Immaginate un albero di luce solare gialla raggiante attraverso una finestra. Secondo la fisica quantistica quel fascio è fatto di miliardi di minuscoli pacchetti di luce, chiamati fotoni, che scorrono nell’aria. Ma cos’è esattamente un fotone?

I fotoni sono la roba di cui è fatta la luce. Credito: JFC.

Definizione

Un fotone è la più piccola quantità discreta o quantum di radiazione elettromagnetica., È l’unità di base di tutta la luce.

I fotoni sono sempre in movimento e, nel vuoto, viaggiano a una velocità costante verso tutti gli osservatori di 2,998 x 108 m/s. Questa è comunemente indicata come la velocità della luce, indicata dalla lettera c.

Secondo la teoria quantistica della luce di Einstein, i fotoni hanno energia uguale alla loro frequenza di oscillazione per la costante di Planck. Einstein ha dimostrato che la luce è un flusso di fotoni, l’energia di questi fotoni è l’altezza della loro frequenza di oscillazione e l’intensità della luce corrisponde al numero di fotoni., In sostanza, ha spiegato come un flusso di fotoni può agire sia come onda che come particella.

Proprietà dei fotoni

Le proprietà di base dei fotoni sono:

  • Hanno massa zero e energia di riposo. Esistono solo come particelle in movimento.
  • Sono particelle elementari nonostante la mancanza di massa a riposo.
  • Non hanno carica elettrica.
  • Sono stabili.
  • Sono particelle spin-1 che li rende bosoni.
  • Trasportano energia e quantità di moto che dipendono dalla frequenza.,
  • Possono avere interazioni con altre particelle come gli elettroni, come l’effetto Compton.
  • Possono essere distrutti o creati da molti processi naturali, ad esempio quando le radiazioni vengono assorbite o emesse.
  • Quando sono nello spazio vuoto, viaggiano alla velocità della luce.

Storia

La natura della luce — che la si consideri come una particella o un’onda — è stata uno dei più grandi dibattiti scientifici. Per secoli filosofi e scienziati hanno discusso sulla questione che è stata appena risolta un secolo fa.,

I discepoli di un ramo della filosofia indù del VI secolo a.C. chiamato Vaisheshika ebbero una sorprendente intuizione fisica sulla luce. Come gli antichi greci, credevano che il mondo fosse basato su “atomi” di terra, aria, fuoco e acqua. Si pensava che la Luce stessa fosse fatta di atomi così veloci chiamati tejas. Questo è notevolmente simile alla nostra moderna teoria della luce e dei suoi fotoni che compongono, un termine coniato migliaia di anni dopo nel 1926 da un chimico di nome Gilbert Lewis e un fisico ottico chiamato Frithiof Wolfers.,

Più tardi, intorno al 300 AC, l’antico fisico greco Euclide fece un enorme passo avanti quando postulò che la luce viaggiava in linee rette. Euclide descrisse anche le leggi della riflessione e, un secolo dopo, Tolomeo completò con scritti sulla rifrazione. Non fu fino al 1021, tuttavia, che le leggi della rifrazione furono formalmente stabilite nel lavoro seminale Kitab al-Manazir, o Libro di Ottica, di Ibn al-Haytham.

Il Rinascimento inaugurerebbe una nuova era di indagine scientifica sulla natura della luce., Di nota sono le incursioni di René Descartes in un saggio del 1637 intitolato La dioptrique, dove sosteneva che la luce è fatta di impulsi che si propagano istantaneamente quando si contattano “palle” in un mezzo. Scrivendo più tardi nel Traité de la lumière pubblicato nel 1690, Christiaan Huygens trattava la luce come onde comprimibili in un mezzo elastico, proprio come le onde di pressione sonora. Huygens ha mostrato come produrre onde di luce riflesse, rifratte e schermate e ha anche spiegato la doppia rifrazione.

A questo punto, gli scienziati si erano divisi in due campi trincerati., Una parte credeva che la luce fosse un’onda mentre l’altra vista era di luce come particelle o corpuscoli. Il grande campione dei cosiddetti ‘corpuscolaristi’ non era altro che Isaac Newton, ampiamente creduto come il più grande scienziato di sempre. Newton non amava affatto la teoria delle onde poiché ciò significherebbe che la luce sarebbe in grado di allontanarsi troppo nell’ombra.

