El fotón (griego: φῶς, phōs, luz) es un tipo de partícula elemental . Es el cuanto del campo electromagnético, incluida la radiación electromagnética , como la luz y las ondas de radio , y el portador de fuerza de la fuerza electromagnética . Los fotones no tienen masa , [a] por lo que siempre se mueven a la velocidad de la luz en el vacío ,299 792 458 m / s (o aproximadamente 186,282 mi / s). El fotón pertenece a la clase de bosones .
Composición | Partícula elemental |
---|---|
Estadísticas | Bose-Einstein |
Interacciones | Electromagnético , Débil , Gravedad |
Símbolo | γ |
Teorizado | Albert Einstein (1905) El nombre de "fotón" se atribuye generalmente a Gilbert N. Lewis (1926) |
Masa | 0 <1 × 10 −18 eV / c 2 [1] |
Vida media | Estable [1] |
Carga eléctrica | 0 <1 × 10 −35 e [1] |
Girar | 1 |
Paridad | −1 [1] |
Paridad C | −1 [1] |
Condensado | Yo ( J P C ) = 0,1 (1 −− ) [1] |
Como todas las partículas elementales, los fotones actualmente se explican mejor mediante la mecánica cuántica y exhiben dualidad onda-partícula , su comportamiento presenta propiedades tanto de ondas como de partículas . [2] El concepto de fotón moderno se originó durante las dos primeras décadas del siglo XX con el trabajo de Albert Einstein , quien se basó en la investigación de Max Planck . Al tratar de explicar cómo la materia y la radiación electromagnética podrían estar en equilibrio térmico entre sí, Planck propuso que la energía almacenada dentro de un objeto material debería considerarse como compuesta por un número entero de partes discretas de igual tamaño. Para explicar el efecto fotoeléctrico , Einstein introdujo la idea de que la luz misma está hecha de unidades discretas de energía. En 1926, Gilbert N. Lewis popularizó el término fotón para estas unidades de energía. [3] [4] [5] Posteriormente, muchos otros experimentos validaron el enfoque de Einstein. [6] [7] [8]
En el modelo estándar de física de partículas , los fotones y otras partículas elementales se describen como una consecuencia necesaria de las leyes físicas que tienen una cierta simetría en cada punto del espacio-tiempo . Las propiedades intrínsecas de las partículas, como la carga , la masa y el giro , están determinadas por esta simetría de calibre . El concepto de fotón ha dado lugar a avances trascendentales en la física teórica y experimental, incluidos los láseres , la condensación de Bose-Einstein , la teoría cuántica de campos y la interpretación probabilística de la mecánica cuántica. Se ha aplicado a la fotoquímica , la microscopía de alta resolución y la medición de distancias moleculares . Recientemente, los fotones se han estudiado como elementos de las computadoras cuánticas y para aplicaciones en imágenes ópticas y comunicación óptica como la criptografía cuántica .
Nomenclatura
La palabra quanta ( cuántico singular , en latín para cuánto ) se usó antes de 1900 para referirse a partículas o cantidades de diferentes cantidades , incluida la electricidad . En 1900, el físico alemán Max Planck estaba estudiando la radiación del cuerpo negro y sugirió que las observaciones experimentales, específicamente en longitudes de onda más cortas , se explicarían si la energía almacenada dentro de una molécula fuera una "cantidad discreta compuesta de un número entero de elementos finitos". partes iguales ", a las que llamó" elementos energéticos ". [9] En 1905, Albert Einstein publicó un artículo en el que propuso que muchos fenómenos relacionados con la luz, incluida la radiación de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico, se explicarían mejor modelando ondas electromagnéticas como si fueran paquetes de ondas discretos y localizados en el espacio. . [10] Llamó a este tipo de paquete de ondas el cuanto de luz (en alemán: das Lichtquant ). [B]
El nombre fotón deriva de la palabra griega para luz, φῶς ( phös transcrito ). Arthur Compton usó fotón en 1928, refiriéndose a Gilbert N. Lewis , quien acuñó el término en una carta a Nature el 18 de diciembre de 1926. [3] [11] El mismo nombre se usó antes, pero nunca fue ampliamente adoptado antes de Lewis: en 1916 por el físico y psicólogo estadounidense Leonard T. Troland , en 1921 por el físico irlandés John Joly , en 1924 por el fisiólogo francés René Wurmser (1890-1993) y en 1926 por el físico francés Frithiof Wolfers (1891-1971). [5] El nombre se sugirió inicialmente como una unidad relacionada con la iluminación del ojo y la sensación de luz resultante y se usó más tarde en un contexto fisiológico. Aunque las teorías de Wolfers y Lewis fueron contradichas por muchos experimentos y nunca fueron aceptadas, el nuevo nombre fue adoptado muy pronto por la mayoría de los físicos después de que Compton lo usara. [5] [c]
En física, un fotón generalmente se denota con el símbolo γ (la letra griega gamma ). Este símbolo del fotón probablemente deriva de los rayos gamma , que fueron descubiertos en 1900 por Paul Villard , [13] [14] nombrados por Ernest Rutherford en 1903, y que Rutherford y Edward Andrade demostraron que son una forma de radiación electromagnética en 1914 . [15] En química e ingeniería óptica , los fotones suelen estar simbolizados por hν , que es la energía del fotón , donde h es la constante de Planck y la letra griega ν ( nu ) es la frecuencia del fotón . [16] Con mucha menos frecuencia, el fotón se puede simbolizar por hf , donde su frecuencia se denota por f . [17]
