Fotón

Fotón (γ)
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:	$1\hbar \;$
Vida media:	Estable
Antipartícula:	Ella misma
Interacciona con:	la Gravedad

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 invariante cero ​ y viaja en el vacío con una velocidad constante $c$. Como todos los cuantos, el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias ("dualidad onda-corpúsculo"). Se comporta como una onda en fenómenos como la refracción que tiene lugar en una lente, o en la cancelación por interferencia destructiva de ondas reflejadas; sin embargo, se comporta como una partícula cuando interacciona con la materia para trasferir una cantidad fija de energía, que viene dada por la expresión

$E={\frac {hc}{\lambda }}$

donde h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz, y $\lambda$ es la longitud de onda. Esto difiere de lo que ocurre con las ondas clásicas, que pueden ganar o perder cantidades arbitrarias de energía. Para la luz visible, la energía portada por un fotón es de alrededor de $4\times 10^{-19}$ julios; esta energía es suficiente para excitar un ojo y dar lugar a la visión.​

La discusión sobre la naturaleza de la luz se remonta hasta la antigüedad. En el siglo XVII, Newton se inclinó por una interpretación corpuscular de la luz, mientras que sus contemporaneos Huygens y Hooke apoyaron la hipótesis de la luz como onda. Experimentos de interferencia, como el realizado por Young en el siglo XIX, confirmaron el modelo ondulatorio de la luz.

La idea de la luz como partícula retornó gracias al concepto de fotón, que fue desarrollado gradualmente entre 1905 y 1917 por Albert Einstein​​​​, y gracias a trabajos anteriores de Planck, en los cuales se introdujo el concepto de cuanto. Esta reinterpretación de la naturaleza de la luz permitió explicar observaciones experimentales tales como el efecto fotoeléctrico (dependencia de la energía con la frecuencia), y la propiedad de la materia y la radiación electromagnética para permanecer en equilibrio térmico.

Otros físicos trataron de explicar las observaciones anómalas mediante otros 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.

El concepto de cuanto evolucionó con el desarrollo de la mecánica cuántica, en la cual se introduce la dualidad onda-partícula, unificando en cierta forma las dos corrientes históricas de interpretación de la luz (la hipótesis corpuscular y la ondulatoria).

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.

Nomenclatura

El fotón fue llamado originalmente por Albert Einstein "cuanto de luz" ( alemán :das Lichtquant) ​ - 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 ​ 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 $\gamma \!$, la letra griega gamma. Este símbolo deriva posiblemente de los rayos gamma, descubiertos y bautizados en 1900 por Villard ​​ y relacionados con la radiación electromagnética en 1914 por Rutherford y Andrade.​. En química e ingeniería óptica, los fotones se simbolizan usualmente con $h\nu \!$, la energía de un fotón donde $h\!$ es la constante de Planck y la letra griega $\nu \!$ es la frecuencia de la partícula. Con mucha menor asiduidad, el fotón puede simbolizarse con hf , cuya frecuencia se indica mediante f.

Propiedades físicas

Diagrama de Feynman mostrando el intercambio de un fotón virtual (simbolizado por una línea ondulada y $\gamma \,$) entre un positrón y un electrón.

El fotón no tiene masa ​ 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 ​ y no se desintegra espontáneamente en el vacío. El fotón tiene dos estados posibles de polarización que pueden describirse mediante tres parámetros continuos: los componentes del vector que determinan su longitud de onda $\lambda \!$ y su dirección de propagación.

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.

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.

Energía y movimiento

Como el fotón no posee masa, se mueve a la velocidad de la luz $c\!$ en el vacío, y su energía $E\!$ y momento $\mathbf {p}$ se relacionan con la ecuación $E=c\,p\!$ , donde $p\!$ es la magnitud de este último.

Comparativamente, la ecuación correspondiente para partículas con masa invariable $m\!$ (distinta de cero) sería: $E^{2}=c^{2}p^{2}+m^{2}c^{4}\!$ como se demuestra en la relatividad especial.

