Fotón
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| Fotón (γ) | |
|---|---|
| Imagen:Military laser experiment.jpg | |
| Fotones emitidos en un rayo coeherente por un láser | |
| Clasificación | |
| Partícula elemental | |
| Bosón de gauge | |
| Electromagnetismo | |
| Propiedades | |
| Masa: | Nula |
| Carga eléctrica: | Neutra |
| Carga de color: | Neutra |
| Spin: | <math>1 \hbar\;</math> |
| Vida media: | Estable |
| Antipartícula: | Ella misma |
| Interacciona con: | − − − − |
En física moderna el fotón (del griego φως phōs 'luz') es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. El fotón tiene masa invariable igual a cero, y se mueve en el vacío a la velocidad constante <math>c</math>. En presencia de materia la partícula puede ser absorbida, transfiriendo energía y momento proporcional a su frecuencia.
Como todos los cuantos, el fotón se comporta como onda y como partícula, fenómeno que se ha dado en llamar dualidad onda-partícula.
El concepto moderno de fotón fue desarrollado gradualmente entre 1905 y 1917 por Albert Einstein<ref name="Einstein1905">Einstein, A (1905). "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (trad. Modelo heurístico de la creación y transformación de la luz)". Anales de Física 17: 132–148. (alemán).Una traducción inglesa se encuentra disponible en Wikisource.</ref><ref name="Einstein1909">Einstein, A (1909). "Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung (trad. Evolución de nuestro concepto sobre la composición y esencia de la radiación)". Physikalische Zeitschrift 10: 817–825. (alemán). An English translation is available from Wikisource.</ref><ref name="Einstein1916a">Einstein, A (1916a). "Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 18: 318. (alemán)</ref><ref name="Einstein1916b">Einstein, A (1916b). "Zur Quantentheorie der Strahlung". Mitteilungen der Physikalischen Geselschaft zu Zürich 16: 47. También Physikalische Zeitschrift, 18, 121–128 (1917). (alemán)</ref> para explicar observaciones que no encajaban en el modelo clásico del modelo electromagnético de la luz. En particular el modelo de fotón en relación a la energía lumínica que depende de la frecuencia, y la explicación respecto a la propiedad de la materia y la radiación electromagnética para permanecer en equilibrio térmico.
Otros físicos trataron de explicar las observaciones anómalas mediante "modelos semiclásicos", en los que la luz es todavía descrita mediante las ecuaciones de Maxwell, aunque la materia que emite y absorbe luz es cuantizable.
Si bien estos modelos contribuyeron al desarrollo de la mecánica cuántica, experimentos posteriores probaron la hipótesis de Einstein de que la misma luz es la cuantizada: los cuantos de luz son los fotones.
El concepto de fotón llevó a avances inmediatos en física teórica y experimental, tales como la teoría cuántica de campos, el condensado de Bose-Einstein, la amplitud de probabilidad de la mecánica cuántica e inventos como el láser.
De acuerdo al modelo estándar de física de partículas los fotones son los responsable de producir todos los campos eléctricos y magnéticos, y a su vez son el resultado de que las leyes físicas tienen cierta simetría en todos los puntos del espacio-tiempo. Las propiedades intrínsecas de los fotones ( carga eléctrica, masa invariable y espín ) estan determinadas por las propiedades de la simetría de Gauge.
Los fotones tienen muchas aplicaciones tecnológicas, incluyendo fotoquímica, microscopios fotónicos y medición de distancias moleculares. Incluso se los ha estudiado como componentes de computadoras cuánticas y en aplicaciones sofisticadas de comunicación óptica como por ejemplo criptografía cuántica.
Tabla de contenidos |
[editar] Nomenclatura
El fotón fue llamado originalmente por Albert Einstein "cuanto de luz" ( alemán :das Lichtquant) <ref name="Einstein1905" /> - El nombre moderno deriva de la palabra griega ‘luz", y fue acuñado en 1926 por el físico Gilbert N. Lewis al publicar una teoría especulativa <ref name="Lewis1926">Lewis, GN (1926). "The conservation of photons". Nature 118: 874–875.</ref> en la que los fotones eran "imposibles de crear e indestructibles". Aunque la teoría de Lewis nunca fue aceptada y -de hecho- contradicha por varios experimentos, el nuevo nombre "fotón" fue adoptado enseguida por la mayoría de los científicos.
