Fotó

Archiu:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.jpg

Fotó

En física moderna, el fotó (en grec φῶς phōs (gen. φωτός) 'llum', i -ón) és la partícula elemental responsable de les manifestacions quàntiques del fenomen electromagnètic. És la partícula portadora de totes les formes de radiació electromagnètica, inclosos els rajos gamma, els rajos X, la llum ultravioleta, la llum visible, la llum infrarroja, les microonas i les ones de radi.

El fotó té una massa invariante zero, i viaja en el buit en una velocitat constant $c$. Com tots els quants, el fotó presenta tant propietats corpusculars com ondulatorias ("dualitat ona-corpúscul"). Es comporta com una ona en fenomens com la refracció que té lloc en una lent, o en la cancelació per interferència destructiva d'ones reflectides; no obstant, es comporta com una partícula quan interactua en la matèria per a transferir una cantitat fixa d'energia, que ve donada per l'expressió:

a on h és la constant de Planck, c és la velocitat de la llum, $\lambda$ és la llongitut d'ona i $\nu$ la freqüència de l'ona. Açò diferix de lo que ocorre en les ones clàssiques, que poden guanyar o perdre cantitats arbitràries d'energia. Per a la llum visible, l'energia portada per un fotó és d'al voltant de 3.44×10^–19 juliol; esta energia és suficient per a excitar les cèlules oculars fotosensibles i donar lloc a la visió.

Ademés d'energia, els fotons duen també associat un moment llineal i tenen una polarisació. Seguixen les lleis de la mecànica quàntica, lo que significa que a sovint estes propietats no tenen un valor ben definit per a un fotó donat. En el seu lloc es parla de les provabilitats de que tinga una certa polarisació, posició o moment llineal. Per eixemple, encara que un fotó pot excitar una molècula, a sovint és impossible predir quin serà la molècula excitada.

La descripció anterior d'un fotó com un portador de radiació electromagnètica és utilisada en freqüència pels físics. No obstant, en física teòrica, un fotó pot considerar-se com un mediador per a qualsevol tipo d'interacció electromagnètica.

La discussió sobre la naturalea de la llum es remonta fins a l'antiguetat. En el XVII, Newton es va inclinar per una interpretació corpuscular de la llum, mentres que els seus contemporàneus Huygens i Hooke varen recolzar l'hipòtesis de la llum com a ona. Experiments d'interferència, com el realisat per Young en el XIX, varen confirmar el model ondulatorio de la llum.

L'idea de la llum com a partícula va retornar en el concepte modern de fotó, que va ser desenrollat gradualment entre 1905 i 1917 per Albert Einstein recolzant-se en treballs anteriors de Planck, en els quals es va introduir el concepte de quant. En el model de fotó podien explicar-se observacions experimentals que no encaixaven en el model ondulatorio clàssic de la llum. En particular, explicava cóm l'energia de la llum depenia de la freqüència (dependència observada en l'efecte fotoeléctrico) i la capacitat de la matèria i la radiació electromagnètica per a permanéixer en equilibri tèrmic.

Atres físics varen tractar d'explicar les observacions anómales per mig de models "semiclásicos", en els que la llum era descrita encara per mig de les equacions de Maxwell, encara que els objectes materials que emetien i absorbien llum estaven cuantizados. Encara que estos models semiclásicos varen contribuir al desenroll de la mecànica quàntica, experiments posteriors han provat les hipòtesis d'Einstein sobre la cuantización de la llum (els quants de llum són els fotons).

El concepte de fotó ha dut a alvanços molt importants en física teòrica i experimental, tals com la teoria quàntica de camps, el condensado de Bose-Einstein i l'interpretació provabilística de la mecànica quàntica, i a invents com el làser.

D'acort en el model estàndar de física de partícules els fotons són els responsables de produir tots els camps elèctrics i magnètics, i a la seua volta són el resultat de que les lleis físiques tinguen certa simetria en tots els punts del espai-temps. Les propietats intrínseques dels fotons (massa invariante i espin) estan determinades per les propietats de la simetria de Gauge.

Els fotons s'apliquen a moltes àrees, com la fotoquímica, el microscopi fotònic i la medició de distàncies moleculars. Inclús li'ls ha estudiat com a components de computadores quàntiques i en aplicacions sofisticades de comunicació òptica com per eixemple en criptografia quàntica.

Nomenclatura

El fotó va ser anomenat originalment per Albert Einstein «quant de llum» (en alemán: Lichtquant). El seu nom modern prové de la paraula grega φῶς (que es transcribe com phôs), que significa llum, i va ser falcat en 1926 pel físic Gilbert N. Lewis, qui va publicar una teoria especulativa en la que els fotons no es podien «crear ni destruir». Encara que la teoria de Lewis mai va ser acceptada —i va ser contradita en molts experiments— el nou nom "fotó" va ser adoptat en seguida per la majoria dels científics.

