Imagine un eje de luz solar amarilla que pasa a través de una ventana. Según la física cuántica ese haz está hecho de millones de pequeños paquetes de luz, llamados fotones, que fluyen a través del aire. Pero, ¿qué es exactamente un fotón?

los fotones son la materia de la que está hecha la luz. Crédito: JFC.

definición

un fotón es la menor cantidad discreta o cuántica de radiación electromagnética., Es la unidad básica de toda la luz.

los fotones están siempre en movimiento y, en un vacío, viajan a una velocidad constante a todos los observadores de 2.998 x 108 m/s. Esto se conoce comúnmente como la velocidad de la luz, denotada por la letra c.

según la teoría cuántica de luz de Einstein, los fotones tienen energía igual a su frecuencia de oscilación por la constante de Planck. Einstein demostró que la luz es un flujo de fotones, la energía de estos fotones es la altura de su frecuencia de oscilación, y la intensidad de la luz corresponde al número de fotones., Esencialmente, explicó cómo una corriente de fotones puede actuar tanto como una onda como una partícula.

Fotones de propiedades

Las propiedades básicas de los fotones son:

  • tienen masa cero y la energía de reposo. Solo existen como partículas en movimiento.
  • Son partículas elementales a pesar de carecer de masa en reposo.
  • no tienen carga eléctrica.
  • son estables.
  • Son partículas spin-1 que los convierte en bosones.
  • llevan energía e impulso que dependen de la frecuencia.,
  • Pueden tener interacciones con otras partículas como electrones, como el efecto Compton.
  • pueden ser destruidos o creados por muchos procesos naturales, por ejemplo cuando la radiación es absorbida o emitida.
  • cuando están en el espacio vacío, viajan a la velocidad de la luz.

historia

la naturaleza de la luz — ya sea que la consideres como una partícula o una onda — fue uno de los mayores debates científicos. Durante siglos, filósofos y científicos han discutido sobre el asunto que apenas se resolvió hace un siglo.,

Los discípulos de una rama de la filosofía hindú del siglo VI antes de Cristo llamada Vaisheshika tenían una sorprendente intuición física sobre la luz. Como los antiguos griegos, solían creer que el mundo estaba basado en «átomos» de tierra, aire, fuego y agua. Se pensaba que la luz misma estaba hecha de átomos de tan rápido movimiento llamados tejas. Eso es notablemente similar a nuestra teoría moderna de la luz y sus fotones de composición, un término acuñado miles de años más tarde en 1926 por un químico llamado Gilbert Lewis y un físico óptico llamado Frithiof Wolfers.,

más tarde, alrededor del 300 aC, el físico griego antiguo Euclides hizo un gran avance cuando postuló que la luz viajaba en líneas rectas. Euclides también describió las leyes de la reflexión y, un siglo más tarde, Ptolomeo complementó con escritos sobre la refracción. No fue hasta 1021, sin embargo, que las leyes de refracción se establecieron formalmente en el trabajo seminal Kitab Al-Manazir, o Libro de óptica, por Ibn al-Haytham.

el Renacimiento marcaría el comienzo de una nueva era de investigación científica sobre la naturaleza de la luz., Cabe destacar las incursiones de René Descartes en un ensayo de 1637 llamado la dioptrique, donde argumentó que la luz está hecha de pulsos que se propagan instantáneamente al entrar en contacto con ‘bolas’ en un medio. Escrito más tarde en Traité de la lumière publicado en 1690, Christiaan Huygens trató la luz como ondas compresibles en un medio elástico, al igual que las ondas de presión sonora. Huygens mostró cómo hacer ondas de luz reflejadas, refractadas y filtradas y también explicó la doble refracción.

en este momento, los científicos se habían dividido en dos campos atrincherados., Un lado creía que la luz era una onda, mientras que el otro punto de vista era de la luz como partículas o corpúsculos. El Gran Campeón de los llamados ‘corpuscularistas’ no era otro que Isaac Newton, ampliamente creído como el mayor científico de la historia. A Newton No le gustaba en absoluto la teoría de las ondas, ya que eso significaría que la luz podría desviarse demasiado hacia la sombra.