En física se lo identifica usualmente con el símbolo <math>\gamma \!</math>, la letra griega gamma. Este símbolo deriva posiblemente de los rayos gamma, descubiertos y bautizados en 1900 por Villard <ref>Villard, P (1900). "Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium". Comptes Rendus 130: 1010–1012. (en francés)</ref><ref>Villard, P (1900). "Sur le rayonnement du radium". Comptes Rendus 130: 1178–1179. (en francés)</ref> y relacionados con la radiación electromagnética en 1914 por Rutherford y Andrade.<ref>Rutherford, E, Andrade ENC (1914). "The Wavelength of the Soft Gamma Rays from Radium B". Philosophical Magazine 27: 854–868.</ref>. En química e ingeniería óptica, los fotones se simbolizan usualmente con <math>h \nu \!</math>, la energía de un fotón donde <math>h \!</math> es la constante de Planck y la letra griega <math>\nu \!</math> es la frecuencia de la partícula. Con mucha menor asiduidad, el fotón puede simbolizarse con hf , cuya frecuencia se indica mediante f.
[editar] Propiedades físicas
El fotón no tiene masa <ref name="rel_mass">Ver Masa y energía en la relatividad especial para profundizar en la relación entre masa invariable y masa relativista.</ref> La característica intrínseca de su "masa invariable" se cree que es estrictamente cero, con base en la experimentación y consideraciones teóricas. Esto respecto de la definición estándar de masa entre los físicos. No obstante, algunas explicaciones científicas populares han asignado al fotón una "masa relativista" definida como E/c2, donde E representa la energía de la partícula.
Tampoco posee carga eléctrica <ref name="chargeless">Kobychev, V V, Popov, S B (2005). "Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources". Astronomy Letters 31: 147–151. DOI:10.1134/1.1883345.</ref> y no se desintegra espontáneamente en el vacío. El fotón tiene dos estados posibles de polarización que pueden describirse mediante tres parámetros contínuos: los componentes del vector que determinan su longitud de onda <math>\lambda \!</math> y su dirección de propagación.
[editar] Emisión
Los fotones se emiten en varios procesos naturales, por ejemplo cuando acelera una masa, cuando un electrón de un átomo salta de un nivel de energía alto a uno más bajo, o en procesos de radiación más intensos,siendo ejemplos: cuando se aniquila una partícula con su antipartícula o en las Transiciones nucleares.
[editar] Absorción
Los fotones se absorben en los procesos de reversión temporal en correspondencia con los ya mencionados: por ejemplo, en la producción de pares particula-antipartícula o en las transiciones atómicas a un nivel de energía mas alto.
[editar] Energía y movimiento
Como el fotón no posee masa, se mueve a la velocidad de la luz <math>c \!</math> en el vacío, y su energía <math>E \!</math> y momento <math>\mathbf{p}</math> se relacionan con la ecuación <math>E = c \, p \!</math> , donde <math>p \!</math> es la magnitud de este último.
Comparativamente, la ecuación correspondiente para partículas con masa invariable <math>m \!</math> (distinta de cero) sería: <math>E^{2} = c^{2} p^{2} + m^{2} c^{4} \!</math> como se demuestra en la relatividad especial.
La energía y momento de un fotón depende solo de su frecuencia <math>\nu \!</math> o, lo que es equivalente de su longitud de onda <math>\lambda \!</math>.