Propiedades físicas
Un fotón no tiene masa , [d] no tiene carga eléctrica , [18] [19] y es una partícula estable . En el vacío, un fotón tiene dos posibles estados de polarización . [20] El fotón es el bosón gauge para el electromagnetismo , [21] : 29-30 y, por lo tanto, todos los demás números cuánticos del fotón (como el número leptónico , el número bariónico y los números cuánticos de sabor ) son cero. [22] Además, el fotón no obedece al principio de exclusión de Pauli , sino que obedece a las estadísticas de Bose-Einstein . [23] : 1221
Los fotones se emiten en muchos procesos naturales. Por ejemplo, cuando se acelera una carga , emite radiación de sincrotrón . Durante una transición molecular , atómica o nuclear a un nivel de energía más bajo , se emitirán fotones de diversas energías, que van desde ondas de radio hasta rayos gamma . Los fotones también se pueden emitir cuando una partícula y su antipartícula correspondiente son aniquiladas (por ejemplo, aniquilación electrón-positrón ). [23] : 572,1114,1172
Energía e impulso relativistas
En el espacio vacío, el fotón se mueve en c (la velocidad de la luz ) y su energía y momento están relacionados por E = pc , donde p es la magnitud del vector de momento p . Esto se deriva de la siguiente relación relativista, con m = 0 : [24]
La energía y el momento de un fotón dependen solo de su frecuencia () o inversamente, su longitud de onda ( λ ):
donde k es el vector de onda (donde el número de onda k = | k | = 2π / λ ), ω = 2π ν es la frecuencia angular y ħ = h / 2π es la constante de Planck reducida . [25]
Dado que p apunta en la dirección de la propagación del fotón, la magnitud del momento es
El fotón también lleva una cantidad llamada momento angular de espín que no depende de su frecuencia. [26] Debido a que los fotones siempre se mueven a la velocidad de la luz, el espín se expresa mejor en términos de la componente medida a lo largo de su dirección de movimiento, su helicidad , que debe ser + ħ o −ħ . Estas dos posibles helicidades, llamadas diestras y zurdas, corresponden a los dos posibles estados de polarización circular del fotón. [27]
Para ilustrar el significado de estas fórmulas, la aniquilación de una partícula con su antipartícula en el espacio libre debe resultar en la creación de al menos dos fotones por la siguiente razón. En el centro del marco de impulso , las antipartículas que chocan no tienen impulso neto, mientras que un solo fotón siempre tiene impulso (ya que, como hemos visto, está determinado por la frecuencia o longitud de onda del fotón, que no puede ser cero). Por tanto, la conservación de la cantidad de movimiento (o, de manera equivalente, la invariancia de traslación ) requiere que se creen al menos dos fotones, con una cantidad de movimiento neta cero. (Sin embargo, es posible si el sistema interactúa con otra partícula o campo para que la aniquilación produzca un fotón, ya que cuando un positrón se aniquila con un electrón atómico ligado, es posible que solo se emita un fotón, como el campo nuclear de Coulomb rompe la simetría de traslación.) [28] : 64–65 La energía de los dos fotones, o, de manera equivalente, su frecuencia, puede determinarse a partir de la conservación de cuatro momentos .
Visto de otra manera, el fotón puede considerarse como su propia antipartícula (por lo tanto, un "antifotón" es simplemente un fotón normal). El proceso inverso, la producción de pares , es el mecanismo dominante por el cual los fotones de alta energía, como los rayos gamma, pierden energía al atravesar la materia. [29] Ese proceso es el reverso de la "aniquilación de un fotón" permitida en el campo eléctrico de un núcleo atómico.
Las fórmulas clásicas para la energía y el momento de la radiación electromagnética se pueden volver a expresar en términos de eventos de fotones. Por ejemplo, la presión de la radiación electromagnética sobre un objeto se deriva de la transferencia de la cantidad de movimiento del fotón por unidad de tiempo y unidad de área a ese objeto, ya que la presión es la fuerza por unidad de área y la fuerza es el cambio en la cantidad de movimiento por unidad de tiempo. [30]
Cada fotón lleva dos formas distintas e independientes de momento angular de la luz . El momento angular de giro de la luz de un fotón en particular es siempre + ħ o - ħ . El momento angular orbital de la luz de un fotón particular puede ser cualquier número entero N , incluido el cero. [31]
Comprobaciones experimentales de la masa de fotones
Las teorías físicas comúnmente aceptadas implican o asumen que el fotón es estrictamente sin masa. Si el fotón no es una partícula estrictamente sin masa, no se movería a la velocidad exacta de la luz, c , en el vacío. Su velocidad sería menor y dependería de su frecuencia. La relatividad no se vería afectada por esto; la llamada velocidad de la luz, c , no sería entonces la velocidad real a la que se mueve la luz, sino una constante de la naturaleza que es el límite superior de la velocidad que cualquier objeto podría alcanzar teóricamente en el espacio-tiempo. [32] Por lo tanto, seguiría siendo la velocidad de las ondas del espacio-tiempo ( ondas gravitacionales y gravitones ), pero no sería la velocidad de los fotones.