durante gran parte del siglo XVIII, la teoría corpuscular dominó el debate en torno a la naturaleza de la luz., Pero luego, en mayo de 1801, Thomas Young presentó al mundo su ahora famoso experimento de dos ranuras donde demostró la interferencia de las ondas de luz.

el experimento de hendidura de Young muestra cómo cada hendidura actúa como una fuente de ondas esféricas, que «interfieren» mientras se mueven de izquierda a derecha como se muestra arriba. Crédito: Universidad de Louisville Departamento de Física.

en la primera versión del experimento, Young no usó dos ranuras, sino una sola tarjeta delgada., El físico simplemente cubrió una ventana con un pedazo de papel con un pequeño agujero que servía para canalizar un delgado haz de luz. Con la tarjeta en la mano, Young fue testigo de cómo la viga se dividió en dos. La luz que pasaba por un lado de la tarjeta interfería con la luz del otro lado de la tarjeta para crear flecos, que se podían observar en la pared opuesta. Más tarde, Young utilizó estos datos para calcular las longitudes de onda de varios colores de luz y se acercó notablemente a los valores modernos. La demostración proporcionaría evidencia sólida de que la luz era una onda, no una partícula.,

mientras tanto, esta vez en Francia, el movimiento corpuscularista estaba ganando fuerza después de que los recientes desarrollos atribuyeran la polarización de la luz a algún tipo de asimetría entre los corpúsculos de luz. Sufrieron una gran derrota a manos de Augustin Fresnel quien en 1821 demostró que la polarización podría explicarse si la luz fuera una onda transversal sin vibración longitudinal. Anteriormente, Fresnel también se le ocurrió una teoría de ondas precisas de difracción.

en este punto, había poco terreno estable para que los seguidores de Newton continuaran el debate., Parecía que la luz es una ola y eso es todo. El problema era que el legendario éter — el misterioso medio requerido para soportar los campos electromagnéticos y para producir las leyes de propagación de Fresnel — faltaba a pesar de los mejores esfuerzos de todos para encontrarlo. Nadie lo hizo, en realidad.

Un gran avance se produjo en 1861 cuando James Clerk Maxwell condensó el conocimiento experimental y teórico sobre la electricidad y el magnetismo en 20 ecuaciones. Maxwell predijo una «onda electromagnética», que puede auto-sostenerse, incluso en el vacío, en ausencia de Corrientes convencionales., ¡Esto significa que no se requiere éter para que la luz se propague! Además, predijo que la velocidad de esta onda sería de 310.740.000 m s−1 — eso es solo un pequeño porcentaje del valor exacto de la velocidad de la luz.

«el Acuerdo de los resultados parece mostrar que la luz y el magnetismo son afecciones de la misma sustancia, y la luz es una perturbación electromagnética propagada a través del campo de acuerdo con las leyes electromagnéticas», escribió Maxwell en 1865.,

a partir de ese día, el concepto de luz se unió a los de electricidad y magnetismo por primera vez.

El 14 de diciembre de 1900, Max Planck demostró que la radiación de calor era emitida y absorbida en paquetes discretos de energía-cuantos. Más tarde, Albert Einstein demostró en 1905 que esto también se aplicaba a la luz. Einstein usó el término Lichtquant, o quantum de luz. Ahora, en los albores del siglo 20, una nueva revolución en la física volvería a depender de la naturaleza de la luz. Esta vez, no se trata de si la luz es una crepúscula o una onda., Es si son las dos cosas o no.

teoría moderna de la luz y los fotones

Einstein creía que la luz es una partícula (fotón) y que el flujo de fotones es una onda. El físico alemán estaba convencido de que la luz tenía una naturaleza de partícula después de su descubrimiento del efecto fotoeléctrico, en el que los electrones salen volando de una superficie metálica expuesta a la luz. Si la luz fuera una ola, eso no podría haber sucedido. Otra cuestión desconcertante es cómo se multiplican los fotoelectrones cuando se aplica luz fuerte., Einstein explicó el efecto fotoeléctrico diciendo que» la luz en sí es una partícula», por lo que más tarde recibiría el Premio Nobel de Física.

el punto principal de la teoría cuántica de la luz de Einstein es que la energía de la luz está relacionada con su frecuencia de oscilación. Sostuvo que los fotones tienen energía igual a la frecuencia de oscilación constante de Planck, y esta energía de fotones es la altura de la frecuencia de oscilación, mientras que la intensidad de la luz corresponde al número de fotones., Las diversas propiedades de la luz, que es un tipo de onda electromagnética, se deben al comportamiento de partículas extremadamente pequeñas llamadas fotones que son invisibles a simple vista.

