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¿Qué es un fotón?

Un fotón es el quantum de energía en forma de radiación electromagnética, emitido o absorbido por la materia.

¿Qué es un fotón?

El fotón es un tipo de partícula elemental. De acuerdo a los principios de la física cuántica, es el cuanto del campo electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo:

  • Los rayos gamma.
  • Los rayos X.
  • La luz ultravioleta.
  • La luz visible.
  • La luz infrarroja.
  • Las microondas.
  • Las ondas de radio.

Los fotones tienen masa cero en reposo. Siempre se mueven a la velocidad de la luz en el vacío.

El fotón tiene spin igual a 1, y, por tanto, es un bosón; como que su masa en reposo es nula, la helicidad del fotón sólo puede ser 1 o -1, pero no 0.

El fotón se representa por el símbolo γ.

¿El fotón es una onda o una partícula?

Como todas las partículas elementales, los fotones se explican con la mecánica cuántica. Sin embargo, presentan dualidad onda-partícula, exhibiendo simultáneamente propiedades de ondas y de partículas.

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 interactúa con la materia para transferir una cantidad fija de energía. Esta energía es inversamente proporcional a la longitud de onda.

Por ejemplo, una lente puede refractar un solo fotón y en el proceso interferir con sí mismo como si fuera una onda. O bién, puede actuar como una partícula que tiene una posición definida y una cantidad de movimiento medible.

Observación

Las propiedades de onda y de quantum del fotón son dos aspectos observables de un mismo fenómeno.

Su naturaleza no puede ser descrita en términos de ningún modelo mecánico. Por lo tanto, la representación de esta propiedad dual de la luz, que asume que la energía se concentra en ciertos puntos del frente de onda, es también imposible.

Los cuantos en una onda de luz no se pueden localizar en el espacio; se toma nota de algunos parámetros físicos definidos del fotón.

El fotón en la física de partículas

En el modelo estándar de la física de partículas, los fotones y otras partículas elementales se describen como una consecuencia necesaria del hecho de que las leyes de la física tengan una cierta simetría en el espacio-tiempo. Las propiedades intrínsecas de las partículas, como la carga eléctrica, la masa y el espín vienen determinadas por las propiedades de esta simetría de gauge.

El concepto de fotón ha conducido a avances trascendentes en física teórica y experimental. Por ejemplo:

  • Los láseres
  • El condensado de Bose-Einstein
  • La teoría cuántica de campos
  • La interpretación probabilística de la mecánica cuántica.

Se ha aplicado en fotoquímica, en la microscopía de alta resolución y en la medida de distancias moleculares. Recientemente, los fotones se han estudiado como elemento de los ordenadores cuánticos y por sus aplicaciones en imaginería óptica y comunicación óptica como la criptografía cuántica.

Propiedades de un protón

Un fotón no tiene masa, no tiene carga eléctrica, y es una partícula estable.

En el vacío, un fotón tiene dos posibles estados de polarización. El fotón es el bosón de calibre para el electromagnetismo. Por lo tanto, todos los demás números cuánticos del fotón (como el número de leptones, el número de bariones y los números cuánticos de sabor) son cero. Además, el fotón no obedece el principio de exclusión de Pauli, pero en cambio obedece las estadísticas de Bose-Einstein.

Los fotones se emiten en muchos procesos naturales. Por ejemplo:

  • Cuando una carga se acelera, emite radiación sincrotrón.
  • Durante una transición molecular, atómica o nuclear a un nivel de energía más bajo, se emitirán fotones de varias energías, que van desde ondas de radio hasta rayos gamma.
  • Cuando una partícula y su antipartícula correspondiente se aniquilan (por ejemplo, aniquilación electrón-positrón).
    ComposiciónPartícula elemental
    InteraccionesElectromagnético, Débil , Gravedad
    Símboloγ
    TeorizadoAlbert Einstein (1905)
    El nombre de "fotón" se atribuye generalmente a Gilbert N. Lewis (1926)
    Masa0
    <1 × 10 −18  eV / c 2
    Vida mediaEstable
    Carga eléctrica0 <1 × 10 −35  e 
    Spin1
    Paridad−1
    C paridad−1

    ¿Para qué se usan los fotones?

    Los fotones tienen muchas aplicaciones en tecnología. Por ejemplo el láser.

    El láser es una aplicación extremadamente importante.

    Los fotones individuales se pueden detectar por varios métodos. El tubo fotomultiplicador clásico explota el efecto fotoeléctrico: un fotón de suficiente energía golpea una placa de metal y libera un electrón, iniciando una avalancha de electrones cada vez más amplia.