En física, el fotó es representa normalment en el símbol γ (la lletra grega gamma minúscula). Este símbol prové possiblement dels rajos gamma, descoberts i batejats en eixe nom en 1900 per Villard i que varen resultar ser una forma de radiació electromagnètica segons varen demostrar Rutherford i Andrade en 1914. En química i ingenieria òptica, els fotons se simbolisen habitualment per $h\nu$, que representa també l'energia associada a un fotó, a on $h$ és la constant de Planck i la lletra grega $\nu$ és la freqüència de la partícula. En molta menor assiduïtat, el fotó també es representa per $hf$, sent $f$, en este cas, la freqüència.

Propietats físiques

Artícul principal → Teoria de la relativitat especial.

Archiu:Bhabha T channel.svg

Diagrama de Feynman mostrant l'intercanvi d'un fotó virtual (simbolisat per una llínea ondulada i $\gamma$) entre un positrón i un electró.

El fotó no té massa, tampoc posseïx càrrega elèctrica i no es desintegra espontàneament en el buit. El fotó té dos estats possibles de polarisació que poden descriure's per mig de tres paràmetros continus: les components de la seua vector d'ona, que determinen la seua llongitut d'ona $\lambda$ i la seua direcció de propagació. El fotó és el bosón de gauge de l'interacció electromagnètica, i per tant tots els atres números quàntics —com el número leptónico, el número bariónico o l'estranyea— són exactament zero.

Emissió

Els fotons són emesos per molts processos naturals, com quan les partícules carregades es ralentisen durant una transició molecular, atòmica o nuclear a un nivell d'energia més baix, o quan es aniquila una partícula en la seua antipartícula.

Absorció

Els fotons s'absorbixen en els processos de reversión temporal que es corresponen en els ya mencionats: per eixemple, en la producció de parells partícula-antipartícula o en les transicions moleculars, atòmiques o nuclears a un nivell d'energia més alt.

Energia i moviment

En l'espai buit els fotons es mouen a la velocitat de la llum $c$, i la seua energia $E$ i moment llineal p estan relacionats per mig de l'expressió $E=cp$, a on $p$ és el mòdul del moment llineal. En comparació, l'equació corresponent a partícules en una massa $m$ és $E^2=c^2{p}^2+m^2{c}^4$, com es demostra en la relativitat especial.

L'energia i el moment llineal d'un fotó depenen únicament del seu freqüència $\nu$ o, lo que és equivalent, de la seua llongitut d'ona $\lambda$.

$E=\hslash \omega =h\nu =\frac{hc}{\lambda }$ $𝐩=\hslash 𝐤$

i en conseqüència el mòdul del moment llineal és:

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

a on $\hslash =h/2\pi$ (coneguda com constant de Dirac o constant reduïda de Planck); k és el vector d'ona (de mòdul $k=2\pi /\lambda$) i $\omega =2\pi \nu$ és la freqüència angular. Deu tindre's en conte que k apunta en la direcció de propagació del fotó. Est té ademés moment angular d'espin que no depén de la freqüència. El mòdul de tal espin és $\sqrt{2}\hslash$, i la component medida a lo llarc de la seua direcció de moviment, el seu helicidad, té que ser $\pm \hslash$. Estos dos possibles valors corresponen als dos possibles estats de polarisació circular del fotó (en sentit horari o antihorario).

Per a ilustrar l'importància d'estes fòrmules, l'aniquilació d'una partícula en la seua antipartícula té que donar lloc a la creació d'a lo manco dos fotons per la següent raó: en el sistema de referència fix en el centre de masses, les antipartículas que colisionen no tenen moment llineal net, mentres que un fotó aïllat sempre ho té. En conseqüència, la llei de conservació del moment llineal requerix que a lo manco es creuen dos fotons per a que el moment llineal resultant puga ser igual a zero. Les energies dels dos fotons —o lo que és equivalent, les seues freqüències— poden determinar-se per les lleis de conservació. El procés invers, la creació de parells, és el mecanisme principal pel que els fotons d'alta energia (com els rajos gamma) perden energia en passar a través de la matèria.

Les fòrmules clàssiques per a l'energia i el moment llineal de la radiació electromagnètica poden ser expressades també en térmens d'events fotònics. Per eixemple, la pressió de radiació electromagnètica sobre un objecte és deguda a la transferència de moment llineal dels fotons per unitat de temps i unitat de superfície de l'objecte, ya que la pressió és força per unitat de superfície i la força, a la seua volta, és la variació del moment llineal per unitat de temps.