Si un fotón tuviera una masa distinta de cero, también habría otros efectos. La ley de Coulomb se modificaría y el campo electromagnético tendría un grado de libertad física extra . Estos efectos producen sondas experimentales más sensibles de la masa de fotones que la dependencia de la frecuencia de la velocidad de la luz. Si la ley de Coulomb no es exactamente válida, eso permitiría que exista la presencia de un campo eléctrico dentro de un conductor hueco cuando se somete a un campo eléctrico externo. Esto proporciona un medio para pruebas de muy alta precisión de la ley de Coulomb . [33] Un resultado nulo de tal experimento ha establecido un límite de m ≲10 −14 eV / c 2 . [34]
Se han obtenido límites superiores más nítidos de la velocidad de la luz en experimentos diseñados para detectar los efectos causados por el potencial del vector galáctico . Aunque el potencial del vector galáctico es muy grande porque el campo magnético galáctico existe en escalas de longitud muy grandes, solo el campo magnético sería observable si el fotón no tiene masa. En el caso de que el fotón tenga masa, el término masa1/2m 2 A μ A μ afectaría al plasma galáctico. El hecho de que no se observen tales efectos implica un límite superior en la masa de fotones de m <3 × 10 −27 eV / c 2 . [35] El potencial del vector galáctico también se puede probar directamente midiendo el par ejercido sobre un anillo magnetizado. [36] Estos métodos se utilizaron para obtener el límite superior más nítido de1.07 × 10 −27 eV / c 2 (el equivalente de10 −36 daltons ) dado por el Particle Data Group . [37]
Se ha demostrado que estos límites marcados de la no observación de los efectos causados por el potencial del vector galáctico dependen del modelo. [38] Si la masa de fotones se genera a través del mecanismo de Higgs, entonces el límite superior de m ≲10 −14 eV / c 2 de la prueba de la ley de Coulomb es válida.
Desarrollo historico
En la mayoría de las teorías hasta el siglo XVIII, se describía la luz como compuesta de partículas. Dado que los modelos de partículas no pueden explicar fácilmente la refracción , difracción y birrefringencia de la luz, las teorías ondulantes de la luz fueron propuestas por René Descartes (1637), [39] Robert Hooke (1665), [40] y Christiaan Huygens (1678); [41] sin embargo, los modelos de partículas siguieron siendo dominantes, principalmente debido a la influencia de Isaac Newton . [42] A principios del siglo XIX, Thomas Young y August Fresnel demostraron claramente la interferencia y difracción de la luz, y en 1850 los modelos de ondas eran generalmente aceptados. [43] La predicción de 1865 de James Clerk Maxwell [44] de que la luz era una onda electromagnética, que fue confirmada experimentalmente en 1888 por la detección de ondas de radio de Heinrich Hertz [45], parecía ser el golpe final para los modelos de partículas de luz. .
La teoría de ondas de Maxwell , sin embargo, no explica todas las propiedades de la luz. La teoría de Maxwell predice que la energía de una onda de luz depende solo de su intensidad , no de su frecuencia ; sin embargo, varios tipos de experimentos independientes muestran que la energía impartida por la luz a los átomos depende únicamente de la frecuencia de la luz, no de su intensidad. Por ejemplo, algunas reacciones químicas son provocadas únicamente por luz de frecuencia superior a un cierto umbral; la luz de frecuencia inferior al umbral, por intensa que sea, no inicia la reacción. De manera similar, los electrones pueden ser expulsados de una placa de metal al iluminarla con luz de frecuencia suficientemente alta (el efecto fotoeléctrico ); la energía del electrón expulsado está relacionada solo con la frecuencia de la luz, no con su intensidad. [46] [e]
Al mismo tiempo, las investigaciones de la radiación de cuerpo negro llevadas a cabo durante cuatro décadas (1860-1900) por varios investigadores [47] culminaron en la hipótesis de Max Planck [48] [49] de que la energía de cualquier sistema que absorbe o emite La radiación electromagnética de frecuencia ν es un múltiplo entero de un cuanto de energía E = hν . Como lo mostró Albert Einstein , [10] [50] se debe suponer que alguna forma de cuantificación de energía da cuenta del equilibrio térmico observado entre la materia y la radiación electromagnética ; por esta explicación del efecto fotoeléctrico, Einstein recibió el Premio Nobel de Física de 1921 . [51]
Dado que la teoría de la luz de Maxwell admite todas las energías posibles de radiación electromagnética, la mayoría de los físicos asumieron inicialmente que la cuantificación de la energía era el resultado de alguna restricción desconocida sobre la materia que absorbe o emite la radiación. En 1905, Einstein fue el primero en proponer que la cuantificación de energía era una propiedad de la propia radiación electromagnética. [10] Aunque aceptó la validez de la teoría de Maxwell, Einstein señaló que muchos experimentos anómalos podrían explicarse si la energía de una onda de luz de Maxwell se localizara en cuantos puntuales que se mueven independientemente unos de otros, incluso si la onda misma es esparcirse continuamente por el espacio. [10] En 1909 [50] y 1916, [52] Einstein demostró que, si se acepta la ley de Planck con respecto a la radiación de cuerpo negro, los cuantos de energía también deben llevar el momento p = h / λ , convirtiéndolos en partículas de pleno derecho. Este impulso fotónico fue observado experimentalmente por Arthur Compton , [53] por el que recibió el Premio Nobel en 1927. La pregunta fundamental era entonces: ¿cómo unificar la teoría ondulatoria de la luz de Maxwell con su naturaleza de partículas observada experimentalmente? La respuesta a esta pregunta ocupó a Albert Einstein durante el resto de su vida, [54] y se resolvió en electrodinámica cuántica y su sucesor, el Modelo Estándar . (Ver § Segunda cuantificación y § El fotón como bosón gauge , más abajo).
