Fotones (cuantificación): definición, propiedades y dualidad onda-partícula

La luz es posiblemente uno de los temas más extraños que encontrará un estudiante de física. Lo más rápido del universo es de alguna manera tanto una partícula como una onda, y exhibe las propiedades únicas de ambas al mismo tiempo. Pero quees¿luz?

Entendiendo quefotonesson y quecuantificaciónLos medios son fundamentales para comprender la naturaleza de la luz, la física cuántica y una miríada de fenómenos relacionados.

Los fotones son el nombre formal de las partículas de luz. Pueden ser visibles para los humanos o no, ya que aquí el términoluzse utiliza en el sentido de la física, lo que significa que un fotón es una partícula de radiación electromagnética en cualquier frecuencia del espectro, desde ondas de radio hasta rayos gamma.

Los fotones son uncuantificadopartícula. Esto significa que existen solo en cantidades discretas de energía, en lugar de cualquier cantidad de energía en el medio. Al considerar la descripción más orientada a la química de un fotón como la energía liberada cuando un electrón cae a un nivel de energía más bajo en el átomo, esto tiene sentido: los electrones solo pueden estar en orbitales específicos, o energía niveles. No hay semitonos. Entonces, si un fotón es el resultado de un "electrón que cae", un fotón también debe tener cantidades específicas de energía, o cuantos.

Albert Einstein introdujo la noción de cuantos de luz (fotones) en un artículo de 1905. Uno de los cuatro artículos que publicó ese año que revolucionó la ciencia, esta fue la idea que le valió el Premio Nobel.

Como se mencionó anteriormente, la luz se refiere a cualquier tipo de radiación electromagnética, cuyos tipos se distinguen por sus diferentes frecuencias (o longitudes de onda). Siendo estas dos medidas características de las ondas, se sigue que la luz debe ser unonda electromagnética.​

Pero espera, en la sección anterior del artículo, la luz se introdujo como unpartícula, el fotón, no como una onda. Esto es correcto. La extraña naturaleza de la luz es existir en lo que se llama dualidad onda-partícula:Es tanto una onda como una partícula.​

Por lo tanto, tanto "onda electromagnética" como "fotón" son descriptores aceptables de luz. Por lo general, la primera frase se usa para describir la luz cuando esactuando como una olay el último término cuando esactuando como una partícula​.

Esto se vuelve importante dependiendo de los fenómenos que esté examinando un físico. En ciertas situaciones y en ciertos experimentos, los fotones actúan como los físicos esperan que las partículas actúen, por ejemplo, al observar el efecto fotoeléctrico. En otras situaciones y experimentos, la luz actúa más como ondas, como cuando se modula una estación de radio.

Todo lo que esté restringido a valores discretos en lugar de existir en un espectro continuo se está cuantificando.

La cuantificación en un átomo explica que la cantidad de energía que se puede emitir en forma de fotón ocurrirá solo en múltiplos de la constante de Planck de la unidad elemental,h= 6,6262 x 10 ^-34 julios-segundos

Esta unidad, descubierta por Max Planck a finales del siglo XIX, es una de las unidades más extrañas e importantes de la física. Describe la relación entre la frecuencia de una onda-partícula y su nivel de energía y, por lo tanto, establece un límite inferior inferior a la certeza con la que podemos comprender la estructura de la materia.

Una de las mayores ramificaciones de conocer este límite, que también ayudó a comenzar el extraño pero real campo de estudio conocido como física cuántica, es que en los niveles subatómicos más pequeños, la posición de las partículas solo se puede describir como un probabilidad. Dicho de otra manera, solo la posición de una partícula subatómicaoLa velocidad se puede conocer con certeza en cualquier momento dado, perono ambos​.

Definiendo los cuantoshconducir a una ecuación para la energía de un fotón:

donde la energíamiestá en julios (J), la constante de Planckhestá en julios-segundos (Js) y frecuenciaFestá en hercios (Hz).

La mayoría de la gente probablemente piensa en las partículas como unidades diminutas de materia, cuyo tamaño depende de su masa. Esto hace que la forma de partícula de luz sea una bestia particularmente extraña ya que, como unidad de energía pura, un fotón tiene masa cero.

Otra propiedad importante de los fotones es que siempre viajan a la velocidad de la luz, ~ 300.000.000 m / s en el vacío del espacio vacío. La luz puede viajar más lento que eso: cada vez que se encuentra con otra materia, interactúa con ella y se ralentiza, de modo que cuanto más denso es el material a través del cual viaja la luz, más lento va. Sin embargo,nada en el universo puede viajar más rápido que la luz. No es el cohete más rápido ni la partícula atómica más acelerada.

• La velocidad de la luz, ~ 300.000.000 m / s, es la más rápida que puede viajar cualquier cosa. Es por eso que también se lo conoce como el límite de velocidad del universo.

De esta manera, comprender la luz es fundamental para comprender los límites fundamentales del propio universo, desde el más grande hasta el más pequeño.

Aunque la luz siempre viaja al mismo tiempovelocidaden un medio dado, como una forma de radiación electromagnética, puede tener diferentesfrecuenciasolongitudes de onda. Las frecuencias y longitudes de onda de la luz como ondas electromagnéticas cambian inversamente entre sí a lo largo de un espectro.

En la longitud de onda más larga y el extremo de frecuencia más baja se encuentran las ondas de radio, después de las cuales vienen microondas, infrarrojos, visibles rayos gamma de luz, ultravioleta, rayos X y de alta energía, cada uno con longitudes de onda progresivamente más cortas y más altas frecuencias.

