En física moderna, el fotón (en griegu φῶς phōs (xen. φωτός) 'lluz', y -ón) ye la partícula elemental responsable de les manifestaciones cuántiques del fenómenu electromagnéticu. Ye la partícula portadora de toles formes de radiación electromagnético, incluyendo los rayu gamma, los rayos X, la lluz ultravioleta, la lluz visible, la lluz infrarroxo, les microondes y les ondes de radio. El fotón tien una masa invariante cero,a diferencia d'otres partícules como'l electrón o'l quark. Por cuenta de los resultaos d'esperimentos y a considerancies teóriques descrites nesti artículu, créese que la masa del fotón ye esautamente cero. Delles fontes utilicen tamién el conceutu de masa relativista pa la enerxía espresada con unidaes de masa. Pa un fotón con llonxitú d'onda λ o enerxía Y, la so masa relativista ye h/λc o Y/c2. Esti usu del términu "masa" nun ye común anguaño na lliteratura científica. Más información: What is the mass of a photon? y viaxa nel vacíu con una velocidá constante . Como tolos cuantos, el fotón presenta tantu propiedaes corpusculares como ondulatories ("dualidad onda-corpúsculo"). Pórtase como una onda en fenómenos como la refraición que tien llugar nuna lente, o na cancelación por interferencia destructiva d'ondes reflexaes; sicasí, pórtase como una partícula cuando interactúa cola materia pa tresferir una cantidá fixa d'enerxía, que vien dada pola espresión:
onde h ye la constante de Planck, c ye la velocidá de la lluz, ye la llonxitú d'onda y la frecuencia de la onda. Esto difier de lo qu'asocede coles ondes clásiques, que pueden ganar o perder cantidaes arbitraries d'enerxía. Pa la lluz visible, la enerxía portada por un fotón ye d'alredor de 4×10–19 xulios; esta enerxía ye abonda pa escitar les célules oculares fotosensibles y dar llugar 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 (n'inglés)
Amás d'enerxía, los fotones lleven tamién acomuñáu un momentu llinial y tienen una polarización. Siguen les lleis de la mecánica cuántica, lo que significa que de cutiu estes propiedaes nun tienen un valor bien definíu pa un fotón dau. Nel so llugar falar de les probabilidaes de que tenga una cierta polarización, posición o momentu llinial. Por casu, anque un fotón puede escitar una molécula, de cutiu ye imposible predicir cuál va ser la molécula escitada.
La descripción anterior d'un fotón como un portador de radiación electromagnético ye utilizada con frecuencia polos físicos. Sicasí, en física teórica, un fotón puede considerase como un mediador pa cualquier tipu d'interacción electromagnética.
El discutiniu sobre la naturaleza de la lluz remontar hasta l'antigüedá. Nel sieglu XVII, Newton inclinar por una interpretación corpuscular de la lluz, ente que los sos contemporáneos Huygens y Hooke sofitaron la hipótesis de la lluz como onda. Esperimentos d'interferencia, como'l realizáu por Young nel sieglu XIX, confirmaron el modelu ondulatoriu de la lluz.
La idea de la lluz como partícula retornó col conceutu modernu de fotón, que foi desenvueltu gradualmente ente 1905 y 1917 por Albert Einstein Una traducción inglesa del trabayu d'Einstein atópase disponible en Wikisource. Una traducción inglesa atópase disponible en Wikisource. Tamién Physikalische Zeitschrift, 18, 121–128 (1917) (n'alemán). sofitándose en trabayos anteriores de Planck, nos cualos introducióse'l conceutu de cuanto. Col modelu de fotón podíen esplicase observaciones esperimentales que nun encaxar col modelu ondulatoriu clásicu de la lluz. En particular, esplicaba cómo la enerxía de la lluz dependía de la frecuencia (dependencia reparada nel efeutu fotoeléctricu) y la capacidá de la materia y la radiación electromagnético pa permanecer en equilibriu térmicu.
