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,a diferencia de otras partículas como el electrón o el quark. Debido a los resultados de experimentos y a consideraciones teóricas descritas en este artículo, se cree que la masa del fotón es exactamente cero. Algunas fuentes utilizan también el concepto de masa relativista para la energía expresada con unidades de masa. Para un fotón con longitud de onda λ o energía E, su masa relativista es h/λc o E/c2. Este uso del término "masa" no es común actualmente en la literatura científica. Más información: What is the mass of a photon? 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.Vimal, R. L. P., Pokorny, J., Smith, V. C., & Shevell, S. K. (1989). Foveal cone thresholds. Vision Res, 29(1), 61-78.http://www.geocities.com/vri98/Vimal-foveal-cone-ratio-VR-1989 (en inglés)
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.
La discusión sobre la naturaleza de la luz se remonta hasta la antigüedad. En el , Newton se inclinó por una interpretación corpuscular de la luz, mientras que sus contemporáneos Huygens y Hooke apoyaron la hipótesis de la luz como onda. Experimentos de interferencia, como el realizado por Young en el , confirmaron el modelo ondulatorio de la luz.
La idea de la luz como partícula retornó con el concepto moderno de fotón, que fue desarrollado gradualmente entre 1905 y 1917 por Albert Einstein Una traducción inglesa del trabajo de Einstein se encuentra disponible en Wikisource. Una traducción inglesa se encuentra disponible en Wikisource. También Physikalische Zeitschrift, 18, 121–128 (1917) (en alemán). apoyándose en trabajos anteriores de Planck, en los cuales se introdujo el concepto de cuanto. Con el modelo de fotón podían explicarse observaciones experimentales que no encajaban con el modelo ondulatorio clásico de la luz. En particular, explicaba cómo la energía de la luz dependía de la frecuencia (dependencia observada en el efecto fotoeléctrico) y la capacidad de la materia y la radiación electromagnética para permanecer en equilibrio térmico.
Otros físicos trataron de explicar las observaciones anómalas mediante modelos "semiclásicos", en los que la luz era descrita todavía mediante las ecuaciones de Maxwell, aunque los objetos materiales que emitían y absorbían luz estaban cuantizados. Aunque estos modelos semiclásicos contribuyeron al desarrollo de la mecánica cuántica, experimentos posteriores han probado las hipótesis de Einstein sobre la cuantización de la luz (los cuantos de luz son los fotones).
El concepto de fotón ha llevado a avances muy importantes en física teórica y experimental, tales como la teoría cuántica de campos, el condensado de Bose-Einstein y la interpretación probabilística de la mecánica cuántica, y a inventos como el láser.
De acuerdo con el modelo estándar de física de partículas los fotones son los responsables de producir todos los campos eléctricos y magnéticos, y a su vez son el resultado de que las leyes físicas tengan cierta simetría en todos los puntos del espacio-tiempo. Las propiedades intrínsecas de los fotones (masa invariante y espín) están determinadas por las propiedades de la simetría de Gauge.
Los fotones se aplican a muchas áreas, como la fotoquímica, el microscopio fotónico y la medición de distancias moleculares. Incluso se los ha estudiado como componentes de computadoras cuánticas y en aplicaciones sofisticadas de comunicación óptica como por ejemplo en criptografía cuántica.
Nomenclatura El fotón fue llamado originalmente por Albert Einstein «cuanto de luz» (). Su nombre moderno proviene de la palabra griega φῶς (que se transcribe como phôs), que significa luz, y fue acuñado en 1926 por el físico Gilbert N. Lewis, quien publicó una teoría especulativa(en inglés) en la que los fotones no se podían «crear ni destruir». Aunque la teoría de Lewis nunca fue aceptada —y fue contradicha en muchos experimentos— el nuevo nombre "fotón" fue adoptado enseguida por la mayoría de los científicos.
En física, el fotón se representa normalmente con el símbolo γ (la letra griega gamma minúscula). Este símbolo proviene posiblemente de los rayos gamma, descubiertos y bautizados con ese nombre en 1900 por Villard(en francés)(en francés) y que resultaron ser una forma de radiación electromagnética según demostraron Rutherford y Andrade(en inglés) en 1914. En química e ingeniería óptica, los fotones se simbolizan habitualmente por , que representa también la energía asociada a un fotón, donde es la constante de Planck y la letra griega es la frecuencia de la partícula. Con mucha menor asiduidad, el fotón también se representa por , siendo , en este caso, la frecuencia.
