El Fotón es una partícula que tiene la capacidad de portar la radiación electromagnética en todas sus formas, su nombre fue dado por el físico químico estadounidense Gilbert Newton Lewis. Conozca todo acerca del Fotón, aquí.
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¿Que es un Fotón?
Hoy vamos a conocer que es un fotón y para comprender de que se trata, vamos a desnudar cada concepto y cada palabra que nos permita comprender en su totalidad de que viene este tema, porque generalmente las personas son adveras a temas que hablan sobre la física, por considerarla complicada. Pero la física forma parte de nuestra vida diaria, por lo tanto, es importante conocer sobre ella.
Para comenzar podemos indicar que un fotón es la unidad fundamental que contiene en sí misma todas las formas de radiación electromagnética. La radiación electromagnética por su parte, está conformada por la combinación del campo eléctrico y el campo magnético.
La radiación electromagnética viaja en forma de ondas y no necesita de un medio material especifico para propagarse. Por lo tanto, si un fotón contiene en si mismo todas las formas de radiación, cuando hablamos de luz visible, luz ultravioleta, luz infrarroja, rayos x, rayos gamma, entre otros, tipos de radiación electromagnética, estamos hablando de Fotones.
Para hablar de fotón es necesario hacerlo desde los fenómenos cuánticos, ya que es la física cuántica la que permite analizar el comportamiento y las interacciones de partículas a nivel atómico y subatómico. Por ello, en oportunidades podremos encontrar información que se refiere a los fotones como un quantum o partícula cuántica.
El fotón que no tiene masa cuando se encuentra en reposo, pero sí tiene cuerpo. Como todos los quantum, el fotón tiene propiedades tanto como partícula como ondulatorias. Es posible que se estén preguntando cómo es posible que exista una partícula con tal dualidad, es simple, el fotón se comportará como onda cuando se implica en fenómenos de refracción, mientras que se comporta como partícula cuando interactúa con la materia, por ejemplo, cuando transfiere una cantidad fija de energía.
Propiedades del fotón
Ahora que comprendemos que un fotón es una unidad fundamental de energía, capaz de ser cualquiera de las formas electromagnéticas conocidas, debemos entonces reconocer cada una de las propiedades que confieren las cualidades de un fotón. Los fotones no tienen masa, tampoco poseen cargas eléctricas y no se desintegra de manera espontánea en el vacío.
El fotón es una partícula indivisible que se mueve de manera permanente a la velocidad de la luz, siendo ésta la máxima velocidad de propagación en el Universo. Esta velocidad no puede ser alcanzada o desarrollada por ningún cuerpo material, debido a que existe una fuerza de roce, de resistencia del cuerpo o materia a ser acelerada.
El cuerpo material cambiará su inercia con la velocidad, por lo que la misma aumentará, pero para que alcance la velocidad de la luz, se debe aplicar una fuerza de magnitud infinita, la cual no existe en la naturaleza. Al conocer entonces el comportamiento de un cuerpo o materia, nos permite comprender que si el fotón se desplaza a la velocidad de la luz, no es una partícula material, por lo tanto, su masa es cero.
Adicionalmente esta propiedad de masa cero, le confiere en consecuencia que su velocidad no pueda ser disminuida, por lo tanto, los fotones no pueden ser frenados y existen sólo en movimiento a la velocidad de la luz.
En nuestra propia limitación de desplazarnos a la velocidad de luz, no podemos alcanzar un fotón, por lo que no podemos conocerlos, por lo tanto, desconocemos como son, es decir, son redondos?, lisos?, blancos?, no lo sabemos.
Las fotografías tomadas a baja exposición, solo muestran por donde pasaron, solo podemos ver la huella que dejan a su paso, pero hasta el momento, el ser humano no ha podido observar un fotón. Las cargas eléctricas en movimiento producen fotones y a su vez de manera simultánea producen fuerzas eléctricas y magnéticas y se propagan como ondas electromagnéticas a la velocidad de la luz.
Esto quiere decir que encontraremos fotones en los lugares donde confluyan ondas de fuerzas eléctricas y magnéticas generadas por las cargas, pueden estar presentes con mayor probabilidad en sitios donde existan interferencias constructivas y menos probables en las de interferencia destructiva, sin embargo, el fotón siempre será una unidad indivisible.
Pero como ya hemos mencionado anteriormente, los fotones tienen la capacidad de ser duales y presentarse como ondas y también como partículas. Se presentarán como partículas cuando concentren sus energías, sus movimientos y sus efectos en regiones definidas y separadas. Ahora necesitamos de toda su atención, cuando logramos captar el trayecto del fotón en una fotografía, se debe a que parte de la energía de cada fotón transforma a los cristales que forman parte de la emulsión fotográfica.
Cómo se produce esta transformación del papel fotográfico?, la misma se genera por el choque que se produce entre el fotón y una partícula de carga eléctrica del cristal que impregna el papel fotográfico. Por lo tanto, se desprende un electrón como consecuencia del impacto entre el fotón y el cristal. Lo anteriormente señalado, es lo que se conoce como “efecto fotoeléctrico”.