Per gran parte del xviii secolo, la teoria corpuscolare dominò il dibattito sulla natura della luce., Ma poi, nel maggio 1801, Thomas Young introdusse il mondo al suo ormai famoso esperimento a due fenditure in cui dimostrò l’interferenza delle onde luminose.

L’esperimento di Young mostra come ogni fessura agisce come una fonte di onde sferiche, che “interferiscono” mentre si muovono da sinistra a destra come mostrato sopra. Credito: Università di Louisville Dipartimento di Fisica.

Nella prima versione dell’esperimento, Young in realtà non usava due fessure, ma piuttosto una singola scheda sottile., Il fisico ha semplicemente coperto una finestra con un pezzo di carta con un piccolo foro in esso che serviva ad incanalare un sottile fascio di luce. Con la carta in mano, Young ha assistito a come il raggio si è diviso in due. La luce che passa su un lato della carta interferiva con la luce dall’altro lato della carta per creare frange, che potevano essere osservate sulla parete opposta. Più tardi, Young ha usato questi dati per calcolare le lunghezze d’onda di vari colori della luce e si è avvicinato notevolmente ai valori moderni. La dimostrazione fornirebbe prove solide che la luce era un’onda, non una particella.,

Nel frattempo, questa volta in Francia, il movimento corpuscolarista stava prendendo piede dopo che i recenti sviluppi attribuivano la polarizzazione della luce a una sorta di asimmetria tra i corpuscoli di luce. Hanno subito una grande sconfitta per mano di Augustin Fresnel che nel 1821 ha dimostrato che la polarizzazione potrebbe essere spiegata se la luce fosse un’onda trasversale senza vibrazioni longitudinali. In precedenza, Fresnel ha anche inventato una precisa teoria ondulatoria della diffrazione.

A questo punto, c’era poco terreno stabile per i seguaci di Newton per continuare il dibattito., Sembrava che la luce fosse un’onda e basta. Il problema era che il leggendario etere — il misterioso mezzo necessario per supportare i campi elettromagnetici e per produrre le leggi di propagazione di Fresnel — mancava nonostante tutti i migliori sforzi per trovarlo. Nessuno l’ha mai fatto, in realta’.

Un enorme passo avanti è venuto nel 1861 quando James Clerk Maxwell condensato conoscenze sperimentali e teoriche su elettricità e magnetismo in 20 equazioni. Maxwell ha predetto una ‘onda elettromagnetica’, che può auto-sostenere, anche nel vuoto, in assenza di correnti convenzionali., Ciò significa che non è necessario alcun etere per la propagazione della luce! Inoltre, ha predetto che la velocità di questa onda era 310.740.000 m s−1 — questa è solo una piccola percentuale del valore esatto della velocità della luce.

“L’accordo dei risultati sembra mostrare che luce e magnetismo sono affetti della stessa sostanza, e la luce è un disturbo elettromagnetico propagato attraverso il campo secondo le leggi elettromagnetiche”, scrisse Maxwell nel 1865.,

Da quel giorno in avanti, il concetto di luce è stato unito a quelli di elettricità e magnetismo per la prima volta.

Il 14 dicembre 1900, Max Planck dimostrò che la radiazione di calore veniva emessa e assorbita in pacchetti discreti di quanti di energia. Più tardi, Albert Einstein mostrò nel 1905 che questo si applicava anche alla luce. Einstein usò il termine Lichtquant, o quantum of light. Ora, all’alba del 20 ° secolo, una nuova rivoluzione nella fisica si baserebbe ancora una volta sulla natura della luce. Questa volta, non si tratta se la luce è un crepuscolo o un’onda., E ‘ che sia entrambe o no.

Teoria moderna della luce e dei fotoni

Einstein credeva che la luce fosse una particella (fotone) e che il flusso dei fotoni fosse un’onda. Il fisico tedesco era convinto che la luce avesse una natura particellare dopo la sua scoperta dell’effetto fotoelettrico, in cui gli elettroni volano fuori da una superficie metallica esposta alla luce. Se la luce fosse stata un’onda, non sarebbe potuto succedere. Un’altra questione sconcertante è come i fotoelettroni si moltiplicano quando viene applicata una forte luce., Einstein spiegò l’effetto fotoelettrico dicendo che “la luce stessa è una particella”, per la quale in seguito avrebbe ricevuto il premio Nobel per la fisica.

