Fotón para niños
Datos para niños Fotón (γ, hν o ħω) |
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 Fotones emitidos en un rayo coherente por un láser
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| Clasificación | Partícula elemental | |
| Familia | Bosón | |
| Grupo | Bosón de gauge | |
| Interacción | Electromagnetismo | |
| Antipartícula | Ella misma | |
| Teorizada | Albert Einstein | |
| Masa | 0 | |
| Vida media | Estable | |
| Carga eléctrica | 0 | |
| Espín |  |
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En la física moderna, el fotón (del griego phōs, que significa 'luz') es una partícula elemental. Es la partícula que transporta todas las formas de radiación electromagnética. Esto incluye los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio.
El fotón no tiene masa y viaja en el vacío a la velocidad de la luz. Como todas las partículas muy pequeñas, el fotón tiene propiedades de partícula y de onda a la vez. Esto se conoce como "dualidad onda-partícula".
Se comporta como una onda cuando la luz se dobla al pasar por una lente (refracción). También se comporta como una onda cuando las ondas de luz se anulan entre sí (interferencia). Sin embargo, se comporta como una partícula cuando choca con la materia. Al hacerlo, transfiere una cantidad fija de energía. Esta energía se calcula con la fórmula:
Aquí, h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz, 
es la longitud de onda y 
es la frecuencia de la onda. Para la luz visible, la energía de un fotón es muy pequeña. Sin embargo, es suficiente para que las células de nuestros ojos detecten la luz y podamos ver.
Además de energía, los fotones también tienen momento lineal y polarización. Sus propiedades se rigen por las leyes de la mecánica cuántica. Esto significa que a menudo no tienen un valor exacto, sino que se describen por probabilidades.
Contenido
¿Qué es un fotón?
Un fotón es la partícula que transmite la interacción electromagnética. Esto significa que los fotones son los responsables de que existan los campos eléctricos y magnéticos. También son el resultado de que las leyes de la física sean iguales en todo el espacio-tiempo.
La idea de que la luz está hecha de partículas es muy antigua. En el siglo XVII, Isaac Newton pensaba que la luz era un conjunto de partículas. Otros científicos, como Christian Huygens, creían que la luz era una onda. Experimentos posteriores, como el de Thomas Young en el siglo XIX, mostraron que la luz se comportaba como una onda.
La idea de la luz como partícula volvió con el concepto moderno de fotón. Este fue desarrollado por Albert Einstein entre 1905 y 1917. Se basó en trabajos anteriores de Max Planck, quien introdujo la idea de "cuanto" (una cantidad mínima de energía). Con el modelo del fotón, se pudieron explicar fenómenos que el modelo de onda no podía. Por ejemplo, cómo la energía de la luz depende de su frecuencia (como en el efecto fotoeléctrico).
El concepto de fotón ha llevado a grandes avances en la física. Algunos ejemplos son la teoría cuántica de campos y el condensado de Bose-Einstein. También ha permitido inventos como el láser.
¿De dónde viene el nombre "fotón"?
Albert Einstein llamó originalmente al fotón "cuanto de luz". El nombre moderno "fotón" viene de la palabra griega phôs, que significa luz. Fue propuesto en 1926 por el físico Gilbert N. Lewis. Aunque la teoría de Lewis no fue aceptada, el nombre "fotón" se hizo muy popular.
En física, el fotón se representa con el símbolo γ (la letra griega gamma minúscula). Este símbolo viene de los rayos gamma, que son una forma de radiación electromagnética. En química e ingeniería, los fotones se simbolizan a menudo como 
, que también representa su energía.
Características de los fotones
El fotón no tiene masa ni carga eléctrica. Tampoco se desintegra por sí solo en el vacío. Tiene dos estados de polarización. Esto significa que la luz puede vibrar en diferentes direcciones. El fotón es un bosón de gauge de la interacción electromagnética. Esto significa que no tiene otros números cuánticos, como el número leptónico.
¿Cómo se producen y absorben los fotones?
Los fotones se producen de muchas maneras naturales. Por ejemplo, cuando las partículas cargadas se mueven más lento. También se producen cuando un átomo o una molécula pasa de un nivel de energía más alto a uno más bajo. O cuando una partícula choca con su antipartícula y se anulan.
Los fotones se absorben en procesos inversos. Por ejemplo, cuando se crea un par de partícula-antipartícula. O cuando un átomo o una molécula pasa de un nivel de energía más bajo a uno más alto.
Energía y movimiento de los fotones
En el espacio vacío, los fotones se mueven a la velocidad de la luz (c). Su energía (E) y su momento lineal (p) están relacionados por la fórmula 
.
La energía y el momento lineal de un fotón dependen solo de su frecuencia (
) o de su longitud de onda (
).
El momento lineal es:
Donde 
es la constante de Planck reducida. El vector k indica la dirección en la que se mueve el fotón. Los fotones también tienen un momento angular de espín que no depende de su frecuencia.
Por ejemplo, cuando una partícula y su antipartícula se anulan, deben crearse al menos dos fotones. Esto es porque un solo fotón siempre tiene momento lineal. Para que el momento lineal total sea cero, se necesitan al menos dos fotones que se muevan en direcciones opuestas.
Historia del concepto del fotón
Hasta el siglo XVIII, la mayoría de las teorías decían que la luz estaba hecha de partículas. Pero estas teorías no podían explicar fenómenos como la difracción (cuando la luz se dobla al pasar por un borde) o la refracción. Por eso, científicos como René Descartes y Christian Huygens propusieron que la luz era una onda. Sin embargo, las ideas de Isaac Newton sobre la luz como partícula seguían siendo muy influyentes.
