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¿Que es un Fotón?


El fotón es un tipo de partícula elemental, el cuanto del campo electromagnético, incluida la radiación electromagnética, como la luz, y el transportador de fuerza para la fuerza electromagnética. El fotón tiene masa de reposo cero y siempre se mueve a la velocidad de la luz dentro del vacío.

En física, el término cuanto denota en la mecánica cuántica tanto el valor mínimo que puede tomar una determinada magnitud en un sistema físico, como la mínima variación posible de este parámetro al pasar de un estado discreto a otro. Se habla de que una determinada magnitud está cuantizada según el valor del cuanto. Es decir, el cuanto es una proporción determinada por la magnitud dada.

Al igual que todas las partículas elementales, los fotones se explican mejor mediante la mecánica cuántica y presentan una dualidad de onda-partícula, que exhibe propiedades de ambas ondas y partículas. Por ejemplo, un solo fotón puede ser refractado por una lente y exhibir interferencia de onda, y puede comportarse como una partícula con una posición o impulso medible definido y finito, aunque no ambos al mismo tiempo.

La onda del fotón y las cualidades cuánticas son dos aspectos observables de un fenómeno único: no pueden describirse mediante ningún modelo mecánico; no es posible una representación de esta propiedad dual de la luz, que asume ciertos puntos en el frente de onda como sede de la energía. Los cuantos en una onda de luz no están localizados.

Un fotón no tiene masa, no tiene carga eléctrica y es una partícula estable. Un fotón tiene dos posibles estados de polarización. En la representación de momento del fotón, en la teoría cuántica de campos, un fotón se describe por su vector de onda, que determina su longitud de onda λ y su dirección de propagación.

El vector de onda de un fotón puede no ser cero y puede representarse como un vector de tres vectores espaciales o como un cuadrivector (relativista).

Cuadrivector

Los diferentes signos de un cuadrivector denotan diferentes polarizaciones circulares, pero en la representación de 3 vectores uno debe tener en cuenta el estado de polarización por separado; en realidad es un número cuántico de giro. En ambos casos, el espacio de posibles vectores de onda es tridimensional.


Cuantos físicos de luz

A diferencia de Planck, Einstein albergaba la posibilidad de que pudiera haber cuantos físicos reales de luz, lo que ahora llamamos fotones. Se dio cuenta de que un cuanto ligero con energía proporcional a su frecuencia explicaría una serie de acertijos y paradojas problemáticas, incluida la ley inédita de Stokes, la catástrofe ultravioleta y el efecto fotoeléctrico.

La ley de Stokes simplemente dice que la frecuencia de la luz fluorescente no puede ser mayor que la frecuencia de la luz (generalmente ultravioleta) que la induce.

Einstein eliminó la catástrofe ultravioleta al imaginar que un gas de fotones se comportaba como un gas de electrones que había considerado previamente. Un colega le aconsejó que tuviera cuidado de cómo iba a escribir este artículo, para no desafiar a Planck, una figura poderosa en física, y de hecho la advertencia estaba justificada, ya que Planck nunca le perdonó que escribiera este artículo.

Las predicciones de Einstein de 1905 se verificaron experimentalmente de varias maneras en las dos primeras décadas del siglo XX. Por ejemplo, el efecto Compton, que fue estudiado por el físico Arthur Compton en 1923, quien pudo explicarlo utilizando la noción cuántica de la radiación electromagnética como cuantos de energía y la mecánica relativista de Einstein.

El efecto Compton constituyó la demostración final de la naturaleza cuántica de la luz tras los estudios de Planck sobre el cuerpo negro y la explicación de Albert Einstein del efecto fotoeléctrico.

Sin embargo, antes de que el experimento de Compton mostrará que los fotones transportan un impulso proporcional a su número de onda, la mayoría de los físicos estaban escépticos, no podían creer que la radiación electromagnética en sí misma podría ser "particulada".

Dualidad de Onda-Partícula

Los fotones, como todos los objetos cuánticos, exhiben propiedades onduladas y similares a las partículas. Su naturaleza dual de partículas de onda puede ser difícil de visualizar. El fotón muestra fenómenos claramente ondulatorios como la difracción y la interferencia en la escala de longitud de su longitud de onda.