Por su parte, las trayectorias de los electrones de la película fotográfica que chocan con los fotones, también tiene una propiedad y un efecto. La dirección que es tomada por el fotón después del choque con el cristal del papel fotográfico o cualquier otro material determinado, es llamado efecto Compton y es lo que mejor explica a un fotón como partícula. Por lo tanto, podemos señalar que el fotón tienen tanto propiedades corpusculares como ondulatorias, es decir, se comporta como una onda y como una partícula.
Historia y desarrollo
La inferencia de la posibilidad de la existencia de partículas sin masa moviéndose a la velocidad de la luz, fue anticipada por Albert Einstein, un físico nacido alemán y nacionalizado estadounidense, considerado uno de los científicos más importante del siglo XX. Fue Einstein a través de su teoría de la relatividad, quien infirió la existencia del fotón, por eso también en oportunidades son llamadas “partículas relativistas”.
El término fotón fue usado por Leonard Thompson Troland físico estadounidense en el año 1.916, también por John Joly quién era médico, físico y geólogo irlandés lo uso en el año 1.921 y Gilbert Newton Lewis fisicoquímico estadounidense, en el año 1.926, todos utilizaron el termino con significados distintos, lo curioso del caso es que ninguno de ellos lo uso como un sinónimo, del concepto de quantum de luz que había introducido Albert Einstein en el año 1.905.
La historia científica que permitió el reconocimiento del fotón, fue de grandes descubrimientos y propuestas, para principios del siglo XX, la comunidad científica estaba avocada a entender lo que no podían ver, por eso la física cuántica tuvo un gran avance.
Einstein propuso que la radiación electromagnética estaba compuesta de «cuantos de energía» los cuales estaban determinados por la expresión E = hν. Esta expresión es reconocida en nuestros días como la Relación de Planck–Einstein, la misma indica que la Energía (E) de un fotón es proporcional a la frecuencia (v) por la constante de proporcionalidad (h), la cual es conocida como la constante de Planck.
Esta expresión permitía reconocer al cuanto como una onda, pero cuando Einstein en el año 1.917 le asigno a la expresión un momento lineal, utilizando la expresión p = hν/c, fue ésta la primera vez que el cuanto fue tratado como una partícula, pero Einstein hablaba de corpúsculo de luz. A pesar que fue Einstein quién propuso la teoría, la palabra fotón fue introducida en el mundo de la física por Gilbert Newton Lewis.
Lewis desarrolló una nueva teoría para la radiación luminosa, la cual estaba fundamentada en la simetría de dos fenómenos, el de emisión y el de absorción de luz. Lewis indicaba que cuando un átomo emite un cuanto de luz, su energía se reducía en una cantidad que estaba determinada por hν.
También infería que un átomo de luz, era emitido con un impulso hν/c y una masa hν/c², que además viajaba en línea recta por el espacio, hasta que encontraba a otro átomo, que lo absorbía y éste aumentaba su energía en la cantidad de energía del átomo que había absorbido.
El hombre históricamente a propuesto diversas teorías para explicar el comportamiento de las partículas, el auge de éstas estuvo en el siglo XVIII, en el que la luz era reconocida como un conjunto de partículas. Sin embargo, los modelos propuestos de partículas no explicaban los fenómenos de difracción y refracción.
En la búsqueda de respuesta los trabajos de René Descartes en el año 163, Robert Hooke en el año 1665 y Christian Huygens en el año 1678, proponían teorías ondulatorias para la luz. Y a pesar que James Clerk Maxwell un científico escocés creador de la teoría de la radiación electromagnética, la cual unificó la electricidad y el magnetismo y la luz como manifestaciones diferentes de un mismo fenómeno, no logró explicar todas las propiedades de la luz.
Predecía que la energía de una onda luminosa dependía solamente de su intensidad, no de su frecuencia, sin embargo, una serie de experimentos demostraron que era contrario el comportamiento, la energía aportada por la luz a los átomos dependía de la frecuencia y no de la intensidad.
¿Cómo contribuye a la masa de un sistema?
Ahora que ya conocemos como los científicos del mundo y desde años muy remotos trataron de explicar el comportamiento de un fotón, vamos a conocer cual realmente es la importancia de las teorías y expresiones desarrolladas.
Con base en la teoría de la relatividad, la energía de un sistema que emite un fotón, reduce su energía en una cantidad igual a la energía del fotón emitido y la masa del sistema que lo emite se reduce. Del mismo modo, la masa del sistema que absorbe el fotón se incrementará la misma cantidad. Para poder comprender lo anteriormente señalado y determinar cuál era la contribución de un fotón a la masa de un sistema, debieron adentrarse en la electrodinámica cuántica.
Esta teoría cuántica del campo electromagnético, describe los fenómenos de las partículas eléctricamente cargadas que trabajan por medio de la fuerza electromagnética. Es en realidad la teoría que describe de manera detallada la interacción que se produce entre fotones y las partículas cargadas.
