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Imagine un haz de luz amarilla que entra por una ventana. De acuerdo con la física cuántica, ese haz está hecho de trillones de diminutos paquetes de luz, llamados fotones, que fluyen por el aire. Pero, ¿qué es exactamente un fotón?

Los fotones son el material del que está hecha la luz. Crédito:JFC.

Definición

Un fotón es la cantidad discreta más pequeña o cuanto de radiación electromagnética. Es la unidad básica de toda luz.

Los fotones siempre están en movimiento y, en el vacío, viajan a una velocidad constante para todos los observadores de 2,998 x 10 8 m/s. Esto se conoce comúnmente como la velocidad de la luz, denotada por la letra c.

Según la teoría cuántica de la luz de Einstein, los fotones tienen una energía igual a su frecuencia de oscilación multiplicada 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 como onda y como partícula.

Propiedades de los fotones

Las propiedades básicas de los fotones son:

  • Tienen masa cero y energía en reposo. Sólo existen como partículas en movimiento.
  • Son partículas elementales a pesar de carecer de masa en reposo.
  • No tienen carga eléctrica.
  • son estables
  • Son partículas de espín-1, lo que las convierte en bosones.
  • Transportan energía e impulso que dependen de la frecuencia.
  • Pueden tener interacciones con otras partículas como los electrones, como el efecto Compton.
  • Pueden ser destruidos o creados por muchos procesos naturales, por ejemplo, cuando se absorbe o emite radiación.
  • 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 como una onda, fue uno de los mayores debates científicos. Durante siglos, filósofos y científicos han discutido sobre un asunto que apenas se resolvió hace un siglo.

Los discípulos de una rama de la filosofía hindú del siglo VI aC llamada Vaisheshika tenían una sorprendente intuición física sobre la luz. Al igual que 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 tan rápidos llamados tejas. Eso es notablemente similar a nuestra teoría moderna de la luz y los fotones que la componen, un término acuñado miles de años después en 1926 por un químico llamado Gilbert Lewis y un físico óptico llamado Frithiof Wolfers.

Más tarde, alrededor del año 300 a. C., el antiguo físico griego Euclides hizo un gran avance cuando postuló que la luz viajaba en línea recta. Euclides también describió las leyes de la reflexión y, un siglo después, Ptolomeo las complementó con escritos sobre la refracción. Sin embargo, no fue hasta 1021 que las leyes de la refracción se establecieron formalmente en la obra seminal Kitab al-Manazir, o Libro de la Óptica, de 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 Ren Descartes en un ensayo de 1637 llamado La dioptrique, donde argumentó que la luz está hecha de pulsos que se propagan instantáneamente cuando entran en contacto con bolas en un medio. Escribiendo más tarde en Trait de la lumire publicado en 1690, Christiaan Huygens trató la luz como ondas comprimibles en un medio elástico, al igual que las ondas de presión del sonido. Huygens mostró cómo hacer ondas de luz reflejadas, refractadas y apantalladas y también explicó la doble refracción.

En ese 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 fue otro que Isaac Newton, ampliamente considerado como el científico más grande de todos los tiempos. A Newton no le gustaba en absoluto la teoría ondulatoria, ya que eso significaría que la luz podría desviarse demasiado en la sombra.

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

El experimento de la rendija de Young muestra cómo cada rendija actúa como una fuente de ondas esféricas, que interfieren a medida que se mueven de izquierda a derecha, como se muestra arriba. Crédito: Departamento de Física de la Universidad de Louisville.

En la primera versión del experimento, Young en realidad no usó dos ranuras, sino una sola tarjeta delgada. El físico simplemente cubrió una ventana con un trozo de papel con un pequeño agujero que sirvió para canalizar un delgado haz de luz. Con la tarjeta en la mano, Young fue testigo de cómo el rayo se partía en dos. La luz que pasaba por un lado de la tarjeta interfería con la luz del otro lado de la tarjeta para crear franjas que podían observarse en la pared opuesta. Más tarde, Young usó estos datos para calcular las longitudes de onda de varios colores de luz y se acercó notablemente a los valores modernos. La demostración proporcionaría pruebas sólidas de que la luz era una onda, no una partícula.

Mientras tanto, esta vez en Francia, el movimiento corpuscularista ganaba fuerza después de que recientes acontecimientos 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. Previamente, Fresnel también ideó una teoría ondulatoria precisa de la difracción.