A principios del siglo XIX, Thomas Young y August Fresnel demostraron claramente que la luz mostraba fenómenos de interferencia y difracción. Para 1850, los modelos de onda eran generalmente aceptados. En 1865, las predicciones de James Clerk Maxwell sobre la luz como onda electromagnética, confirmadas por Heinrich Hertz en 1888, parecían poner fin al modelo de partículas.
Pero la teoría de ondas de Maxwell no explicaba todas las propiedades de la luz. Por ejemplo, predecía que la energía de una onda de luz solo dependía de su intensidad, no de su frecuencia. Sin embargo, experimentos mostraron que la energía que la luz transfería a los átomos dependía solo de su frecuencia. Por ejemplo, algunas reacciones químicas solo ocurrían con luz de una frecuencia mínima. Si la frecuencia era menor, la reacción no pasaba, sin importar cuán intensa fuera la luz.
Al mismo tiempo, las investigaciones sobre la radiación de un cuerpo negro (un objeto que absorbe toda la luz) llevaron a la hipótesis de Max Planck. Él propuso que la energía de cualquier sistema que absorbe o emite radiación electromagnética de una frecuencia era un múltiplo de una cantidad mínima: 
. Albert Einstein demostró que esta idea de "cuantos" de energía era necesaria para explicar el equilibrio entre la materia y la radiación. Por su explicación del efecto fotoeléctrico, Einstein recibió el Premio Nobel de física en 1921.
En 1905, Einstein fue el primero en proponer que la energía de la luz venía en paquetes discretos, no solo la materia que la absorbía. En 1909 y 1916, Einstein demostró que estos cuantos de energía también debían tener momento lineal. Esto los convertía en partículas completas.
El momento lineal de los fotones fue confirmado experimentalmente por Arthur Compton en 1927. La pregunta entonces fue: ¿cómo unir la teoría de ondas de Maxwell con la naturaleza de partícula observada? La respuesta se encontró en la electrodinámica cuántica.
El fotón en la física moderna
Dualidad onda-partícula y principio de incertidumbre
Los fotones, como todas las partículas cuánticas, muestran propiedades de onda y de partícula. Un fotón muestra sus propiedades de onda en fenómenos como la difracción y la interferencia. Por ejemplo, en un experimento de la doble rendija, un solo fotón que pasa por las rendijas llega a la pantalla con una probabilidad que forma un patrón de interferencia. Sin embargo, el fotón no se dispersa ni se divide. Se comporta como una partícula puntual, ya que es absorbido o emitido por sistemas muy pequeños, como un electrón.
Un concepto clave en la mecánica cuántica es el principio de incertidumbre de Heisenberg. Este principio dice que no podemos conocer al mismo tiempo la posición y el momento lineal de una partícula con total precisión. Para las partículas cargadas, este principio requiere que la luz esté cuantizada en fotones.
Fotones y la materia
La luz que viaja a través de materiales transparentes lo hace más lento que en el vacío. Esto se debe a que los fotones interactúan con las partículas del material. Por ejemplo, la luz tarda mucho en salir del Sol debido a las colisiones. Pero una vez en el espacio, un fotón tarda solo 8.3 minutos en llegar a la Tierra. La reducción de velocidad se mide con el índice de refracción del material.
Los fotones también pueden ser absorbidos por átomos o moléculas. Esto hace que cambien sus niveles de energía. Un ejemplo es la molécula de retinal en nuestros ojos. Cuando absorbe un fotón, cambia de forma y envía una señal al cerebro, permitiéndonos ver. La absorción de fotones también puede romper enlaces químicos, lo que es importante en la fotoquímica.
Usos de los fotones
Los fotones tienen muchas aplicaciones en la tecnología. El láser es un ejemplo muy importante.
Los fotones individuales se pueden detectar de varias maneras. Los tubos fotomultiplicadores usan el efecto fotoeléctrico: un fotón golpea un metal y libera un electrón, que a su vez libera más electrones. Los sensores CCD (como los de las cámaras digitales) usan un efecto similar en semiconductores.
La fórmula de la energía de Planck () es muy útil para ingenieros y químicos. La usan para calcular cambios de energía cuando se absorbe un fotón o para predecir la frecuencia de la luz emitida. Por ejemplo, el color de la luz de una lámpara fluorescente se diseña usando gases con diferentes niveles de energía.
En algunas condiciones, una transición de energía puede ser activada por dos fotones a la vez. Esto permite microscopios con mayor resolución. Además, estos fotones causan menos daño a la muestra porque tienen menos energía individualmente.
Los fotones también son esenciales en la comunicación óptica, especialmente en la criptografía cuántica, que usa las propiedades cuánticas de los fotones para enviar información de forma segura.
Galería de imágenes
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Diferentes modos electromagnéticos pueden verse como osciladores. Un fotón es una unidad de energía en uno de estos modos.
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En la teoría cuántica de campos, se suman todas las formas posibles en que pueden ocurrir los eventos, como en este diagrama de Feynman.
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La emisión estimulada, donde los fotones se "clonan", fue predicha por Einstein y llevó al desarrollo del láser.
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El modelo de Bohr del átomo de hidrógeno, que ayudó a la mecánica cuántica.
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Nombre y carga eléctrica de los componentes de la materia.
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Transformación en el retinal tras la absorción de un fotón, crucial para la visión.
Véase también
En inglés: Photon Facts for Kids