Por ejemplo, un solo fotón que pasa a través de un experimento de doble rendija muestra fenómenos de interferencia, pero solo si no se realiza ninguna medida en la rendija. Un solo fotón que pasa por un instrumento experimental de doble rendija aterriza en la pantalla con una distribución de probabilidad dada por su patrón de interferencia, determinado por las ecuaciones de Maxwell.

Sin embargo, los experimentos confirman que el fotón no es un pulso corto de radiación electromagnética; no se extiende a medida que se propaga, ni se divide cuando se encuentra con un divisor de haz.

Por el contrario, el fotón parece ser un punto material, ya que se absorbe o se emite en su conjunto mediante sistemas arbitrariamente pequeños, sistemas mucho más pequeños que su longitud de onda, como un núcleo atómico. Sin embargo, el fotón no es un punto material cuya trayectoria está conformada probabilísticamente por el campo electromagnético, tal como lo concibieron Einstein y otros científicos.

Un campo electromagnético es un campo físico, de tipo tensorial, producido por aquellos elementos cargados eléctricamente, que afecta a partículas con carga eléctrica.

De acuerdo con nuestro entendimiento actual, el campo electromagnético en sí mismo es producido por fotones, que a su vez resultan de una simetría de calibre local y las leyes de la teoría cuántica de campos.

Un elemento clave de la mecánica cuántica es el principio de incertidumbre de Heisenberg, que prohíbe la medición simultánea de la posición y el momento de una partícula en la misma dirección. Sorprendentemente, el principio de incertidumbre, para partículas materiales cargadas, requiere la cuantificación de la luz en fotones, e incluso la dependencia de la frecuencia de la energía y el momento del fotón.
Fotones en la materia

La luz que viaja a través de la materia transparente lo hace a una velocidad inferior a C, la velocidad de la luz en el vacío. Por ejemplo, los fotones se involucran en tantas colisiones en el camino desde el núcleo del sol, que la energía radiante puede tardar alrededor de un millón de años en llegar a la superficie solar; sin embargo, una vez en el espacio abierto, un fotón tarda solo 8,3 minutos en llegar a la Tierra.

El factor por el que se reduce la velocidad se denomina índice de refracción del material. En una imagen de onda clásica, la ralentización puede explicarse por la polarización eléctrica que induce la luz en la materia, la materia polarizada irradia nueva luz y esa nueva luz, interfiere con la onda de luz original para formar una onda retardada.

En una imagen de partículas, la desaceleración puede describirse como una mezcla del fotón con excitaciones cuánticas de la materia para producir cuasipartículas conocidas como polaritones (otras cuasipartículas son fonones y excitones); este polariton tiene una masa efectiva distinta de cero, lo que significa que no puede viajar en C. La luz de diferentes frecuencias puede viajar a través de la materia a diferentes velocidades; esto se llama dispersión. En algunos casos, puede provocar velocidades de luz extremadamente lentas en la materia. Los efectos de las interacciones de fotones con otras cuasipartículas se pueden observar directamente en la dispersión de Raman y la dispersión de Brillouin.

La dispersión de Raman es la dispersión inelástica de un fotón por moléculas que se excitan a niveles de energía de vibración o rotación más altos. El efecto fue pronosticado teóricamente por Adolf Smekal en 1923.

La dispersión de Brillouin, se refiere a la interacción de las ondas de luz y material dentro de un medio. Está mediado por la dependencia del índice de refracción de las propiedades del material del medio; como se describe en la óptica, el índice de refracción de un material transparente cambia bajo la deformación (compresión-distensión o desviación-cortante).

Los fotones también pueden ser absorbidos por núcleos, átomos o moléculas, provocando transiciones entre sus niveles de energía. Un ejemplo clásico es la transición molecular de la retina, responsable de la visión, descubierta en 1958 por el bioquímico laureado con el Premio Nobel George Wald y sus colaboradores. La absorción provoca una isomerización cis-trans que, en combinación con otras transiciones de este tipo, se transduce en impulsos nerviosos. La absorción de fotones puede incluso romper enlaces químicos, como en la fotodisociación del cloro; este es el tema de la fotoquímica.


Aplicaciones tecnológicas

Los fotones tienen muchas aplicaciones en tecnología. El láser es una aplicación extremadamente importante.

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

Los chips de dispositivos acoplados a carga de semiconductores utilizan un efecto similar: un fotón incidente genera una carga en un condensador microscópico que se puede detectar.

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 conductividad del gas.

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