En este punto, había poco terreno estable para que los seguidores de Newton continuaran el debate. Parecía que la luz es una onda y eso es todo. El problema era que faltaba el legendario éter, el medio misterioso requerido para soportar los campos electromagnéticos y producir las leyes de propagación de Fresnel, 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 automantenerse, 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 ms 1, que es solo un pequeño porcentaje del valor exacto de la velocidad de la luz.

La concordancia de los resultados parece mostrar que la luz y el magnetismo son afecciones de la misma sustancia, y la luz es una perturbación electromagnética que se propaga a través del campo según leyes electromagnéticas, escribió Maxwell en 1865.

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

El 14 de diciembre de 1900, Max Planck demostró que la radiación de calor se emitía y absorbía en paquetes discretos de cuantos de energía. Más tarde, Albert Einstein demostró en 1905 que esto también se aplicaba a la luz. Einstein utilizó el término Lichtquant, o cuanto de luz. Ahora, en los albores del siglo XX, 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 un crepúsculo o una onda. Es si son ambos o no.

Teoría moderna de la luz y los fotones.

Einstein creía que la luz es una partícula (fotón) y el flujo de fotones es una onda. El físico alemán estaba convencido de que la luz tenía una naturaleza de partículas tras 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 onda, eso no podría haber sucedido. Otro asunto desconcertante es cómo se multiplican los fotoelectrones cuando se aplica una luz intensa. Einstein explicó el efecto fotoeléctrico diciendo que la luz en sí misma 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 multiplicada por la constante de Planck, y esta energía fotónica 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 especuló que cuando los electrones dentro de la materia chocan con los fotones, los primeros toman la energía de los últimos y salen volando y que cuanto mayor sea la frecuencia de oscilación de los fotones que golpean, mayor será la energía de los electrones que saldrán volando. ¡Algunos de ustedes tienen una prueba funcional de esta idea en su propia casa, son los paneles solares! En resumen, estaba diciendo 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 pudo probar su teoría al derivar la constante de Planck de sus experimentos sobre el efecto fotoeléctrico. Sus cálculos arrojaron un valor constante de Planck de 6,6260755 x 10 -34, que es exactamente lo que obtuvo Max Planck en 1900 a través de su investigación sobre las ondas electromagnéticas. Inequívocamente, esto apuntaba a una íntima relación 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 Schrdinger elaboró ​​estas ideas con su ecuación para la función de onda cuántica para describir cómo se ve una onda.

Más de cien años después de que Einstein mostrara la doble naturaleza de la luz, los físicos suizos de la cole Polytechnique Fdrale de Lausanne capturaron la primera instantánea de este comportamiento dual. El equipo dirigido por Fabrizio Carbone realizó un experimento inteligente en 2015 en el que se utilizó un láser para disparar sobre un nanocable, lo que provocó que los electrones vibraran. La luz viaja a lo largo de este diminuto cable en dos direcciones posibles, como los automóviles en una autopista. Cuando las ondas que viajan en direcciones opuestas se encuentran, forman una nueva onda que parece estar parada en su lugar. Aquí, esta onda estacionaria se convierte en la fuente de luz para el experimento, irradiando alrededor del nanocable. Disparó un nuevo haz de electrones para obtener una imagen de la onda estacionaria de 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 partícula y onda. Crédito: EPFL.

Cómo se ve un fotón

¿Alguna vez te has preguntado qué forma tiene un fotón? Los científicos han estado reflexionando sobre esta pregunta 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 a un divisor de haz, hecho de cristal de calcita, al mismo tiempo. El divisor de haz es similar a una intersección de semáforo, por lo que cada fotón puede pasar directamente o girar. Cuando un fotón está solo, cada camino es igualmente probable, pero cuando hay más fotones 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 de Malta, al igual que la función de onda predicha por la ecuación de Schrödinger.

Holograma de un solo fotón reconstruido a partir de mediciones sin procesar vistas en el lado izquierdo frente a la forma del fotón predicha teóricamente en el lado derecho. Crédito: FUW

Datos sobre los fotones

  • No solo la luz está compuesta de fotones, sino que toda la energía electromagnética (es decir, microondas, ondas de radio, rayos X) está compuesta de fotones.
  • El concepto original del fotón fue desarrollado por Albert Einstein. Sin embargo, fue el científico Gilbert N. Lewis quien utilizó por primera vez la palabra fotón para describirlo.
  • La teoría que establece que la luz se comporta tanto como una onda como una partícula se denomina teoría de la dualidad onda-partícula.
  • Los fotones son siempre eléctricamente neutros. No tienen carga eléctrica.
  • Los fotones no se descomponen solos.

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