Las predicciones de 1905 de Einstein se verificaron experimentalmente de varias formas en las dos primeras décadas del siglo XX, como se relata en la conferencia del Nobel de Robert Millikan . [55] Sin embargo, antes de que el experimento de Compton [53] mostrara que los fotones llevaban un momento proporcional a su número de onda (1922), [ se necesita una cita completa ] la mayoría de los físicos eran reacios a creer que la radiación electromagnética en sí misma pudiera ser particulada. (Véanse, por ejemplo, las conferencias Nobel de Wien , [47] Planck [49] y Millikan.) [55] En cambio, existía una creencia generalizada de que la cuantificación de energía era el resultado de alguna restricción desconocida sobre la materia que absorbía o emitía radiación. Las actitudes cambiaron con el tiempo. En parte, el cambio se puede rastrear a experimentos como los que revelaron la dispersión de Compton , donde era mucho más difícil no atribuir la cuantificación a la propia luz para explicar los resultados observados. [56]
Incluso después del experimento de Compton, Niels Bohr , Hendrik Kramers y John Slater hicieron un último intento por preservar el modelo de luz de campo electromagnético continuo de Maxwell, la llamada teoría BKS . [57] Una característica importante de la teoría BKS es cómo trata la conservación de la energía y la conservación del impulso . En la teoría BKS, la energía y el momento solo se conservan en promedio a través de muchas interacciones entre la materia y la radiación. Sin embargo, experimentos refinados de Compton demostraron que las leyes de conservación son válidas para las interacciones individuales. [58] En consecuencia, Bohr y sus compañeros de trabajo dieron a su modelo "un funeral lo más honorable posible". [54] Sin embargo, los fallos del modelo BKS inspiraron a Werner Heisenberg en su desarrollo de la mecánica matricial . [59]
Unos pocos físicos persistieron [60] en desarrollar modelos semiclásicos en los que la radiación electromagnética no se cuantifica, pero la materia parece obedecer las leyes de la mecánica cuántica . Aunque la evidencia de experimentos químicos y físicos de la existencia de fotones era abrumadora en la década de 1970, esta evidencia no podía considerarse absolutamente definitiva; ya que se basaba en la interacción de la luz con la materia, y una teoría de la materia suficientemente completa podría, en principio, explicar la evidencia. Sin embargo, todas las teorías semiclásicas fueron refutadas definitivamente en las décadas de 1970 y 1980 mediante experimentos de correlación de fotones. [f] Por tanto, se considera probada la hipótesis de Einstein de que la cuantificación es una propiedad de la luz misma.
Principios de incertidumbre y dualidad onda-partícula
Los fotones obedecen las leyes de la mecánica cuántica, por lo que su comportamiento tiene aspectos tanto de ondas como de partículas. Cuando un fotón es detectado por un instrumento de medición, se registra como una sola unidad de partículas. Sin embargo, la probabilidad de detectar un fotón se calcula mediante ecuaciones que describen ondas. Esta combinación de aspectos se conoce como dualidad onda-partícula . Por ejemplo, la distribución de probabilidad para la ubicación en la que podría detectarse un fotón muestra fenómenos claramente ondulantes como la difracción y la interferencia . Un solo fotón que pasa a través de un experimento de doble rendija aterriza en la pantalla con una distribución de probabilidad dada por su patrón de interferencia determinado por las ecuaciones de Maxwell . [61] 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 encuentra un divisor de haz . [62] Más bien, el fotón parece ser una partícula puntual , ya que es absorbida o emitida en su conjunto por los sistemas arbitrariamente pequeños, incluyendo los sistemas mucho más pequeñas que su longitud de onda, tales como un núcleo atómico (≈10 -15 m de diámetro) o incluso el electrón puntual .
Si bien muchos textos introductorios tratan a los fotones utilizando las técnicas matemáticas de la mecánica cuántica no relativista, esto es en cierto modo una simplificación excesiva incómoda, ya que los fotones son intrínsecamente relativistas por naturaleza. Debido a que los fotones tienen masa en reposo cero , ninguna función de onda definida para un fotón puede tener todas las propiedades familiares de las funciones de onda en la mecánica cuántica no relativista. [g] Para evitar estas dificultades, los físicos emplean la segunda teoría cuantificada de los fotones que se describe a continuación, la electrodinámica cuántica , en la que los fotones son excitaciones cuantificadas de modos electromagnéticos. [67]
Otra dificultad es encontrar el análogo apropiado para el principio de incertidumbre , una idea frecuentemente atribuida a Heisenberg, quien introdujo el concepto al analizar un experimento mental que involucraba un electrón y un fotón de alta energía . Sin embargo, Heisenberg no dio definiciones matemáticas precisas de lo que significaba la "incertidumbre" en estas mediciones. El enunciado matemático preciso del principio de incertidumbre posición-momento se debe a Kennard , Pauli y Weyl . [68] [69] El principio de incertidumbre se aplica a situaciones en las que un experimentador tiene la opción de medir una de dos cantidades "conjugadas canónicamente", como la posición y el momento de una partícula. De acuerdo con el principio de incertidumbre, no importa cómo se prepare la partícula, no es posible hacer una predicción precisa para las dos mediciones alternativas: si el resultado de la medición de