- <math>
E = \hbar\omega = h\nu = \frac{h c}{\lambda} </math>
- <math>\mathbf{p} = \hbar\mathbf{k}</math>
en consecuencia la magnitud del momento es:
- <math>
p = \hbar k = \frac{h}{\lambda} = \frac{h\nu}{c} </math>
donde <math>\hbar = h/2\pi \!</math> (conocida como Constante de Dirac o constante reducida de Planck); <math>\mathbf{k}</math> es el vector de onda (con el número <math>k = 2\pi/\lambda \!</math> como magnitud) y <math>\omega = 2\pi\nu \!</math> es la frecuencia angular. Debe tenerse en cuenta que <math>\mathbf{k}</math> apunta en la dirección de propagación del fotón. Este tiene así mismo momento angular de espin que no depende de la frecuencia. La magnitud de tal espín es <math>\sqrt{2} \hbar </math>, y el componente medido a lo largo de su dirección de movimiento, su helicidad, debe ser <math>\pm\hbar</math>.Estos dos posibles valores corresponden a los dos posibles estados de polarización circular del fotón (horario o antihorario).
Para ilustrar la relevancia de esta fórmula, la aniquilación de partículas puede resultar en la creación de al menos dos fotones por la siguiente razón: en la matriz de referencia del centro de la masa, las antipartículas que colisionan no tienen momento neto, mientras que un fotón aislado siempre lo tiene. En consecuencia, la ley de conservación de los momentos requiere que al menos se creen dos fotones, con un momento resultante igual a cero. La energía de los dos fotones o -lo que es equivalente- sus frecuencias - pueden determinarse por la conservación de los cuatro momentos. El proceso inverso (creación de pares) es el mecanismo principal por el que los fotones de alta energía (como los rayos gamma) pierden energía al pasar a través de la materia.
Las fórmulas clásicas para la energía y el momento de la radiación electromagnética pueden re-expresarse en términos de eventos fotónicos. Por ejemplo, la presión radiante de la radiación electromagnética de un objeto deriva de la transferencia de momentos fotónicos por unidad de tiempo y unidad de superficie del objeto en cuestión, ya que la presión es fuerza sobre unidad de superficie y una fuerza representa el cambio del momento por unidad de tiempo.
[editar] Desarrollo histórico del concepto
En la mayoría de las teorías hasta el siglo XVIII la luz fue descripta como compuesta de partículas. Si bien el modelo de partículas no puede explicar la difracción, la refracción ni la birrefringencia de la luz, y aunque René Descartes en 1637 propuso una teoría ondulatoria<ref>Descartes, R (1637). Discours de la méthode (Discurso sobre método). (en francés)</ref>;- lo mismo hicieron Robert Hooke en 1665 <ref>Hooke, R (1665). ' "Micrographia: or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon....</ref> y Christian Huygens en 1678-<ref>Huygens, C (1678). Traite de la lumiere (trans. Treatise on Light). (en francés.]]</ref> permanecieron en vigencia especialmente debido a la influencia de Isaac Newton<ref name="Newton1730">Newton, I (1730). Opticks, 4th edition, Dover Publications, Book II, Part III, Propositions XII–XX; Queries 25–29. ISBN 0-486-60205-2.</ref>.
A principios del siglo XIX Thomas Young y August Fresnel demostraron claramente la interferencia y difracción de la luz, y para 1850 los modelos ondulatorios terminaron aceptados.<ref>Buchwald, Jed Z. (1989). The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century. University of Chicago Press. ISBN 0-226-07886-8.</ref> En 1865 las predicciónes de Maxwell relativas a la naturaleza de la luz como onda electromagnética, luego confirmadas experimentalmente en 1888 por Heinrich Hertz <ref name="hertz">Hertz, H (1888). "Über Strahlen elektrischer Kraft". Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin) 1888: 1297–1307. (en alemán)</ref>parecieron indicar el final del modelo de partículas.
La teoría ondulatoria de Maxwell, no explica sin embargo todas las propiedades de la luz. Predice que la energía lumínica depende solamente de la intensidad, no de su frecuencia. Varios tipos de experimentos independientes entre sí han demostrado -por el contrario- que la energía entregada por la luz a los átomos depende de su frecuencia, no de su intensidad. Por ejemplo algunas reacciones fotoquímicas la provoca únicamente luz de una frecuencia mayor a un valor determinado; si la frecuencia no alcanza ese rango, no importa su intensidad, no se inicia la reacción. En forma similar, los electrones pueden ser expulsados de una placa metálica iluminando con radiación de una frecuencia lo suficientemente alta como para iniciar el efecto fotoeléctrico, y la energía de tales electrones se relaciona solo con la frecuencia de la luz incidente, no con su intensidad.