Otros físicos trataron d'esplicar les observaciones anómales por aciu modelos "semiclásicos", nos que la lluz yera descrita inda por aciu les ecuaciones de Maxwell, anque los oxetos materiales qu'emitíen y absorbíen lluz taben cuantizados. Anque estos modelos semiclásicos contribuyeron al desenvolvimientu de la mecánica cuántica, esperimentos posteriores probaron les hipótesis d'Einstein sobre la cuantización de la lluz (los cuantos de lluz son los fotones).
El conceutu de fotón llevó a meyores bien importantes en física teórica y esperimental, tales como la teoría cuántica de campos, l'entestáu de Bose-Einstein y l'interpretación probabilística de la mecánica cuántica, y a inventos como'l láser.
Acordies con el modelu estándar de física de partícules los fotones son los responsables de producir tolos campos llétricos y magnéticos, y de la mesma son el resultáu de que les lleis físiques tengan cierta simetría en tolos puntos del espaciu-tiempu. Les propiedaes intrínseques de los fotones (masa invariante y espín) tán determinaes poles propiedaes de la simetría de Gauge.
Los fotones aplicar a munches árees, como la fotoquímica, el microscopiu fotónico y la midida de distancies moleculares. Inclusive-y los estudió como componentes d'ordenadores cuánticos y n'aplicaciones sofisticaes de comunicación óptica como por casu en criptografía cuántica.
Nomenclatura El fotón foi llamáu orixinalmente por Albert Einstein "cuanto de lluz” (n'alemán: das Lichtquant). El nome modernu “fotón” provién de la pallabra griega φῶς (que se trescribe como phôs), que significa lluz, y foi acuñáu en 1926 pol físicu Gilbert N. Lewis, quien publicó una teoría especulativa(n'inglés) na que los fotones non podíen crease nin destruyir". Anque la teoría de Lewis nunca foi aceptada —siendo contradicha en munchos esperimentos— el nuevu nome "fotón" foi adoptáu aína pola mayoría de los científicos.
En física, el fotón represéntase de normal col símbolu (la lletra griega gamma). Esti símbolu provién posiblemente de los rayu gamma, descubiertos y bautizaos con esi nome en 1900 por Villard(en francés)(en francés) y que resultaron ser una forma de radiación electromagnético según demostraron Rutherford y Andrade(n'inglés) en 1914. En química ya inxeniería óptica, los fotones simbolícense davezu por , que representa tamién la enerxía acomuñada a un fotón, onde ye la constante de Planck y la lletra griega ye la frecuencia de la partícula. Con muncho menor avezamientu, el fotón tamién se representa por , siendo , nesti casu, la frecuencia.
Propiedaes físiques
miniaturadeimagen|Diagrama de Feynman amosando l'intercambiu d'un fotón virtual (simbolizáu per una llinia ondulada y ) ente un positrón y un electrón.
El fotón nun tien masa, tampoco tien carga llétrica (n'inglés) y non se desintegra bonalmente nel vacíu. El fotón tien dos estaos posibles de polarización que pueden describise por aciu tres parámetros continuos: les componentes de la so vector d'onda, que determinen el so llonxitú d'onda y la so direición d'espardimientu. El fotón ye'l bosón de gauge de la interacción electromagnética, y por tanto tolos otros númberos cuánticos —como'l númberu leptónico, el númberu bariónicu, o la estrañedá— son esautamente cero.
Emisión Los fotones emitir en munchos procesos naturales, por casu, cuando s'acelera una partícula con carga llétrica, mientres una transición molecular, atómica o nuclear a un nivel d'enerxía más baxu, o cuando s'aniquila una partícula cola so antipartícula.
Absorción Los fotones absorber nos procesos de reversión temporal que se correspuenden colos yá mentaos: por casu, na producción de pares partícula-antipartícula o nes transiciones moleculares, atómiques o nucleares a un nivel d'enerxía más altu.
Enerxía y movimientu Nel espaciu vacíu, los fotones mover a la velocidá de la lluz , y el so enerxía y momentu llinial p tán rellacionaos por aciu la espresión , onde ye'l módulu del momentu llinial. En comparanza, la ecuación correspondiente a partícules con una masa ye , como se demuestra na relatividá especial.