la posición es más seguro, el resultado de la medición del impulso se convierte en menos y viceversa. [70] Un estado coherente minimiza la incertidumbre general en la medida en que lo permite la mecánica cuántica. [67] La óptica cuántica hace uso de estados coherentes para los modos del campo electromagnético. Existe una compensación, que recuerda a la relación de incertidumbre entre la posición y el momento, entre las mediciones de la amplitud de una onda electromagnética y su fase. [67] Esto a veces se expresa informalmente en términos de la incertidumbre en el número de fotones presentes en la onda electromagnética,, y la incertidumbre en la fase de la onda, . Sin embargo, esta no puede ser una relación de incertidumbre del tipo Kennard-Pauli-Weyl, ya que, a diferencia de la posición y el momento, la faseno puede ser representado por un operador hermitiano . [71]
Modelo de Bose-Einstein de un gas fotónico
En 1924, Satyendra Nath Bose derivó la ley de Planck de la radiación de cuerpo negro sin utilizar ningún electromagnetismo, sino más bien utilizando una modificación del recuento grueso del espacio de fase . [72] Einstein demostró que esta modificación es equivalente a asumir que los fotones son rigurosamente idénticos y que implica una "interacción misteriosa no local", [73] [74] ahora entendido como el requisito de un estado mecánico cuántico simétrico . Este trabajo condujo al concepto de estados coherentes y al desarrollo del láser. En los mismos artículos, Einstein extendió el formalismo de Bose a partículas materiales (bosones) y predijo que se condensarían en su estado cuántico más bajo a temperaturas suficientemente bajas; esta condensación de Bose-Einstein se observó experimentalmente en 1995. [75] Más tarde fue utilizada por Lene Hau para reducir la velocidad, y luego detener por completo, la luz en 1999 [76] y 2001. [77]
La visión moderna sobre esto es que los fotones son, en virtud de su espín entero, bosones (a diferencia de los fermiones con espín medio entero). Según el teorema de las estadísticas de espín , todos los bosones obedecen a las estadísticas de Bose-Einstein (mientras que todos los fermiones obedecen a las estadísticas de Fermi-Dirac ). [78]
Emisión estimulada y espontánea
En 1916, Albert Einstein demostró que la ley de radiación de Planck podría derivarse de un tratamiento estadístico semiclásico de fotones y átomos, lo que implica un vínculo entre las velocidades a las que los átomos emiten y absorben fotones. La condición se deriva del supuesto de que las funciones de emisión y absorción de radiación por los átomos son independientes entre sí, y que el equilibrio térmico se realiza mediante la interacción de la radiación con los átomos. Considere una cavidad en equilibrio térmico con todas sus partes y llena de radiación electromagnética y que los átomos pueden emitir y absorber esa radiación. El equilibrio térmico requiere que la densidad de energía de fotones con frecuencia (que es proporcional a su densidad numérica ) es, en promedio, constante en el tiempo; por tanto, la velocidad a la que se emiten los fotones de cualquier frecuencia particular debe ser igual a la velocidad a la que se absorben . [79]
Einstein comenzó postulando relaciones de proporcionalidad simples para las diferentes velocidades de reacción involucradas. En su modelo, la tasapara que un sistema absorba un fotón de frecuencia y transición de una energía más baja a una energía superior es proporcional al número de átomos con energía y a la densidad energética de fotones ambientales de esa frecuencia,
dónde es la constante de velocidad de absorción. Para el proceso inverso, hay dos posibilidades: la emisión espontánea de un fotón o la emisión de un fotón iniciada por la interacción del átomo con un fotón que pasa y el retorno del átomo al estado de menor energía. Siguiendo el enfoque de Einstein, la tasa correspondiente para la emisión de fotones de frecuencia y transición de una energía superior a una energía más baja es
dónde es la constante de velocidad para emitir un fotón espontáneamente , yes la constante de velocidad de las emisiones en respuesta a los fotones ambientales ( emisión inducida o estimulada ). En equilibrio termodinámico, el número de átomos en estado y los del estado debe, en promedio, ser constante; por lo tanto, las tarifas y debe ser igual. Además, mediante argumentos análogos a la derivación de las estadísticas de Boltzmann , la razón de y es dónde y son la degeneración del estado y el de , respectivamente, y sus energías, la constante de Boltzmann yla temperatura del sistema . De esto, se deriva fácilmente que y
La y se conocen colectivamente como coeficientes de Einstein . [80]
Einstein no pudo justificar completamente sus ecuaciones de tasas, pero afirmó que debería ser posible calcular los coeficientes , y una vez que los físicos obtuvieron "la mecánica y la electrodinámica modificadas para adaptarse a la hipótesis cuántica". [81] Poco tiempo después, en 1926, Paul Dirac derivó elconstantes de velocidad utilizando un enfoque semiclásico, [82] y, en 1927, logró derivar todas las constantes de velocidad de los primeros principios dentro del marco de la teoría cuántica. [83] [84] El trabajo de Dirac fue la base de la electrodinámica cuántica, es decir, la cuantificación del campo electromagnético en sí. El enfoque de Dirac también se denomina segunda cuantificación o teoría cuántica de campos ; [85] [86] [87] Los tratamientos de mecánica cuántica anteriores solo tratan las partículas de material como mecánica cuántica, no como el campo electromagnético.
