Tabla de Contenido: Introducción del Tema 1- Átomo: Fotones y electrones……………………………………… 1 Conceptos y breve historia…………………………………………….......... 1 Carga eléctrica de las partículas elementales……………………………….. 1 Carga eléctrica elemental…………………………………………………… 2 Estructura del átomo………………………………………………………… 2 Partículas elementales sub-atómicas………………………………………… 2 Modelos Atómicos que han surgido a través de la historia………………...... 2 – 6 Identificación de átomos…………………………………………………….. 6 Isotopos………………………………………………………………………. 7 Niveles energéticos…………………………………………………………… 7 2- Electrones…………………………………………..………………. 8 Historia del electrón…………………………………………………………... 8 Clasificación de los electrones……………………………………………….. 9 Propiedades…………………………………………………………………… 9 Electrones en la mecánica cuántica………………………………………….. 10 3- Fotones……………………………………………………………... 10 Propiedades físicas…………………..……………………………………….. 12 Dualidad onda-corpúsculo…………………………………………………… 12 Emisión estimulada y espontánea……………………………………………. 13 Como afecta la materia a los fotones………………………………………… 13 Utilidades de los fotones…………………………………………………….. 14
se encarga del valor y la observación de los atomos
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Tabla de Contenido:
Introducción del Tema
1- Átomo: Fotones y electrones……………………………………… 1
Conceptos y breve historia…………………………………………….......... 1
Carga eléctrica de las partículas elementales………………………………..1
Modelos Atómicos que han surgido a través de la historia………………......
2 – 6
Identificación de átomos…………………………………………………….. 6
Isotopos………………………………………………………………………. 7
Niveles energéticos…………………………………………………………… 7
2- Electrones…………………………………………..………………. 8
Historia del electrón…………………………………………………………... 8
Clasificación de los electrones……………………………………………….. 9
Propiedades…………………………………………………………………… 9
Electrones en la mecánica cuántica………………………………………….. 10
3- Fotones……………………………………………………………...10
Propiedades físicas…………………..……………………………………….. 12
Dualidad onda-corpúsculo…………………………………………………… 12
Emisión estimulada y espontánea……………………………………………. 13
Como afecta la materia a los fotones………………………………………… 13
Utilidades de los fotones…………………………………………………….. 14
Conclusión del Tema
Bibliografía
Introducción
En la presente recopilación de
información se ha de presentar de
formas claras, objetivas y precisas los
diversos elementos y partículas que
interactúan en los átomos para su
adecuado funcionamiento.
Planteando las propiedades de
estos elementos visto tanto desde el
punto de vista de la física clásica como desde el punto de vista de la
física moderna y cuántica; de forma que se obtuvo una panorámica
desde todos los puntos de vista, desde los cuales se le podía analizar.
Átomo: Fotones y ElectronesÁTOMO: CONCEPTOS Y BREVE HISTORIA
tomo, la unidad m ás pequeña posible de un elemento químico. La palabra átomo proviene de la palabra griega átomos, que significa indivisible. En un periodo prolongado de tiempo se pensó que los átomos eran los constituyentes indivisibles de la materia, es decir, los veían como partículas elementales; pero los descubrimientos del siglo XX revelaron que el átomo no era elemental, sino que tiene como componentes a los protones, neutrones y electrones.
Hasta 1932, los físicos consideraban a la materia como constituida por solo tres partículas (electrones, protones y neutrones). Exceptuando al neutrón libre, estas partículas son muy inestables. A principios de 1945, se descubrieron muchas nuevas partículas en los experimentos de colisiones de partículas conocidas a muy altas energías. Estas nuevas partículas tienen como característica ser muy inestables y de vida media muy corta (con un rango de 10-6 a 10-23 segundos).
CARGA ELÉCTRICA DE LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES
En física, carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos.
La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, los electrones tienen carga -1, también notada -e. Los protones tienen la carga opuesta, +1 o +e.
El descubrimiento de la atracción y repulsión de elementos al conectarlos con materiales eléctricos se lo atribuye a Stephen Gray, el primero en proponer la existencia
de dos tipos de carga es Charles du Fay aunque fue Benjamin Franklin quién al estudiar estos fenómenos descubrió como una electricidad normal de los cuerpos antes de ser frotados que después se distribuía en lugares donde había más atracción que otros; por eso los denominó como (+) y (-).