Al mismo tiempo, las investigaciones sobre la radiación de un cuerpo negro realizadas a lo largo de mas de cuatro décadas (1860-1900) por varios científicos<ref name="Wien1911">Wilhelm Wien Nobel Lecture. Delivered 11 December 1911.</ref> culminaron en la hipótesis de Planck<ref name="Planck1901">Planck, M (1901). "Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum". Annalen der Physik 4: 553–563. (en alemán)</ref> <ref name="Planck1918">Max Planck's Nobel Lecture. Publicada 2 de junio 1920.</ref>que propuso que la energía de cualquier sistema que absorbe o emite radiaciones electromagnéticas de frecuencia <math>\nu </math> es un entero mútiplo de un cuanto de energía <math>E = h\nu </math>. Como lo demostró Albert Einstein <ref name="Einstein1905" /><ref name="Einstein1909" /> deben aceptarse algunas formas de cuantización de la energía para explicar el equilibrio térmico observado entre la materia y la radiación electromagnética.
Aunque la teoría de Maxwell se aplica a cualquier energía de radiación electromagnética, la mayoría de los físicos creyeron inicialmente qye la cuantización de la energía resultaba de alguna fuerza aplicada la materia que absorbía o emitía radiación. En 1905 Einstein fue el primero en proponer que esto era una propiedad intrínseca de la radiación electromagnética<ref name="Einstein1905" />. A pesar de aceptar la validez de la teoría de Maxwell, Einstein sugirió que varios experimentos con resultados anómalos podrían explicarse si la energía de una onda de luz maxwelliana estuviera localizada dentro de un punto cuántico que se moviera indepndientemente de otros, aún cuando la onda se difunde en forma continua sobre el espacio.<ref name="Einstein1905" /> En 1909 <ref name="Einstein1909" /> y 1916 <ref name="Einstein1916b" /> Einstein demostró que si era aceptada la teoría de Planck sobre la radiación de los cuerpos negros, la energía cuática debía también poseer momento <math>p=h/\lambda</math>, convirtiéndola en una partícula elemental en todo sentido.
El momento fotónico fue observado experimentalmente por Arthur Compton <ref name="Compton1923">Compton, A (1923). "A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements". Physical Review 21: 483–502.</ref>, quien por este descubrimiento recibió el premio Nobel en 1927. El desafío básico consistió seguidamente en cómo unificar la teoría ondulatoria de Maxwell con las observaciones experimentales sobre el modelo lumínico de partículas. La respuesta a esta pregunta mantuvo ocupado a Einstein por el resto de su vida <ref name="Pais1982">Pais, A (1982). Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press.</ref> y fue resuelta mediante la electrodinámica cuántica y su sucesor, el modelo estándar.
[editar] Primeras objeciones
Las predicciones de Einstein de 1905 fueron demostradas de varias formas dentro de las dos primeras décadas del siglo XX, como se reseña en "Nobel lecture" de Robert Millikan.<ref>Robert A. Millikan's Nobel Lecture. Delivered 23 de mayo 1924.</ref> Sin embargo, antes que los experimentos de Compton <ref name="Compton1923" /> mostraran que los fotones tenían momento proporcional a su frecuencia, la mayoría de los físicos eran reacios a creer que esto pudiera aplicarse a la radiación electromagnética. (véanse por ejemplo los textos de Wien<ref name="Wien1911" />,Planck<ref name="Planck1918" /> y Millikan.<ref name="Millikan1923" />). Esta posición era comprensible dado el éxito y verosimilitud del modelo ondulatorio de Maxwell.Por lo tanto, la mayoría de los físicos sostenían que la cuantización de la energía era consecuencia de alguna acción desconocida sobre la materia que absorbía o emitía radiación. Niels Bohr, Arnold Sommerfeld y otros desarrollaron modelos atómicos con niveles discretos de energía que pudieran explicar cualitativamente las finas líneas espectrales y la cuantización energética observada en la emisión y absorción electromagnética de la luz por parte de los átomos.Estos modelos coincidieron bien con el espectro del hidrógeno, pero no con el de otros elementos. Solamente la dispersión de fotones por un electron libre <ref>Que no puede tener niveles de energía ya que no tiene estructura interna) </ref> realizada por Compton convenció a la mayoría de los investigadores sobre que la misma luyz estaba cuantizada.