Einstein estaba preocupado por el hecho de que su teoría parecía incompleta, ya que no determinaba la dirección de un fotón emitido espontáneamente. Newton consideró por primera vez la naturaleza probabilística del movimiento de las partículas de luz en su tratamiento de la birrefringencia y, más en general, de la división de los haces de luz en las interfaces en un haz transmitido y un haz reflejado. Newton planteó la hipótesis de que las variables ocultas en la partícula de luz determinaban cuál de los dos caminos tomaría un solo fotón. [42] De manera similar, Einstein esperaba una teoría más completa que no dejara nada al azar, comenzando su separación [54] de la mecánica cuántica. Irónicamente, Max Born 's interpretación probabilística de la función de onda [88] [89] se inspiró en la búsqueda posterior trabajo de Einstein de una teoría más completa. [90]
Teoría cuántica de campos
Cuantización del campo electromagnético
En 1910, Peter Debye derivó la ley de Planck de la radiación del cuerpo negro a partir de una suposición relativamente simple. [91] Descompuso el campo electromagnético en una cavidad en sus modos de Fourier , y asumió que la energía en cualquier modo era un múltiplo entero de, dónde es la frecuencia del modo electromagnético. La ley de Planck de la radiación de cuerpo negro sigue inmediatamente como una suma geométrica. Sin embargo, el enfoque de Debye falló en dar la fórmula correcta para las fluctuaciones de energía de la radiación del cuerpo negro, que fueron derivadas por Einstein en 1909. [50]
En 1925, Born , Heisenberg y Jordan reinterpretaron el concepto de Debye de una manera clave. [92] Como puede mostrarse clásicamente, los modos de Fourier del campo electromagnético —un conjunto completo de ondas planas electromagnéticas indexadas por su vector de onda k y su estado de polarización— son equivalentes a un conjunto de osciladores armónicos simples desacoplados . Tratados mecánicamente cuánticamente, se sabe que los niveles de energía de tales osciladores son, dónde es la frecuencia del oscilador. El nuevo paso clave fue identificar un modo electromagnético con energía como un estado con fotones, cada uno de energía . Este enfoque proporciona la fórmula correcta de fluctuación de energía.
Dirac dio un paso más allá. [83] [84] Él trató la interacción entre una carga y un campo electromagnético como una pequeña perturbación que induce transiciones en los estados de los fotones, cambiando el número de fotones en los modos, mientras conserva la energía y el momento en general. Dirac fue capaz de derivar el de Einstein y coeficientes de los primeros principios, y mostraron que las estadísticas de Bose-Einstein de fotones es una consecuencia natural de cuantizar el campo electromagnético correctamente (el razonamiento de Bose fue en la dirección opuesta; él derivó la ley de la radiación del cuerpo negro de Planck por suponiendo estadísticas B-E) . En la época de Dirac, aún no se sabía que todos los bosones, incluidos los fotones, debían obedecer las estadísticas de Bose-Einstein.
La teoría de la perturbación de segundo orden de Dirac puede involucrar fotones virtuales , estados intermedios transitorios del campo electromagnético; las interacciones estáticas eléctricas y magnéticas están mediadas por tales fotones virtuales. En tales teorías cuánticas de campos , la amplitud de probabilidad de los eventos observables se calcula sumando todos los pasos intermedios posibles, incluso los que no son físicos; por lo tanto, los fotones virtuales no están obligados a satisfacery puede tener estados de polarización extra ; Dependiendo del medidor utilizado, los fotones virtuales pueden tener tres o cuatro estados de polarización, en lugar de los dos estados de los fotones reales. Aunque estos fotones virtuales transitorios nunca se pueden observar, contribuyen de manera mensurable a las probabilidades de eventos observables. De hecho, estos cálculos de perturbaciones de segundo orden y de orden superior pueden dar contribuciones aparentemente infinitas a la suma. Estos resultados poco físicos se corrigen mediante el uso de la técnica de renormalización . [93]
Otras partículas virtuales también pueden contribuir a la suma; por ejemplo, dos fotones pueden interactuar indirectamente a través de pares virtuales electrón - positrón . [94] Tal dispersión fotón-fotón (ver física de dos fotones ), así como la dispersión electrón-fotón, está destinada a ser uno de los modos de funcionamiento del acelerador de partículas planeado, el Colisionador Lineal Internacional . [95]
En la notación física moderna, el estado cuántico del campo electromagnético se escribe como un estado de Fock , un producto tensorial de los estados para cada modo electromagnético.
dónde representa el estado en el que los fotones están en el modo . En esta notación, la creación de un nuevo fotón en modo (por ejemplo, emitido por una transición atómica) se escribe como . Esta notación simplemente expresa el concepto de Born, Heisenberg y Jordan descrito anteriormente, y no agrega ninguna física.
Como bosón de calibre
El campo electromagnético puede entenderse como un campo de calibre , es decir, como un campo que resulta de requerir que una simetría de calibre se mantenga de forma independiente en cada posición en el espacio-tiempo . [96] Para el campo electromagnético , esta simetría de gauge es la simetría abeliana U (1) de números complejos de valor absoluto 1, que refleja la capacidad de variar la fase de un campo complejo sin afectar a las funciones observables o de valor real realizadas a partir de él. como la energía o el lagrangiano .