Einstein especulado que cuando los electrones dentro de la materia chocan con los fotones, el primero toma la segunda a la energía y las moscas y que cuanto mayor es la frecuencia de oscilación de los fotones que golpean, mayor es la energía de los electrones que vienen volando. Algunos de ustedes tienen una prueba de trabajo de esta idea en su propia casa-son los paneles solares!, En resumen, decía que la luz es un flujo de fotones, la energía de estos fotones es la altura de su frecuencia de oscilación, y la intensidad de la luz está relacionada con el número de fotones.

Einstein fue capaz de probar su teoría derivando la constante de Planck de sus experimentos sobre el efecto fotoeléctrico. Sus cálculos rendían un valor constante de Planck de 6.6260755 x 10-34 que es exactamente lo que Max Planck obtuvo en 1900 a través de su investigación sobre las ondas electromagnéticas., Inequívocamente, esto apuntaba a una relación íntima entre las propiedades y la frecuencia de oscilación de la luz como onda y las propiedades y el momento de la luz como partícula. Más tarde, durante la década de 1920, el físico austriaco Erwin Schrödinger elaboró estas ideas con su ecuación para la función de onda cuántica para describir cómo se ve una onda.

Más de cien años desde que Einstein mostró la doble naturaleza de la luz, los físicos Suizos de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne capturaron la primera instantánea de este comportamiento dual., El equipo liderado por Fabrizio Carbone realizó un inteligente experimento en 2015 en el que se utilizó un láser para disparar sobre un nanohilo, haciendo que los electrones vibraran. La luz viaja a lo largo de este pequeño cable en dos direcciones posibles, como los coches en una carretera. Cuando las olas que viajan en direcciones opuestas se encuentran, forman una nueva ola que parece estar en su lugar. Aquí, esta onda estacionaria se convierte en la fuente de luz para el experimento, irradiando alrededor del nanohilo. El disparo de un nuevo haz de electrones para la imagen de la onda estacionaria de la luz, que actúa como una huella dactilar de la naturaleza ondulatoria de la luz., El resultado se puede ver a continuación.

La primera fotografía de la luz como onda y partícula. Crédito: EPFL.

cómo se ve un fotón

¿alguna vez se ha preguntado qué forma tiene un fotón? Los científicos han estado reflexionando sobre esta cuestión durante décadas y, finalmente, en 2016, los físicos polacos crearon el primer holograma de una sola partícula de luz. El equipo de la Universidad de Varsovia hizo el holograma disparando dos haces de luz en un divisor de haz, hecho de cristal de calcita, al mismo tiempo., El divisor de haz es similar a una intersección de semáforos, por lo que cada fotón puede pasar directamente o hacer un giro. Cuando un fotón está solo, cada camino es igualmente probable, pero cuando más fotones están involucrados, interactúan y las probabilidades cambian. Si conoce la función de onda de uno de los fotones, es posible averiguar la forma del segundo a partir de las posiciones de los destellos que aparecen en un detector. La imagen resultante se parece un poco a una cruz maltesa, al igual que la función de onda predicha de la ecuación de Schrödinger.,

holograma de un solo fotón reconstruido a partir de mediciones sin procesar vistas en el lado izquierdo versus la forma de fotón teóricamente predicha en el lado derecho. Credit: FUW

Facts about photons

  • no solo la luz se compone de fotones, sino que toda la energía electromagnética (es decir, microondas, ondas de radio, rayos X) se compone de fotones.
  • El concepto original del fotón fue desarrollado por Albert Einstein. Sin embargo, fue el científico Gilbert N. Lewis quien primero usó la palabra «fotón» para describirlo.,
  • La teoría que afirma que la luz se comporta como una onda y una partícula se llama teoría de la dualidad onda-partícula.
  • los fotones son siempre eléctricamente neutros. No tienen carga eléctrica.
  • los fotones no se descomponen por sí solos.