Incluso despues del experimento de Compton, Bohr, Hendrik Kramers y John Slater hicieron un último intento por preservar el modelo de campo elctromagnético continuo de Maxwell, que se conoció como el modelo BKS<ref name="Bohr1924">Bohr, N, Kramers HA and Slater JC (1924). "The Quantum Theory of Radiation". Philosophical Magazine 47: 785–802. Tambien Zeitschrift für Physik, 24, 69 (1924).</ref>.
Considerando la evidencia disponible, debieron efectuarse dos hipótesis drásticas:
- Energía y momento se conservan solo en la interacción promedio entre materia y radiación, no en los procesos elementales como absorción y emisión. Esto permitió conciliar el cambio discontínuo de energía atómica (salto entre niveles de energía) con la conversión contínua de energía en radiación.
- La causalidad se abandona. Por ejemplo las emisiones espontáneas son simplemente emisiones inducidas por un campo electromagnético virtual.
Sin embargo, se descubrió que refinando los experimentos de Compton el momento energético se conservaba extraordinariamente bien en los procesos elementales, y también que la excitación del electrón y la generación de un nuevo fotón en la dispersión de Compton obedecían a una causalidad en el orden de 10 ps. De acuedo con esto, Bohr y sus colegas dieron a su modelo un funeral tan honorable como era posible <ref name="Pais1982" />. De cualquier forma, el modelo BKS inspiró a Werner Heisenberg en su desarrollo<ref name="Heisenberg1932">Heisenberg Nobel lecture, publicado 11 de diciembre 1933.</ref> de la mecánica cuántica.
[editar] Características físicas
- El campo electromagnético está cuantizado en forma de fotones.
- Los fotones son partículas cuánticas y como tal tienen una doble naturaleza corpuscular ondulatoria.
- Un fotón se caracteriza por su longitud de onda o frecuencia y su estado de spin. La longitud de onda determina la energía del fotón y su momento lineal. Los fotones son bosones de spin entero, cuyo módulo es 1, y tiene dos y únicamente dos posibles orientaciones +1, -1.
- La masa en reposo de un fotón es idénticamente nula. Por lo tanto, atendiendo a relatividad especial, viaja a la velocidad de la luz y no se puede mantener en reposo (sin movimiento). Por esta razón es una partícula cuyo espín, que más apropiadamente se denomina helicidad, sólo puede tomar valores (+/-)1, y nunca la proyección 0.
[editar] Procesos de producción-destrucción
Los fotones pueden producirse en diversos estados:
- Saltos de los electrones entre orbitales atómicos
- Transiciones cuánticas entre los modos de rotación o vibración de una molécula.
- Transiciones de modos cuánticos en la red cristalina.
- Cualquier fluctuación de un campo electromagnético que dé lugar a radiación electromagnética (por ejemplo la radiación de ciclotrón).
La radiación más intensa se produce en procesos de tipo nuclear:
- Transiciones nucleares
- Aniquilación partícula-antipartícula
En el vacío los fotones se mueven, por definición, a la velocidad de la luz, que es de 299.792.458 m/s. Esta velocidad suele denotarse por la letra c en física. En otros medios su velocidad es inferior, dependiendo, en general la disminución de velocidad, de la frecuencia de la radiación asociada. Por eso es un error decir que la luz viaja a 300.000.000 m/s, y otro error es decir que viaja a esa velocidad en otros medios.
[editar] Referencias
[editar] Véase también
[editar] Enlaces externos
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