Los cuantos de un campo gauge abeliano deben ser bosones sin masa y sin carga, siempre que no se rompa la simetría; por lo tanto, se predice que el fotón no tiene masa y tiene carga eléctrica cero y espín entero. La forma particular de la interacción electromagnética especifica que el fotón debe tener un espín ± 1; por tanto, su helicidad debe ser. Estos dos componentes de giro corresponden a los conceptos clásicos de luz polarizada circularmente para diestros y zurdos . Sin embargo, los fotones virtuales transitorios de la electrodinámica cuántica también pueden adoptar estados de polarización no físicos. [96]
En el modelo estándar de física predominante , el fotón es uno de los cuatro bosones de calibre en la interacción electrodébil ; los otros tres se denominan W + , W - y Z 0 y son responsables de la interacción débil . A diferencia del fotón, estos bosones gauge tienen masa , debido a un mecanismo que rompe su simetría gauge SU (2) . Sheldon Glashow , Abdus Salam y Steven Weinberg lograron la unificación del fotón con los bosones gauge W y Z en la interacción electrodébil , por lo que fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1979 . [97] [98] [99] Los físicos continúan planteando la hipótesis de grandes teorías unificadas que conectan estos cuatro bosones gauge con los bosones gauge de ocho gluones de la cromodinámica cuántica ; sin embargo, las predicciones clave de estas teorías, como la desintegración de protones , no se han observado experimentalmente. [100]
Propiedades hadrónicas
Las mediciones de la interacción entre fotones energéticos y hadrones muestran que la interacción es mucho más intensa de lo esperado por la interacción de meramente fotones con la carga eléctrica del hadrón. Además, la interacción de fotones energéticos con protones es similar a la interacción de fotones con neutrones [101] a pesar de que las estructuras de carga eléctrica de protones y neutrones son sustancialmente diferentes. Se desarrolló una teoría llamada Vector Meson Dominance (VMD) para explicar este efecto. Según VMD, el fotón es una superposición del fotón electromagnético puro que interactúa solo con cargas eléctricas y mesones vectoriales. [102] Sin embargo, si se sondea experimentalmente a distancias muy cortas, la estructura intrínseca del fotón se reconoce como un flujo de componentes de quarks y gluones, cuasi libres de acuerdo con la libertad asintótica en QCD y descrito por la función de estructura del fotón . [103] [104] En 2000 se presentó una comparación completa de datos con predicciones teóricas. [105]
Contribuciones a la masa de un sistema
La energía de un sistema que emite un fotón es disminuida por la energía del fotón medido en el resto del marco del sistema emisor, lo que puede resultar en una reducción de la masa en la cantidad . De manera similar, la masa de un sistema que absorbe un fotón aumenta en una cantidad correspondiente. Como aplicación, el balance de energía de las reacciones nucleares que involucran fotones se escribe comúnmente en términos de las masas de los núcleos involucrados y términos de la formapara los fotones gamma (y para otras energías relevantes, como la energía de retroceso de los núcleos). [106]
Este concepto se aplica en predicciones clave de electrodinámica cuántica (QED, ver arriba). En esa teoría, la masa de los electrones (o, más generalmente, de los leptones) se modifica al incluir las contribuciones de masa de los fotones virtuales, en una técnica conocida como renormalización . Estas " correcciones radiativas " contribuyen a una serie de predicciones de QED, como el momento dipolar magnético de los leptones , el desplazamiento de Lamb y la estructura hiperfina de los pares de leptones unidos, como el muonio y el positronio . [107]
Dado que los fotones contribuyen al tensor de tensión-energía , ejercen una atracción gravitacional sobre otros objetos, según la teoría de la relatividad general . Por el contrario, los fotones se ven afectados por la gravedad; sus trayectorias normalmente rectas se pueden desviar por el espaciotiempo deformado , como en las lentes gravitacionales , y sus frecuencias pueden reducirse moviéndose a un potencial gravitacional más alto , como en el experimento de Pound-Rebka . Sin embargo, estos efectos no son específicos de los fotones; se predecirían exactamente los mismos efectos para las ondas electromagnéticas clásicas . [108]
En la materia
La luz que viaja a través de la materia transparente lo hace a una velocidad menor que c , la velocidad de la luz en el vacío. El factor por el cual se reduce la velocidad se llama índice de refracción del material. En una imagen de onda clásica, la desaceleración puede explicarse por la luz que induce la polarización eléctrica 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 se puede describir en cambio como una combinación del fotón con excitaciones cuánticas de la materia para producir cuasi-partículas conocidas como polaritón (vea esta lista para algunas otras cuasi-partículas); este polaritón 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 (no debe confundirse con dispersión). En algunos casos, puede resultar en velocidades de luz extremadamente lentas en la materia. Los efectos de las interacciones de los fotones con otras cuasi-partículas se pueden observar directamente en la dispersión Raman y la dispersión Brillouin . [109]
Los fotones pueden ser dispersados por la materia. 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; [110] sin embargo, una vez en el espacio abierto, un fotón tarda solo 8,3 minutos en llegar a la Tierra. [111]
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 (C 20 H 28 O), que es responsable de la visión , como lo descubrieron en 1958 el bioquímico premio Nobel George Wald y sus colaboradores. La absorción provoca una isomerización cis-trans que, en combinación con otras transiciones similares, 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 . [112] [113]
Aplicaciones tecnológicas
Los fotones tienen muchas aplicaciones en tecnología. Estos ejemplos se eligen para ilustrar aplicaciones de fotones per se , en lugar de dispositivos ópticos generales como lentes, etc. que podrían operar bajo una teoría clásica de la luz. El láser es una aplicación extremadamente importante y se discutió anteriormente bajo emisión estimulada .
