Fotón


En física moderna, el fotón (en griego φῶς phōs (gen. φωτός) 'luz', y -ón) es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluidos los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio.

El fotón tiene una masa invariante cero,[Nota 1]​ y viaja en el vacío con una velocidad constante . 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 interactúa con la materia para transferir una cantidad fija de energía, que viene dada por la expresión:

donde h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz, es la longitud de onda y la frecuencia de la 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 3.44×10–19 julios; esta energía es suficiente para excitar las células oculares fotosensibles y dar lugar a la visión.[1]

Además de energía, los fotones llevan también asociado un momento lineal y tienen una polarización. Siguen las leyes de la mecánica cuántica, lo que significa que a menudo estas propiedades no tienen un valor bien definido para un fotón dado. En su lugar se habla de las probabilidades de que tenga una cierta polarización, posición o momento lineal. Por ejemplo, aunque un fotón puede excitar una molécula, a menudo es imposible predecir cuál será la molécula excitada.

La descripción anterior de un fotón como un portador de radiación electromagnética es utilizada con frecuencia por los físicos. Sin embargo, en física teórica, un fotón puede considerarse como un mediador para cualquier tipo de interacción electromagnética.


Diagrama de Feynman mostrando el intercambio de un fotón virtual (simbolizado por una línea ondulada y ) entre un positrón y un electrón.
El experimento de la doble rendija de Thomas Young en 1805 demostró que la luz se comportaba como una onda, lo que ayudó a rechazar las anteriores teorías corpusculares.
En 1900, el modelo teórico de la luz de Maxwell, como dos campos oscilatorios (uno eléctrico y otro magnético) pareció completo. Sin embargo, diversas observaciones no podían explicarse según los modelos de radiación electromagnética, lo que llevó a la conclusión de que la energía lumínica estaba empaquetada en cuantos descritos por . Experimentos posteriores mostraron que estos cuantos de luz también poseían momento lineal y en consecuencia podían ser considerados partículas. Nacía así el concepto de fotón, que llevaría a un conocimiento más profundo de los campos eléctricos y magnéticos..
Hasta 1923 la mayoría de los físicos eran reacios a aceptar que la radiación electromagnética fuera intrínsecamente cuantizable. En su lugar, trataron de justificar el comportamiento del fotón cuantizando la materia, como en el modelo de Bohr del átomo de hidrógeno (mostrado aquí). Aunque todos los modelos semiclásicos del átomo han quedado descartados por la experimentación, permitieron la evolución hacia la mecánica cuántica.
Experimento mental de Heisenberg para localizar un electrón (representado en azul) con un microscopio de rayos gamma de alta resolución. El rayo gamma incidente (mostrado en verde) es desviado hacia arriba por el electrón dentro de la apertura angular del microscopio. El rayo gamma desviado se muestra en rojo. La óptica clásica demuestra que la posición del electrón solo puede determinarse con una incertidumbre que depende de y de la longitud de onda del rayo de luz incidente.
La emisión estimulada (en la cual los fotones se "clonan" a sí mismos) fue predicha por Einstein en su deducción de E=hν, y condujo al desarrollo del láser.
Diferentes modos electromagnéticos (como los descritos aquí) pueden tratarse como osciladores armónicos simples independientes. Un fotón corresponde a una unidad de energía en su modo electromagnético.
En la teoría de campos cuántica, la probabilidad de los eventos se calcula mediante la suma de todas las posibles formas en las que pueden suceder, como en el diagrama de Feynman mostrado aquí.
Nombre y carga eléctrica de los componentes de la materia.
Transformación en el retinal tras la absorción de un fotón γ de longitud de onda correcta.