La enerxía y el momentu llinial d'un fotón dependen namái de la so frecuencia o, lo que ye equivalente, de la so llonxitú d'onda .
y en consecuencia'l módulu del momentu llinial ye:
onde (conocida como constante de Dirac o constante amenorgada de Planck); k ye'l vector d'onda (de módulu ) y ye la frecuencia angular. Tien De tenese en cuenta que k apunta na direición d'espardimientu del fotón. Este tien amás momentu angular de espín que nun depende de la frecuencia. El módulu de tal espín ye , y la componente midida a lo llargo de la so direición de movimientu, el so helicidad, tien que ser . Estos dos posibles valores correspuenden a los dos posibles estaos de polarización circular del fotón (en sentíu horariu o antihorario).
Pa ilustrar la importancia d'estes fórmules, l'aniquilación d'una partícula cola so antipartícula tien que dar llugar a la creación de siquier dos fotones pola siguiente razón: nel sistema de referencia fixu nel centru de mases, les antipartícules que topeten nun tienen momentu llinial netu, ente que un fotón aislláu siempres lu tien. Arriendes d'ello, la llei de caltenimientu del momentu llinial rique que siquier se creen dos fotones, por que'l momentu llinial resultante pueda ser igual a cero. Les enerxíes de los dos fotones —o lo que ye equivalente, les sos frecuencies— pueden determinase poles lleis de caltenimientu. El procesu inversu, la creación de pares, ye'l mecanismu principal pol que los fotones d'alta enerxía (como los rayu gamma) pierden enerxía al pasar al traviés de la materia.
Les fórmules clásiques pa la enerxía y el momentu llinial de la radiación electromagnético pueden ser espresaes tamién en términos d'eventos fotónicos. Por casu, la presión de radiación electromagnético sobre un oxetu ye debida a la trasferencia pel momento llinial de los fotones por unidá de tiempu y unidá de superficie del oxetu, una y bones la presión ye fuercia per unidá de superficie y la fuercia, de la mesma, ye la variación del momentu llinial por unidá de tiempu.
Desarrollu históricu del conceutu
thumb|left|L'esperimentu del doble rendija de Thomas Young en 1805 demostró que la lluz portábase como una onda, lo qu'ayudó a refugar les anteriores teoríes corpusculares. Na mayoría de les teoríes hasta'l sieglu XVIII, la lluz considerábase formada por partícules. El fechu de que los modelos de partícules nun pudieren esplicar fenómenos como la difracción, la refraición o la birrefringencia de la lluz, fizo que René Descartes en 1637,(en francés) Robert Hooke en 1665,(n'inglés) y Christiaan Huygens en 1678, (en francés) propunxeren teoríes ondulatories pa la lluz; sicasí, los modelos de partícules permanecieron vixentes, principalmente por cuenta de la influencia d'Isaac Newton. (n'inglés)
A principios del sieglu XIX Thomas Young y August Fresnel demostraron con claridá que los fenómenos d'interferencia y difracción dábense tamién pa la lluz, y pa 1850 los modelos ondulatorios fueren xeneralmente aceptaos. (n'inglés) En 1865, les predicciones de Maxwell Esti artículu siguió a una presentación de Maxwell na Royal Society el 8 d'avientu de 1864. sobre la naturaleza de la lluz como onda electromagnética, que seríen darréu confirmaes esperimentalmente por Heinrich Hertz en 1888, (n'alemán)paecieron significar el final del modelu de partícules.
thumb|400px|right|En 1900, el modelu teóricu de la lluz de Maxwell, como dos campos oscilatorios (unu llétricu y otru magnéticu) paeció completu. Sicasí, diverses observaciones nun podíen esplicase según los modelos de radiación electromagnético, lo que llevó a la conclusión de que la enerxía llumínica taba empaquetada en cuantos descritos por . Esperimentos posteriores amosaron qu'estos cuantos de lluz tamién teníen momentu llinial y en consecuencia podíen ser consideraos partícules. Nacía asina'l conceutu de fotón, que llevaría a una conocencia más fonda de los campos llétricu y magnéticu..