Unfotó és unapartícula elemental, elquàntum de totes les formes deradiació electromagnètica, incloent lallum. És lapartícula mediadora de laforça electromagnètica, fins i tot quan està estàtic a través defotons virtuals. El fotó no témassa en repòs i conseqüentment les interaccions d'aquesta força fonamental són observables a escala tantmicroscòpica commacroscòpica. Com totes les partícules elementals, els fotons s'expliquen amb lamecànica quàntica però presenten unadualitat ona-partícula, exhibint simultàniament propietats d'ones i departícules. Per exemple, unalent potrefractar un sol fotó i en el procésinterferir amb si mateix com si fos una ona, o pot actuar com una partícula que té unaposició definida i unaquantitat de moviment mesurable. Les propietats d'ona i de quàntum del fotó són dos aspectes observables d'un mateix fenomen i la seva naturalesa no pot ser descrita en termes de cap model mecànic,[2] per la qual cosa la representació d'aquesta propietat dual de la llum, que assumeix que l'energia es concentra a certs punts del front d'ona, és també impossible. Els quàntums en una ona de llum no es poden localitzar en l'espai; es pren nota d'alguns paràmetres físics definits del fotó.
El concepte modern del fotó fou desenvolupat de forma gradual perAlbert Einstein a principis del segle xx per explicar les observacions experimentals que no concordaven amb el model clàssic de la llum com a ona electromagnètica. El model del fotó quadrava amb el fet que l'energia de la llum depengués de la seva freqüència i explicava la capacitat de lamatèria i la radiació electromagnètica d'estar enequilibri tèrmic. A més, el model del fotó també explicava certes observacions anòmales com ara laradiació del cos negre que altres físics, notablementMax Planck, havia intentat explicar emprantmodels semiclàssics. En el model de Planck, la llum estava descrita per lesequacions de Maxwell però els objectes materials que emetien i absorbien llum ho feien en paquets discrets d'energia. Encara que aquests models semiclàssics contribuïren al desenvolupament de la mecànica quàntica, diversos experiments posteriors[3][4] començant per l'efecte Compton validaren la hipòtesi d'Einstein que lallum en si estàquantificada. El 1926 el físic òptic Frithiof Wolfers i el químicGilbert N. Lewis encunyaren el terme «fotó» per aquestes partícules. Després que Arthur H. Compton guanyés el Premi Nobel el 1927 pels seu estudis de dispersió, la majoria de científics acceptaren que els quàntums de la llum tenen una existència independent i s'acceptà el nom de fotó per aquests quàntums.
El fotó va ser anomenat originalment perAlbert Einstein[5] «quant de llum» (alemany:Lichtquant). El seu nom modern prové de laparaula grega φῶς (que es transcriu com a phôs), que significa llum, i va ser encunyat el 1926 pel físicGilbert N. Lewis, qui va publicar una teoria especulativa[6] en què els fotons no es podien «crear ni destruir». Encara que la teoria de Lewis mai no va ser acceptada —i va ser contradita en molts experiments— el nou nom"fotó" va ser adoptat de seguida per la majoria dels científics.
En física, el fotó es representa normalment amb el símbol γ (la lletragregagamma minúscula). Aquest símbol prové possiblement delsraigs gamma, descoberts i batejats amb aquest nom el 1900 perVillard[7][8] i que van resultar ser una forma deradiació electromagnètica segons van demostrarRutherford iAndrade[9] el 1914. En laquímica i enginyeria òptica, els fotons se simbolitzen habitualment per, que representa també l'energia associada a un fotó, on és laconstant de Planck i lalletra grega és lafreqüència de la partícula. Amb molta menor assiduïtat, el fotó també es representa per, sent, en aquest cas, la freqüència.
Els fotons són emesos per molts processos naturals, com quan les partícules carregades s'alenteixen durant una transició molecular, atòmica o nuclear a un nivell d'energia més baix, o quan s'aniquila una partícula amb la seva antipartícula.
Els fotons s'absorbeixen en els processos dereversió temporal que es corresponen amb els ja esmentats: per exemple, a laproducció de parells partícula-antipartícula o a les transicions moleculars, atòmiques o nuclears a un nivell d'energia més alt.
A l'espai buit els fotons es mouen a lavelocitat de la llum, i la sevaenergia imoment linealp estan relacionats mitjançant l'expressió, on és el mòdul del moment lineal. En comparació, l'equació corresponent a partícules amb unamassa és, com es demostra a larelativitat especial.
L'energia i el moment lineal d'un fotó depenen únicament de lafreqüència o, el que és equivalent, de la sevalongitud d'ona.
on (coneguda com aconstant de Dirac o constant reduïda de Planck);k és elvector d'ona (de mòdul) i és lafreqüència angular. Cal tenir en compte quek apunta a la direcció de propagació del fotó. Aquest té a mésmoment angular d'espín que no depèn de la freqüència. El mòdul de tal espín és, i la component mesurada al llarg de la seva direcció de moviment, la sevahelicitat, ha de ser. Aquests dos possibles valors corresponen als dos possibles estats de polarització circular del fotó (en sentit horari o antihorari).