La teoría cuántica de acuerdo con la descripción de la óptica clásica, señala que la luz viaja libremente sobre todos los caminos que le sean permitidos, mientras que su interferencia determinará los frentes de ondas que se propagan de acuerdo con el principio de Fermat.
Este principio dice que el trayecto que es seguido por la luz cuando se propaga de un punto a otro es tal, que el tiempo empleado en recorrerlo es estacionario, en referencia a las posibles variaciones que hayan surgido en su trayectoria. Utilizando entonces esta teoría, se logró construir la explicación de la creación y aniquilación de partículas cuánticas.
Muy bien, si entonces sabemos que la velocidad de la luz en el vacío (c) al propagarse por un medio se reduce a un valor (v = c/n) en la que n es reconocido como el índice de refracción del medio por el cual se propaga, el comportamiento dependerá de la frecuencia de la radiación fotónica, siendo entonces un medio dispersivo.
En cambio si la velocidad de la luz en el medio es independiente de su frecuencia, el medio será no dispersivo. En materiales que tienen un índice de refracción que depende de la amplitud del campo de la onda, es decir, de la cantidad de fotones y se producen efectos que no son lineales, se obtienen otras frecuencias de luz o fotones de energía diferente a los que ingresaron al medio.
Como podemos ver los fotones de un haz de luz pueden ser reflejados, pueden refractarse, transmitirse o dispersarse, sin cambiar de frecuencia. Pero también pueden ser absorbidos por el material, cediendo su energía al medio, la cual puede transformarse en calor o cambiar de frecuencia por un efecto no lineal.
También es importante saber que los efectos que la luz induce en la materia, cuando interacciona con ella, va a depender de las características de ambos. Por lo tanto, en un material determinado el efecto de contribución dependerá de la longitud de onda, de la duración, de la frecuencia e intensidad.
Aplicaciones del fotón
Las investigaciones y teorías generadas en referencia a los fotones y el conocimiento de sus propiedades y comportamiento han sido de gran importancia para la humanidad, en el desarrollo no solo tecnológico, sino también en la calidad de vida, por las diversas aplicaciones en el campo de la medicina.
En muchas oportunidades se muestran las aplicaciones de los fotones como partícula, pero son pocas las oportunidades que se indica su influencia y participación en el campo de la óptica, como por ejemplo el láser, el cual tiene una aplicación extremadamente importante.
Como indicamos anteriormente cuando un fotón incide sobre una lámina de metal, desplazará de ésta un electrón, que inicia a su vez una avalancha de electrones. Este efecto es utilizado en los circuitos integrados. Una de las aplicaciones más conocidas son los detectores de radiactividad, conocidos generalmente como los contadores Geiger.
En este tipo de equipos se usa la capacidad que tienen los fotones para ionizar moléculas de gas, es decir, para que se produzcan iones. Al provocar este fenómeno de ionización se producirá un cambio en la conductividad, que será detectado por el equipo, indicando la actividad radiactiva o ionizante del elemento.
El conocer las propiedades y comportamiento de los fotones también es utilizado en el área de la ingeniería, ya que con las expresiones comprobadas de Planck, pueden calcular la variación de energía por la absorción de un fotón o simplemente predecir la frecuencia de luz que será emitida.
Esto contribuye de manera inimaginable en las mejoras y tipo de iluminación que se necesita en un ambiente determinado, por ejemplo. También la utilización calculada y controlada del número de fotones ha permitido desarrollar microscopios con resoluciones mayores.
Es tan amplia la aplicación de los fotones que se ha desarrollado la ciencia y la tecnología de la luz, que es llamada Fotónica, es un nuevo campo del conocimiento que tiene como finalidad controlar, generar, procesar y detectar radiaciones electromagnéticas o flujos de fotones.
Este nuevo campo científico estudia el comportamiento de los flujos de los cuantos de energía o fotones, como partículas elementales que constituyen la luz, que no tienen masa, que viajan a la velocidad de la luz, pero que transportan energía.
Desde el descubrimiento del láser se entendió que con generadores de luz capaces de producir grandes flujos de fotones por estimulación, que además pueden viajar largas distancias en haces de luz, que con la utilización de lentes dispuestos de manera adecuada, estos rayos pueden ser enfocados y dirigidos a zonas específicas, se supo de la importancia que el mismo tendría en el campo de la medicina.
Siempre el ser humano tuvo la inquietud de conocer y poder manejar las propiedades terapéuticas de la luz solar, sin embargo, carecían de conocimiento y tecnología para generar, guiar, procesar y controlarla. Conocer y entender el fotón, catapultó las posibilidades de utilizarlo en un número inimaginable de aplicaciones en todos los sectores, al punto de hacer surgir a la Fotónica.
Tan amplio es su uso que esta ciencia ya comenzó a generar ramas de interés como por ejemplo la BioFotónica, la cual surge de la combinación entre la Fotónica y la Biología y tienen como objetivo acelerar los avances en las ciencia, en el ámbito de la medicina y de la vida misma.
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