Il punto principale della teoria quantistica della luce di Einstein è che l’energia della luce è correlata alla sua frequenza di oscillazione. Ha sostenuto che i fotoni hanno energia uguale alla “frequenza di oscillazione costante di Planck”, e questa energia fotonica è l’altezza della frequenza di oscillazione mentre l’intensità della luce corrisponde al numero di fotoni., Le varie proprietà della luce, che è un tipo di onda elettromagnetica, sono dovute al comportamento di particelle estremamente piccole chiamate fotoni che sono invisibili ad occhio nudo.

Einstein ipotizzò che quando gli elettroni all’interno della materia si scontrano con i fotoni, il primo prende l’energia di quest’ultimo e vola fuori e che maggiore è la frequenza di oscillazione dei fotoni che colpiscono, maggiore è l’energia degli elettroni che verrà fuori. Alcuni di voi hanno una prova di lavoro di questa idea nella vostra casa – è i pannelli solari!, In breve, stava dicendo che la luce è un flusso di fotoni, l’energia di questi fotoni è l’altezza della loro frequenza di oscillazione, e l’intensità della luce è legata al numero di fotoni.

Einstein fu in grado di dimostrare la sua teoria derivando la costante di Planck dai suoi esperimenti sull’effetto fotoelettrico. I suoi calcoli rendevano il valore costante di Planck di 6,6260755 x 10-34 che è esattamente ciò che Max Planck ottenne nel 1900 attraverso la sua ricerca sulle onde elettromagnetiche., Inequivocabilmente, questo indicava una relazione intima tra le proprietà e la frequenza di oscillazione della luce come onda e le proprietà e il momento della luce come particella. Più tardi, durante gli anni venti, il fisico austriaco Erwin Schrödinger elaborò queste idee con la sua equazione per la funzione d’onda quantistica per descrivere come appare un’onda.

Più di cento anni dopo che Einstein ha mostrato la doppia natura della luce, i fisici svizzeri dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne hanno catturato la prima istantanea di questo duplice comportamento., Il team guidato da Fabrizio Carbone ha eseguito un esperimento intelligente nel 2015 in cui un laser è stato utilizzato per sparare su un nanofilo, facendo vibrare gli elettroni. La luce viaggia lungo questo piccolo filo in due direzioni possibili, come le auto su un’autostrada. Quando le onde che viaggiano in direzioni opposte si incontrano formano una nuova onda che sembra che sia in piedi sul posto. Qui, questa onda stazionaria diventa la fonte di luce per l’esperimento, che si irradia intorno al nanofilo. Il sparato un nuovo fascio di elettroni per immagine l’onda stazionaria della luce, che agisce come un’impronta digitale della natura ondulatoria della luce., Il risultato può essere visto sotto.

La prima fotografia in assoluto della luce sia come particella che come onda. Credito: EPFL.

Che aspetto ha un fotone

Vi siete mai chiesti che forma ha un fotone? Gli scienziati hanno riflettuto su questa domanda per decenni e, infine, nel 2016, i fisici polacchi hanno creato il primo ologramma di una singola particella di luce. Il team dell’Università di Varsavia ha realizzato l’ologramma sparando due fasci di luce su un beamsplitter, realizzato in cristallo di calcite, allo stesso tempo., Il beamsplitter è simile a un incrocio semaforo in modo che ogni fotone può passare direttamente attraverso o fare una svolta. Quando un fotone è da solo, ogni percorso è ugualmente probabile, ma quando più fotoni sono coinvolti interagiscono e le probabilità cambiano. Se si conosce la funzione d’onda di uno dei fotoni, è possibile capire la forma del secondo dalle posizioni dei lampi che appaiono su un rivelatore. L’immagine risultante assomiglia un po ‘ a una croce di Malta, proprio come la funzione d’onda predetta dall’equazione di Schrödinger.,

Ologramma di un singolo fotone ricostruito da misurazioni grezze viste sul lato sinistro rispetto alla forma del fotone teoricamente prevista sul lato destro. Credit: FUW

Fatti sui fotoni

  • Non solo la luce è composta da fotoni, ma tutta l’energia elettromagnetica (cioè microonde, onde radio, raggi X) è composta da fotoni.
  • Il concetto originale del fotone è stato sviluppato da Albert Einstein. Tuttavia, è stato lo scienziato Gilbert N. Lewis che per primo ha usato la parola “fotone” per descriverlo.,
  • La teoria che afferma che la luce si comporta sia come un’onda che come una particella è chiamata teoria della dualità onda-particella.
  • I fotoni sono sempre elettricamente neutri. Non hanno carica elettrica.
  • I fotoni non decadono da soli.