Los físicos en la década de 1930 comenzaron a aprender que toda la materia del universo se compone de unos pocos partículas fundamentales, conocidas como partículas elementales, que están todas gobernadas por el mismo conjunto de Fuerzas fundamentales. LaModelo estandarde la física de partículas es un conjunto de ecuaciones que intentan describir sucintamente cómo se relacionan todas estas partículas elementales y las fuerzas fundamentales. La luz es una pieza fundamental de esta descripción universal.

En desarrollo desde la década de 1970, el Modelo Estándar hasta ahora ha predicho correctamente los resultados de muchos, aunque no todos, los experimentos de física cuántica. Un problema evidente que aún no se ha resuelto en el modelo es cómo incorporar la gravedad en el conjunto de ecuaciones. Además, no proporciona respuestas sobre algunas preguntas cosmológicas importantes, como averiguar qué es la materia oscura o dónde desapareció toda la antimateria creada en el Big Bang. Aún así, es ampliamente aceptada y considerada la mejor teoría para explicar la naturaleza fundamental de nuestra existencia hasta la fecha.

En el modelo estándar, toda la materia está formada por una clase de partículas elementales llamadasfermiones. Los fermiones vienen en dos tipos:quarksoleptones. Cada una de estas categorías se divide a su vez en seis partículas, relacionadas en pares conocidos comogeneraciones. La primera generación es la más estable, con partículas más pesadas y menos estables que se encuentran en la segunda y tercera generaciones.

Los otros componentes del modelo estándar son fuerzas y partículas portadoras, conocidas comobosones. Cada una de las cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnética, fuerte y débil) está asociada con un bosón que transmite la fuerza en intercambios con partículas de materia.

Los físicos de partículas que trabajan en aceleradores o que observan colisiones de partículas de alta energía desde el espacio han identificado bosones para las últimas tres fuerzas.El fotón es el bosón que transporta la fuerza electromagnética en el universo., lagluóncaries la fuerza fuerte y laWyZlas partículas llevan la fuerza débil. Pero el bosón teórico de la gravedad, elgraviton, sigue siendo difícil.

​Radiación de cuerpo negro.Los cuerpos negros son un tipo de objeto hipotético (los perfectos no existen en la naturaleza) que absorben toda la radiación electromagnética que los golpea. En esencia, cualquier radiación electromagnética que incida sobre un cuerpo negro sirve para calentarlo y, por lo tanto, la radiación que emite mientras se enfría está directamente relacionada con su temperatura. Los físicos pueden usar esta aproximación para deducir las propiedades de los cuerpos negros casi perfectos en el universo, como las estrellas y los agujeros negros.

Si bien la naturaleza ondulatoria de la luz ayuda a describir las frecuencias de la radiación del cuerpo negro que un objeto absorberá y emitirá, su La naturaleza de las partículas como fotón también ayuda a describirla matemáticamente, ya que las energías que puede contener el cuerpo negro están cuantificadas. Max Planck fue uno de los primeros en investigar este fenómeno.

​El experimento de la doble rendija.Un principio central de la física cuántica, el experimento de doble rendija muestra cómo hacer brillar una luz sobre una barrera con dos aberturas estrechas da como resultado un patrón distintivo de sombras claras y oscuras conocido comopatrón de interferencia de onda​.

Lo extraño de esto es que un solo fotón que se muestra a través de la abertura seguirá comportándose como si estuviera interfiriendo con otros fotones, a pesar de estar solo e indivisible. Esto quiere decir que el patrón de luz observado en el experimento no puede explicarse tratando la luz solo como un fotón o una onda; debe considerarse ambos. Este experimento se cita a menudo para explicar lo que se entiende por la idea de dualidad onda-partícula.

​El efecto Compton.El efecto Compton es otro ejemplo observable de la interacción entre la naturaleza de las ondas y las partículas de la luz. Describe cómo se conservan tanto la energía como el momento cuando un fotón choca con un electrón estacionario. La combinación de la ecuación para la cantidad de energía de un fotón con las ecuaciones de conservación del momento muestra que el resultado La longitud de onda del fotón saliente (el electrón inmóvil inicialmente) se puede predecir por la longitud de onda del fotón entrante que dio es energía.

​Espectroscopia.La técnica de la espectroscopia permite a los físicos, químicos, astrónomos y otros científicos investigar la composición material de un objeto, incluidas las estrellas distantes, simplemente analizando los patrones que resultan de dividir la luz entrante de ese objeto con un prisma. Debido a que diferentes elementos absorben y emiten fotones en cuantos discretos, las longitudes de onda electromagnéticas observadas caen en segmentos discretos dependiendo de los elementos que contengan los objetos.

​Equivalencia masa-energía.Muchos niños pueden recitar la famosa ecuación de EinsteinE = mc². Breve y dulce, las verdaderas implicaciones de esta ecuación son profundas:Masametroy energiamison equivalentesy se pueden convertir entre sí utilizando la velocidad de la luz en el vacío,C, al cuadrado. Esto implica de manera importante que un objeto que no se mueve todavía tiene energía; en este caso esmasa de descansose dice que es igual a suenergía de descanso​.

Los físicos de partículas utilizan la equivalencia masa-energía para determinar unidades más simples para algunas de sus medidas. Por ejemplo, los físicos cuánticos buscan las masas de fermiones o bosones acelerando partículas subatómicas como protones y electrones para velocidades cercanas a la luz en aceleradores gigantes y aplastarlos juntos, y luego analizar los efectos de los "escombros" en eléctricos altamente sensibles matrices.

Sin embargo, en lugar de dar una masa en kilogramos, la forma común de informar las masas de partículas es en giga-electron-voltios, o GeV, una unidad de energía. Para devolver este valor a una masa en la unidad SI de kilogramos, pueden usar esta relación simple: 1 GeV /C​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.