CARGA ELÉCTRICA ELEMENTAL
Las investigaciones actuales de la física apuntan a que la carga eléctrica es una propiedad cuantizada. La unidad más elemental de carga se encontró que es la carga que tiene el electrón, es decir alrededor de 1.6 x 10-19 culombios y es conocida como carga elemental.
Fue gracias a los trabajos de Millikan al medir la carga eléctrica del electrón, se demostró que la carga eléctrica no es continua, o sea, no es posible que tome valores arbitrarios, sino que los valores que puede adquirir son múltiplos enteros de una cierta carga eléctrica mínima.
ESTRUCTURA DEL ÁTOMO
Actualmente los científicos afirman que el átomo tiene varios componentes entre los que podemos citar están: el núcleo que posee carga positiva y está formado por protones y neutrones (a los que se le llaman nucleón), y también se encuentran los electrones que forman una nube de electrones alrededor del núcleo. La cantidad total de nucleones que contiene un átomo se conoce como número másico.
PARTÍCULAS SUB-ATÓMICAS FUNDAMENTALES
Partículas Masa UMA CargaElectrón 9.11 x 10–31 kg 0.00055 -1Protón 1,67262 × 10–27 kg 1.0073 +1neutrón 1,67493 × 10–27 kg 1.0087 0
La fuerza de interacción nuclear es lo que permite que los protones aunque tenga cargas positivas (deberían repeler entre sí) se mantienen unidas por cohesión debido a la existencia de esta fuerza la cual es de mayor magnitud, aunque de menor alcance.
Alrededor del núcleo se encuentran los electrones y la cantidad de electrones de un átomo en su estado basal es igual a la cantidad de protones que contiene en el núcleo.
Un átomo puede perder o adquirir algunos de sus electrones sin modificar su identidad química, transformándose en un ion.
Gran parte de la masa que posee un átomo se concentra en el núcleo, formado por los protones (1836 veces más pesado que un electrón) y los neutrones (1838 veces más pesado que un electrón.
MODELOS ATÓMICOS QUE HAN SURGIDO A TRAVÉS DE LA HISTORIA
Los descubrimientos de físicos y químicos han variado a lo largo de la historia, transformando así los diversos modos de representar el átomo. Más adelante presentaremos una relación cronológica de la evolución del modelo atómico a través de los tiempos:
MODELO ATÓMICO DE JOHN DALTON
Durante el siglo XVIII y principios del XIX algunos científicos habían investigado distintos aspectos de las reacciones químicas, obteniendo las llamadas leyes clásicas de la Química. Uno de estos científicos fue John Dalton quien fue el primer en representar a un átomo mediante un modelo, este modelo fue elaborado en 1808.
La imagen del átomo expuesta por Dalton en su teoría atómica, para explicar estas leyes, es la de minúsculas partículas esféricas, indivisibles e inmutables,
iguales entre sí en cada elemento químico.
Las leyes que sustentaban el modelo atómico del Dalton son las siguientes:
La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir.Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos de los diferentes elementos tienen pesos diferentes. Los átomos permanecen sin división, aún cuando se combinen en las reacciones químicas. Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples. Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos.
MODELO ATÓMICO DE JOSEPH JOHN THOMSON
Los resultados obtenidos mediante el estudio de los rayos catódicos, los rayos positivos y demás fenómenos que se investigaban entonces, llevaron a J. J. Thomson a proponer que el átomo podía considerarse como una esfera de carga positiva en la cual se hallaban incrustados los electrones.
Luego de descubrir el electrón (mediante el tubo de rayo catódico) en 1897, demostró que dentro de los átomos hay unas partículas
diminutas, con carga eléctrica negativa, a las que se llamó electrones. De este descubrimiento dedujo que el átomo debía de ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones.
El modelo atómico de Thomson, también conocido como el modelo del pudín, es una teoría sobre la estructura atómica. Se pensaba que los electrones se distribuían uniformemente alrededor del átomo. En otras ocasiones, en lugar de una sopa de carga positiva se postulaba con una nube de carga positiva.
Si hacemos una interpretación del modelo atómico desde un punto de vista más macroscópico, puede definirse una estructura estática para el mismo dado que los electrones se encuentran inmersos y atrapados en el seno de la masa que define la carga positiva del átomo.
MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD
Este modelo fue desarrollado por el físico Ernest Rutherford a partir de los resultados del experimento de Rutherford en 1911. Este modelo atómico en consecuencia, es muy diferente al de thomson, puesto que según Rutherford el átomo está constituido por un núcleo de carga positiva, en el que radica toda la masa del átomo, alrededor del cual se mueven los electrones. Rutherford pudo demostrar que el radio del núcleo es del orden de 10-13 cm, o sea unas mil veces menor que el radio del átomo.
Demostró que los átomos no eran macizos, como se creía, sino que están vacíos en su mayor parte y en su centro hay un diminuto núcleo. Dedujo que el átomo debía estar formado por una corteza con los electrones girando alrededor de un núcleo central cargado positivamente.
Rutherford predijo la existencia del neutrón en el año 1920, por esa razón en el modelo anterior (Thomson), no se habla de éste.
Aunque más preciso que los anteriores, el modelo atómico de Rutherford presentaba varios errores:
Contradecía las leyes del electromagnetismo de James Clerk Maxwell No explicaba los espectros atómicos.
MODELO ATÓMICO DE NIELS BOHR
El modelo de Bohr es un modelo cuantizado del átomo que Bohr propuso en 1913 para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo. Este modelo planetario es un modelo funcional que no representa el átomo (objeto físico) en sí sino que explica su funcionamiento por medio de ecuaciones.
Este se basó en el átomo de hidrógeno para realizar el modelo. Bohr intentaba realizar un modelo atómico capaz de explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisión y absorción discretos que se observan en los gases.
En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercana posible al núcleo. El electromagnetismo clásico predecía que una partícula cargada moviéndose de forma circular emitiría energía por lo que los electrones deberían colapsar sobre el núcleo en breves instantes de tiempo. Para superar este problema Bohr supuso que los electrones solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una de las cuales caracterizada por su nivel energético. Cada órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante. Este número "n" recibe el nombre de Número Cuántico Principal.
Postulados de Bohr
1. Los electrones orbitan el átomo en niveles discretos y cuantizados de energía.
2. Los electrones pueden saltar de un nivel electrónico a otro sin pasar por estados intermedios.
3. El salto de un electrón de un nivel cuántico a otro implica la emisión o absorción de un único cuanto de luz, cuya energía corresponde a la diferencia de energía entre ambas órbitas.
4. Las órbitas permitidas tienen valores discretos o cuantizados del momento angular orbital L de acuerdo con la siguiente ecuación:
Donde n = 1, 2, 3,… es el número cuántico angular o número cuántico principal.
MODELO DE SCHRÖDINGER
Después de que Louis-Víctor de Broglie propuso la naturaleza ondulatoria de la materia en 1924, la cual fue generalizada por Erwin Schrödinger en 1926, se actualizó nuevamente el modelo del átomo.
En el modelo de Schrödinger se abandona la concepción de los electrones como esferas diminutas con carga que giran en torno al núcleo, que es una extrapolación de la experiencia a nivel macroscópico hacia las diminutas dimensiones del átomo. En vez de esto, Schrödinger describe a los electrones por medio de una función de onda, el cuadrado de la cual representa la probabilidad de presencia en una región delimitada del espacio. Esta zona de probabilidad se conoce como orbital. La gráfica siguiente muestra los orbitales para los primeros niveles de energía disponibles en el átomo de hidrógeno y oxígeno.
El modelo atómico de Schrödinger es un modelo cuántico no relativista se basa en la solución de la ecuación de Schrödinger para un potencial electrostático con simetría esférica, llamado también átomo hidrogenoide.
IDENTIFICACIÓN DE ÁTOMOS
Los átomos se identifican por el número de protones que contiene su núcleo, ya que éste es fijo para los átomos de un mismo elemento. De esta manera se pueden identificar el número y tipo de partículas de un átomo:
Número atómico: Es el número de protones de un átomo. Se representa con la letra Z y se escribe como subíndice a la izquierda del símbolo del elemento: ZX (1H, 8O, 26Fe).
Número másico: Es la suma del número de protones y del número de neutrones de un átomo. Se representa con la letra A y se escribe como superíndice a la izquierda del símbolo del elemento: AX (1H, 8O, 26Fe).
ISÓTOPOS
Los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen igual número atómico, pero distintos números másicos. Es decir, tienen el mismo número de protones pero distinto número de neutrones.