La energía y momento de un fotón depende solo de su frecuencia $\nu \!$ o, lo que es equivalente de su longitud de onda $\lambda \!$.

$E=\hbar \omega =h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}$

$\mathbf {p} =\hbar \mathbf {k}$

en consecuencia la magnitud del momento es:

$p=\hbar k={\frac {h}{\lambda }}={\frac {h\nu }{c}}$

donde $\hbar =h/2\pi \!$ (conocida como Constante de Dirac o constante reducida de Planck); $\mathbf {k}$ es el vector de onda (con el número $k=2\pi /\lambda \!$ como magnitud) y $\omega =2\pi \nu \!$ es la frecuencia angular. Debe tenerse en cuenta que $\mathbf {k}$ 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 ${\sqrt {2}}\hbar$, y el componente medido a lo largo de su dirección de movimiento, su helicidad, debe ser $\pm \hbar$.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.

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​;- lo mismo hicieron Robert Hooke en 1665 ​ y Christian Huygens en 1678-​ permanecieron en vigencia especialmente debido a la influencia de Isaac Newton​.

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.​ En 1865 las predicciónes de Maxwell relativas a la naturaleza de la luz como onda electromagnética, luego confirmadas experimentalmente en 1888 por Heinrich Hertz ​parecieron indicar el final del modelo de partículas.

En 1900, el modelo teórico de la luz de Maxwell como un campo eléctrico y magnético oscilatorio pareció completo.Sin embargo, varias observaciones no podían explicarse por ninguno de los modelos de radiación electromagnética, llevando al concepto de que la energía lumínica estab empaquetada en "cuantos" descriptos como E=hν.Experimentos posteriores mostraron que estos cuantos de luz poseían momento y en consecuencia podían ser considerados partículas elementales. Nacía el concepto de fotón, que llevó a un conocimiento mas profundo de los campos eléctricos y magnéticos.

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​ culminaron en la hipótesis de Planck​ ​que propuso que la energía de cualquier sistema que absorbe o emite radiaciones electromagnéticas de frecuencia $\nu$ es un entero mútiplo de un cuanto de energía $E=h\nu$. Como lo demostró Albert Einstein ​​ 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​. 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.​ En 1909 ​ y 1916 ​ Einstein demostró que si era aceptada la teoría de Planck sobre la radiación de los cuerpos negros, la energía cuática debía también poseer momento $p=h/\lambda$, convirtiéndola en una partícula elemental en todo sentido.

El momento fotónico fue observado experimentalmente por Arthur Compton ​, 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 ​ y fue resuelta mediante la electrodinámica cuántica y su sucesor, el modelo estándar.

Primeras objeciones

Hasta 1923 la mayoría de los físicos eran reacios a aceptar que la radiación electromagnética fuera intrínsecamente cuantizable. Contrariamente, trataban de demostrar la acción del fotón cuantizando a la materia, como en el modelo de Bohr del átomo de hidrógeno. Aunque todos los modelos semiclásicos quedaron descartados por la experimentación, permitieron la evolución hacia la mecánica cuántica.

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.​ Sin embargo, antes que los experimentos de Compton ​ 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​,Planck​ y Millikan.​). 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 ​ realizada por Compton convenció a la mayoría de los investigadores sobre que la misma luz estaba cuantizada.

Incluso después 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​.

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 ​. De cualquier forma, el modelo BKS inspiró a Werner Heisenberg en su desarrollo​ de la mecánica cuántica.

Características físicas

1. El campo electromagnético está cuantizado en forma de fotones.
2. Los fotones son partículas cuánticas y como tal tienen una doble naturaleza corpuscular ondulatoria.
3. 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.
4. 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.

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.

Véase también

• Cuanto
• Física de Partículas
• Óptica

Enlaces externos

• Un manuscrito de Einstein en Brasil en Ciencia Hoy Nº41
• Domesticando a los fotones

Plantilla:Partículas elementales