Propiedades físicas
miniaturadeimagen|Diagrama de Feynman mostrando el intercambio de un fotón virtual (simbolizado por una línea ondulada y ) entre un positrón y un electrón.
El fotón no tiene masa, tampoco posee carga eléctrica (en inglés) y no se desintegra espontáneamente en el vacío. El fotón tiene dos estados posibles de polarización que pueden describirse mediante tres parámetros continuos: las componentes de su vector de onda, que determinan su longitud de onda y su dirección de propagación. El fotón es el bosón de gauge de la interacción electromagnética, y por tanto todos los otros números cuánticos —como el número leptónico, el número bariónico o la extrañeza— son exactamente cero.
Emisión Los fotones son emitidos por muchos procesos naturales, como cuando las partículas cargadas se ralentizan durante una transición molecular, atómica o nuclear a un nivel de energía más bajo, o cuando se aniquila una partícula con su antipartícula.
Absorción Los fotones se absorben en los procesos de reversión temporal que se corresponden con los ya mencionados: por ejemplo, en la producción de pares partícula-antipartícula o en las transiciones moleculares, atómicas o nucleares a un nivel de energía más alto.
Energía y movimiento En el espacio vacío los fotones se mueven a la velocidad de la luz , y su energía y momento lineal p están relacionados mediante la expresión , donde es el módulo del momento lineal. En comparación, la ecuación correspondiente a partículas con una masa es , como se demuestra en la relatividad especial.
La energía y el momento lineal de un fotón dependen únicamente de su frecuencia o, lo que es equivalente, de su longitud de onda .
y en consecuencia el módulo del momento lineal es:
donde (conocida como constante de Dirac o constante reducida de Planck); k es el vector de onda (de módulo ) y es la frecuencia angular. Debe tenerse en cuenta que k apunta en la dirección de propagación del fotón. Este tiene además momento angular de espín que no depende de la frecuencia. El módulo de tal espín es , y la componente medida a lo largo de su dirección de movimiento, su helicidad, tiene que ser . Estos dos posibles valores corresponden a los dos posibles estados de polarización circular del fotón (en sentido horario o antihorario).
Para ilustrar la importancia de estas fórmulas, la aniquilación de una partícula con su antipartícula tiene que dar lugar a la creación de al menos dos fotones por la siguiente razón: en el sistema de referencia fijo en el centro de masas, las antipartículas que colisionan no tienen momento lineal neto, mientras que un fotón aislado siempre lo tiene. En consecuencia, la ley de conservación del momento lineal requiere que al menos se creen dos fotones para que el momento lineal resultante pueda ser igual a cero. Las energías de los dos fotones —o lo que es equivalente, sus frecuencias— pueden determinarse por las leyes de conservación. El proceso inverso, la creación de pares, es el mecanismo principal por el que los fotones de alta energía (como los rayos gamma) pierden energía al pasar a través de la materia.
Las fórmulas clásicas para la energía y el momento lineal de la radiación electromagnética pueden ser expresadas también en términos de eventos fotónicos. Por ejemplo, la presión de radiación electromagnética sobre un objeto es debida a la transferencia de momento lineal de los fotones por unidad de tiempo y unidad de superficie del objeto, ya que la presión es fuerza por unidad de superficie y la fuerza, a su vez, es la variación del momento lineal por unidad de tiempo.
Desarrollo histórico del concepto
thumb|left|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 la mayoría de las teorías hasta el , la luz se consideraba formada por partículas. El hecho de que los modelos de partículas no pudieran explicar fenómenos como la difracción, la refracción o la birrefringencia de la luz, hizo que René Descartes en 1637,(en francés) Robert Hooke en 1665,(en inglés) y Christian Huygens en 1678, (en francés) propusieran teorías ondulatorias para la luz; sin embargo, los modelos de partículas permanecieron vigentes, principalmente debido a la influencia de Isaac Newton. (en inglés)
A principios del Thomas Young y August Fresnel demostraron con claridad que los fenómenos de interferencia y difracción se daban también para la luz, y para 1850 los modelos ondulatorios habían sido generalmente aceptados. (en inglés) En 1865 las predicciones de Maxwell Este artículo siguió a una presentación de Maxwell en la Royal Society el 8 de diciembre de 1864. sobre la naturaleza de la luz como onda electromagnética, que serían posteriormente confirmadas experimentalmente por Heinrich Hertz en 1888, (en alemán) parecieron significar el final del modelo de partículas.