LOS NIVELES ENERGÉTICOS DEL ÁTOMO
Tl como lo postulo Bohr, la energía de los electrones está restringida a ciertos valores definidos, a lo que se le llama nivel energético. Los valores energéticos no representan ningún ente físico, tal como una órbita u otra trayectoria particular del electrón. Sin embargo, si da una idea aproximada de la posición del electrón en el sentido de que, en general, la energía de los electrones es mayor mientras más alejados se encuentran del núcleo. En otras palabras el nivel energético del electrón aumenta hacia afuera del núcleo.
Cada nivel se designa por un número, n, llamado número cuántico principal, que toma valores: 1, 2, 3,…7.
SUBNIVELES DE ENERGÍA
Estudios más profundos permitieron conocer posteriormente que no todos los electrones de un mismo nivel tienen igual energía, sino que cada valor energético tiene varios subniveles. El número de subniveles de cada nivel es igual a n. Así, el nivel (n = 1) tiene un subnivel, el nivel (n = 2) tiene dos subniveles, y así sucesivamente.
Los subniveles se representan por letras s, p, d y f en orden creciente de energía. Los niveles y subniveles energéticos de los electrones se distribuyen de la siguiente manera:
Clase de subnivel s p d fNúmero máximo de electrones 2 6 10 14
ElectronesEl electrón es un tipo de partícula elemental de carga negativa que forma parte de
la familia de los leptones y que, junto con los protones y los neutrones, forma los átomos y las moléculas. Los electrones están presentes en todos los átomos y cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres.
El electrón, comúnmente representado como e− es una partícula subatómica de tipo fermiónico. Los electrones tienen una masa pequeña respecto al protón, y su movimiento genera corriente eléctrica en la mayoría de los metales.
HISTORIA DEL ELECTRÓN
La existencia del electrón fue postulada por G. Johnstone Stoney, como una unidad de carga en el campo de la electroquímica. El electrón fue descubierto por Joseph John Thomson en 1905 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catódicos. Aunque Stoney había propuesto la existencia del electrón, pero fue Thomson quien descubrió su carácter de partícula fundamental.
George Paget Thomson, hijo de J.J. Thomson, demostró la naturaleza ondulatoria del electrón al lograr difractar los electrones al atravesar una lámina de metal. Dicho experimento condujo a la aparición de un patrón de interferencia como el que se obtiene en la difracción de ondas como la luz, probando la dualidad onda corpúsculo la
mecánica cuántica postulada en 1926 por De Broglie. Este descubrimiento le valió el Premio Nobel de Física de 1937.
El espín del electrón se observó por vez primera en el experimento de Stern y Gerlach. Su carga eléctrica puede medirse directamente con un electrómetro y la corriente generada por su movimiento con un galvanómetro. Seis años antes de los descubrimientos de Thomson, el físico irlandés Stoney había propuesto la existencia de estas partículas, pero no lo había podido comprobar. Como asumía que la partícula tenía carga eléctrica, la denominó electrón. Posteriormente, otros científicos demostraron experimentalmente que estas partículas o electrones, tienen una masa 2000 veces menor que el átomo de hidrógeno.
CLASIFICACIÓN DE LOS ELECTRONES
El electrón es un tipo de partícula subatómica denominada leptón, que se cree que es una de las partículas fundamentales de acuerdo con el modelo estándar de partículas. Como para cualquier partícula subatómica, la mecánica cuántica predice un comportamiento ondulatorio de los electrones en ciertos casos, esta propiedad se denomina dualidad onda corpúsculo.
PROPIEDADES
El electrón tiene una carga eléctrica negativa de −1,6 × 10−19 coulombs y una masa de 9,1 × 10−31 kg (0,51 MeV/c2). El electrón tiene momento angular intrínseco o espín de 1/2 (en unidades de Planck). Dado que el espín es semientero los electrones se comportan como fermiones, es decir, colectivamente son descritos por la estadística de Fermi-Dirac.
La mayoría de los electrones se encuentran formando parte de los átomos, pero existen casos donde se desplazan libremente por la materia o formando un haz de electrones en el vacío.
El electrón es una partícula elemental, lo que significa que no tiene una subestructura. Sin embargo, en las cercanías de un electrón pueden medirse variaciones en su masa y su carga.
Hay una constante física llamada radio clásico del electrón, con un valor de 2,8179 × 10−15 m. Es preciso tener en cuenta que éste es el radio que se puede inferir a partir de la carga del electrón descrito desde el punto de vista de la electrodinámica clásica, no de la mecánica cuántica. Por lo tanto esta constante se refiere a un concepto desfasado, aunque útil para algunos cálculos.