    Chips

    Los chips de dispositivos acoplados a carga semiconductores usan un efecto similar: un fotón incidente genera una carga en un condensador microscópico que puede detectarse. Otros detectores, como los contadores Geiger, usan la capacidad de los fotones para ionizar las moléculas de gas contenidas en el dispositivo, causando un cambio detectable de la conductividad del gas.

    Ingeniería y química

    Los ingenieros y los químicos suelen utilizarlo en el diseño. Se utilizan tanto para calcular el cambio de energía resultante de una absorción de fotones como para determinar la frecuencia de la luz emitida por una emisión de fotones dada.

    Por ejemplo, el espectro de emisión de una lámpara de descarga de gas puede alterarse llenándola con (mezclas de) gases con diferentes configuraciones electrónicas de nivel de energía.

    En algunas condiciones, una "transición energética" puede ser excitada por "dos" fotones que individualmente serían insuficientes. Esto permite una microscopía de mayor resolución, porque la muestra absorbe energía solo en el espectro donde dos haces de diferentes colores se superponen significativamente, lo que puede hacerse mucho más pequeño que el volumen de excitación de un solo haz (ver microscopía de excitación de dos fotones ). Además, estos fotones causan menos daño a la muestra, ya que son de menor energía.

    Biología molecular

    En algunos casos, se pueden acoplar dos transiciones de energía para que, a medida que un sistema absorbe un fotón, otro sistema cercano "robe" su energía y vuelva a emitir un fotón de una frecuencia diferente. Esta es la base de la transferencia de energía de resonancia de fluorescencia, una técnica que se utiliza en biología molecular para estudiar la interacción de proteínas adecuadas.

    Generación de números aleatorios

    Varios tipos diferentes de generadores de números aleatorios de hardware implican la detección de fotones individuales.

    En un ejemplo, por cada bit en la secuencia aleatoria que se va a producir, se envía un fotón a un divisor de haz. En tal situación, hay dos posibles resultados de igual probabilidad. El resultado real se utiliza para determinar si el siguiente bit de la secuencia es "0" o "1".

    ¿Cuándo apareció el concepto de fotón por primera vez?

    En la mayoría de las teorías hasta el siglo XVII y XVIII, la luz se consideraba formada por partículas. El hecho de que los modelos de partículas no pudieran explicar fenómenos como la difracción, la refracción o la birrefringencia de la luz, hizo que René Descartes,​ Robert Hooke y Christian Huygens en  propusieron teorías ondulatorias para la luz. Sin embargo, los modelos de partículas permanecieron vigentes, principalmente debido a la influencia de Isaac Newton.

    Albert Einstein

    El concepto moderno del fotón fue desarrollado de forma gradual por Albert Einstein a principios del siglo XX. Este concepto se utilizó para explicar las observaciones experimentales que no concordaban con el modelo clásico de la luz como onda electromagnética.

    El modelo del fotón cuadraba con el hecho de que la energía de la luz dependiera de su frecuencia. Explicaba la capacidad de la materia y la radiación electromagnética de estar en equilibrio térmico. Además, el modelo del fotón también explicaba ciertas observaciones anómalas como la radiación del cuerpo negro que otros físicos habían intentado explicar empleando modelos semi-clásicos. Por ejemplo, Max Planck.

    Modelo de Planck

    En el modelo de Planck, la luz estaba descrita por las ecuaciones de Maxwell pero los objetos materiales que emitían y absorbían luz lo hacían en paquetes discretos de energía. Aunque estos modelos semi-clásicos contribuyeron al desarrollo de la mecánica cuántica, varios experimentos posteriores validan la hipótesis de Einstein que la luz en sí está cuantificada. Empezando por el efecto Compton.

    Aceptación del término

    En 1926 el físico óptico Frithiof Wolfers y el químico Gilbert N. Lewis acuñaron el término «fotón» por estas partículas.

    Después de que Arthur H. Compton ganara el Premio Nobel en 1927 por su estudios de dispersión, la mayoría de científicos aceptaron que los cuantos de luz tienen una existencia independiente y se aceptó el nombre de fotón por estos cuantos.

    ¿Qué relación tienen los fotones con la energía solar fotovoltaica?

    La energía solar fotovoltaica consiste en convertir la radiación solar en electricidad. La radiación solar viaja del sol hacia la tierra a través de los fotones.

    Algunos de los fotones impactan sobre la primera superficie del panel solar. Penetran en él. Los materiales semiconductores de las placas fotovoltaicas los absorben.

    Los fotones golpean los electrones presentes en los átomos de los semiconductores. De este modo, los electrones se liberan de sus átomos. Los electrones libres pueden viajar por un conductor y generar una corriente eléctrica. Es la electricidad.

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      Autor:

      Fecha publicación: 13 de mayo de 2015
      Última revisión: 1 de mayo de 2020