Los fotones individuales pueden detectarse mediante varios métodos. El clásico tubo fotomultiplicador 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 amplificada. Los chips de dispositivos semiconductores de carga acoplada utilizan un efecto similar: un fotón incidente genera una carga en un condensador microscópico que puede detectarse. Otros detectores, como los contadores Geiger, utilizan la capacidad de los fotones para ionizar las moléculas de gas contenidas en el dispositivo, provocando un cambio detectable de conductividad del gas. [114]
Fórmula energética de Planck Es utilizado a menudo por ingenieros y químicos en diseño, tanto para calcular el cambio de energía resultante de la absorción de un fotón como para determinar la frecuencia de la luz emitida por una emisión de fotón determinada. Por ejemplo, el espectro de emisión de una lámpara de descarga de gas se puede alterar llenándolo con (mezclas de) gases con diferentes configuraciones de nivel de energía electrónica . [115]
En algunas condiciones, una transición de energía 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. [116]
En algunos casos, se pueden acoplar dos transiciones de energía de modo que, cuando un sistema absorbe un fotón, otro sistema cercano "roba" su energía y vuelve a emitir un fotón de una frecuencia diferente. Esta es la base de la transferencia de energía por resonancia de fluorescencia , una técnica que se utiliza en biología molecular para estudiar la interacción de proteínas adecuadas . [117]
Varios tipos diferentes de generadores de números aleatorios de hardware implican la detección de fotones individuales. En un ejemplo, por cada bit de 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". [118] [119]
Óptica cuántica y computación
Se ha dedicado mucha investigación a las aplicaciones de los fotones en el campo de la óptica cuántica . Los fotones parecen adecuados para ser elementos de una computadora cuántica extremadamente rápida , y el entrelazamiento cuántico de fotones es un foco de investigación. Los procesos ópticos no lineales son otra área de investigación activa, con temas como la absorción de dos fotones , la modulación de fase propia , la inestabilidad modulacional y los osciladores paramétricos ópticos . Sin embargo, tales procesos generalmente no requieren la suposición de fotones per se ; a menudo pueden modelarse tratando los átomos como osciladores no lineales. El proceso no lineal de conversión descendente paramétrica espontánea se utiliza a menudo para producir estados de fotón único. Finalmente, los fotones son esenciales en algunos aspectos de la comunicación óptica , especialmente para la criptografía cuántica . [h]
La física de dos fotones estudia las interacciones entre fotones, que son raras. En 2018, los investigadores del MIT anunciaron el descubrimiento de tripletes de fotones unidos, que pueden involucrar polaritones . [120] [121]
Ver también
- Fuente de fotones avanzada en el laboratorio nacional de Argonne
- Fotón balístico
- Ecuación de Dirac
- efecto Doppler
- Paradoja EPR
- Tecnología de imágenes de rayos X de alta energía
- Éter luminífero
- Medipix
- Phonon
- Fotografía
- Conteo de fotones
- Energía fotónica
- Época de fotones
- Polarización de fotones
- Molécula fotónica
- Fotónica
- Fuente de fotón único
- Girar el momento angular de la luz
- Fuerzas estáticas e intercambio de partículas virtuales
Notas
- ^ Secree quela masa invariante del fotón(también llamada "masa en reposo" para partículas masivas) es exactamente cero. Ésta es la noción de masa de partículas generalmente utilizada por los físicos modernos. El fotón tiene una masa relativista distinta de cero, dependiendo de su energía, pero esto varía según el marco de referencia .
- ↑ Aunque la traducción de1967 de Elsevier de la Conferencia Nobel de Planck interpreta el Lichtquant de Planckcomo "fotón", la traducción más literal de 1922 de Hans Thacher Clarke y Ludwik Silberstein Planck, Max (1922). El origen y desarrollo de la teoría cuántica . Prensa de Clarendon.( aquí ) utiliza "luz-cuántica". No se conoce evidencia de que el propio Planck usara el término "fotón" en 1926 ( ver también ).
- ↑ Isaac Asimov atribuye a Arthur Compton la definición de cuantos de energía como fotones en 1923. [12]
- ^ Secree que la masa del fotón es exactamente cero. Algunas fuentes también se refieren a la masa relativista , que es solo la energía escalada en unidades de masa. Para un fotón con longitud de onda λ o energía E , esto es h / λc o E / c 2 . Este uso del término "masa" ya no es común en la literatura científica. Más información: ¿Cuál es la masa de un fotón?
- ^ La frase "no importa qué tan intensa" se refiere a intensidades por debajo de aproximadamente 10 13 W / cm 2, momento en el que la teoría de la perturbación comienza a fallar. Por el contrario, en el régimen intenso, que para la luz visible está por encima de aproximadamente 10 14 W / cm 2 , la descripción de onda clásica predice correctamente la energía adquirida por los electrones, llamada energía ponderomotriz . (Ver también: Boreham, Bruce W .; Hora, Heinrich; Bolton, Paul R. (1996). "La densidad de fotones y el principio de correspondencia de la interacción electromagnética". Actas de la conferencia AIP . 369 : 1234-1243. Código Bibliográfico : 1996AIPC..369.1234B . doi : 10.1063 / 1.50410 .) En comparación, la luz solar es solo de aproximadamente 0,1 W / cm 2 .
- ^ Estos experimentos producen resultados que no pueden ser explicados por ninguna teoría clásica de la luz, ya que involucran anticorrelaciones que resultan del proceso de medición cuántica . En 1974, el primer experimento de este tipo fue realizado por Clauser, quien informó de una violación de una desigualdad clásica de Cauchy-Schwarz . En 1977, Kimble et al. demostró un efecto anti-agrupamiento análogo de fotones que interactúan con un divisor de haz; este enfoque se simplificó y las fuentes de error se eliminaron en el experimento de anticorrelación de fotones de Grangier et al. (1986). Este trabajo se revisa y simplifica más en Thorn et al. (2004). (Estas referencias se enumeran a continuación ).
- ^ El tema fue formulado por primera vez por Theodore Duddell Newton y Eugene Wigner . [63] [64] [65] Los desafíos surgen de la naturaleza fundamental del grupo de Lorentz , que describe las simetrías del espacio-tiempo en la relatividad especial. A diferencia de los generadores de transformaciones galileanas , los generadores de impulsos de Lorentz no conmutan, por lo que la asignación simultánea de incertidumbres bajas a todas las coordenadas de la posición de una partícula relativista se vuelve problemática. [66]
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enlaces externos
- Citas relacionadas con Photon en Wikiquote
- La definición del diccionario de fotón en Wikcionario
- Medios relacionados con Photon en Wikimedia Commons