Per il·lustrar la importància d'aquestes fórmules, l'aniquilació d'una partícula amb la seva antipartícula ha de donar lloc a la creació d'almenys dos fotons per la raó següent: en elsistema de referència fix en elcentre de masses, les antipartícules que col·lisionen no tenen moment lineal net, mentre que un fotó aïllat sempre ho té. En conseqüència, la llei deconservació del moment lineal requereix que almenys es creïn dos fotons perquè el moment lineal resultant pugui ser igual a zero. Les energies dels dos fotons —o el que és equivalent, les seves freqüències— poden determinar-se per leslleis de conservació. El procés invers, lacreació de parells, és el mecanisme principal pel qual els fotons d'alta energia (com els raigs gamma) perden energia en passar a través de la matèria.
Les fórmules clàssiques per a l'energia i el moment lineal de la radiació electromagnètica poden ser expressades també en termes d'esdeveniments fotònics. Per exemple, lapressió de radiació electromagnètica sobre un objecte és deguda a la transferència de moment lineal dels fotons per unitat de temps i unitat de superfície de l'objecte, ja que la pressió és força per unitat de superfície i la força, alhora, és la variació del moment lineal per unitat de temps.
Els fotons tenen moltes aplicacions en tecnologia. Els exemples següents es trien per il·lustrar les aplicacions dels fotons "per se" en lloc de dispositius òptics generals com ara lents, etc. que podrien funcionar sota una teoria clàssica de la llum.
Els fotons individuals es poden detectar mitjançant diversos mètodes. El tubfotomultiplicador clàssic explota l'efecte fotoelèctric: un fotó d'energia suficient colpeja una placa metàl·lica i deixa lliure un electró, iniciant una allau d'electrons cada cop més amplificada. Els xipssemiconductors desensors CCD utilitzen un efecte similar: un fotó incident genera una càrrega en uncondensador microscòpic que es pot detectar. Altres detectors com elscomptador Geiger utilitzen la capacitat dels fotons perionitzar les molècules de gas contingudes en el dispositiu, provocant un canvi detectable de laconductivitat del gas.[12]
La fórmula energètica de Planck s'utilitza sovint per enginyers i químics en el disseny, tant per calcular el canvi d'energia resultant de l'absorció d'un fotó com per determinar la freqüència de la llum emesa per un fotó determinat. Per exemple, l'espectre d'emissió d'unalàmpada de descàrrega de gas es pot alterar omplint-la amb (mescles de) gasos amb diferentsnivells d'energia de configuracions electròniques.[13]
En algunes condicions, una transició energètica pot ser excitada per "dos" fotons que serien insuficients si actuessin individualment. Això permet una microscòpia de major resolució, perquè la mostra absorbeix energia només en l'espectre on dos feixos de diferents colors se superposen significativament, cosa que es pot fer a un nivell molt més petit que el volum d'excitació d'un sol feix. A més, aquests fotons causen menys danys a la mostra, ja que són de menor energia.[14]
En alguns casos, es poden acoblar dues transicions energètiques de manera que, a mesura que un sistema absorbeix un fotó, un altre sistema proper "robi" la seva energia i reemeti un fotó d'una freqüència diferent. Aquesta és la base de latransmissió d'energia de ressonància, una tècnica que s'utilitza enbiologia molecular per estudiar la interacció deproteïnes adequades.[15]
Diversos tipus diferents de generadors de nombres aleatoris de maquinàries impliquen la detecció de fotons individuals. En un exemple, per a cada bit de la seqüència aleatòria que s'ha de produir, s'envia un fotó a undivisor de feix. En aquesta situació, hi ha dos possibles resultats d'igual probabilitat. El resultat real s'utilitza per determinar si el bit següent de la seqüència és "0" o "1".[16][17]
Aquest article o secció necessita millorar unatraducció deficient. Podeu col·laborar-hi si coneixeu prou la llengua d'origen. També podeuiniciar un fil de discussió per consultar com es pot millorar. Elimineu aquest avís si creieu que està solucionat raonablement.
↑A diferencia de otras partículas como elelectrón o elquark. Debido a los resultados deexperimentos y a consideraciones teóricas descritas en este artículo, se cree que lamasa del fotón es exactamente cero. Algunas fuentes utilizan también el concepto demasa relativista para la energía expresada con unidades de masa. Para un fotón con longitud de ondaλ o energíaE, su masa relativista esh/λc oE/c2. Este uso del término "masa" no es común actualmente en la literatura científica.[10]
↑ «Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources». Astronomy Letters, 31, 2005, pàg. 147–151. 10.1134/1.1883345. (en anglès)
↑Stefanov, A.; Gisin, N.; Guinnard, O.; Guinnard, L.; Zbiden, H. «Optical quantum random number generator». Journal of Modern Optics, 47, 4, 2000, pàg. 595–598.DOI:10.1080/095003400147908.
