, U Grigull – 1985 nist.gov)

Lo importante a recordar es que “un” electrón no hace esto: el campo electromagnético de toda la molécula de agua y todos sus amigos lo hacen, ya sea hablando de la interacción con una barrera como un espejo, una pieza de metal. , o la superficie de un líquido. (La luz también puede dispersarse y ser absorbida y reemitida, ¡pero esos son temas separados!)

Answer 2

“Reflejar” es probablemente la palabra incorrecta. “Dispersión” es más precisa. La reflexión generalmente connota un plano, y las moléculas no son planas.

Básicamente, la onda EM entrante mueve los electrones y los electrones ondulados producen ondas EM salientes. La electrodinámica clásica lo describe muy bien.