En la mecánica cuántica, el electrón es descrito por la ecuación de Dirac, mientras que el comportamiento colectivo de los electrones viene descrito por la estadística de Fermi-Dirac. En el modelo estándar de la física de partículas forma un doblete con el neutrino, dado que ambos interaccionan de forma débil. En la naturaleza existen además otros dos "electrones masivos", el muón y el tauón, con propiedades similares al mismo aunque sin embargo son partículas diferentes, que tienen una corta existencia y se desintegran muy rápidamente.
El equivalente al electrón en la antimateria, su antipartícula, es el positrón, que tiene la misma cantidad de carga eléctrica que el electrón pero positiva. El espín y la masa son iguales en el electrón y el positrón. Cuando un electrón y un positrón colisionan, tiene lugar la aniquilación mutua, originándose dos fotones de rayos gamma con una energía de 0,500 MeV cada uno.
Los electrones son un elemento clave en el electromagnetismo, una teoría que es adecuada desde un punto de vista clásico, aplicable a sistemas macroscópicos.
FotonesEl fotón es una partícula indivisible que se mueve, siempre, a la velocidad de la luz.
Ésta es la máxima velocidad de propagación posible en el Universo. Ningún cuerpo material puede alcanzarla porque la resistencia de la materia a ser acelerada, su inercia, aumenta con la velocidad, y se hace infinita a la velocidad de la luz.
El fotón se mueve a la velocidad de la luz porque no es una partícula material; su masa es nula. Esto tiene la consecuencia adicional de que su velocidad no puede ser disminuida; esto es, los fotones no pueden ser frenados, existen sólo en movimiento a la velocidad de la luz.
La posibilidad de que existieran partículas sin masa moviéndose a la velocidad de la luz fue anticipada por Einstein en la teoría de la relatividad. Por esto se llaman "partículas relativistas". Existen otras partículas relativistas con propiedades diferentes a las del fotón. Los neutrinos, por ejemplo, no son visibles por el ojo humano.
Los fotones son producidos por cargas eléctricas en movimiento. Las cargas eléctricas producen simultáneamente fuerzas eléctricas y magnéticas que se propagan en el espacio a la velocidad de la luz como ondas electromagnéticas. Los fotones se mueven en direcciones precisas, pero se les encuentra sólo en los lugares donde ocurren las ondas
de fuerzas eléctricas y magnéticas generadas por las cargas. Se puede encontrar un fotón, todo completo, en cualquier lugar donde esas fuerzas existan; más probablemente en aquellos lugares donde esas fuerzas son mayores. Como las fuerzas electromagnéticas se propagan en forma de ondas, el fotón podrá ser encontrado con mayor probabilidad en lugares de interferencia constructiva de estas ondas y con menor o nula probabilidad en aquellos de interferencia destructiva. Esto, en algunos fenómenos como la difracción, hace que su movimiento se confunda con el de una onda, pero el fotón siempre se manifiesta como una unidad indivisible y nunca en fracciones, ni repartido sobre la región ocupada por la onda electromagnética.
Los fotones se manifiestan como partículas, ya que concentran sus energías, sus movimientos y sus efectos en regiones definidas y separadas.
El fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas, y las ondas de radio, el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias ("dualidad onda-corpúsculo").
Cuando el fotón interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de energía, que viene dada por la expresión
Donde h representa la constante de Planck, c es la velocidad de la luz, y λ es la longitud de onda.
Además de energía, los fotones llevan también asociada una cantidad de movimiento o momento lineal, y tienen una polarización. La descripción anterior de un fotón como un portador de radiación electromagnética es utilizada con frecuencia por los físicos. Sin embargo, un fotón puede considerarse como un mediador para cualquier tipo de interacción electromagnética.
La idea de la luz como partícula retornó con el concepto moderno de fotón, que fue desarrollado gradualmente entre 1905 y 1917 por Albert Einstein apoyándose en trabajos anteriores de Planck, en los cuales se introdujo el concepto de cuánto. Con el
modelo de fotón podían explicarse observaciones experimentales que no encajaban con el modelo ondulatorio clásico de la luz.
En particular, explicaba cómo la energía de la luz dependía de la frecuencia (dependencia observada en el efecto fotoeléctrico) y la capacidad de la materia y la radiación electromagnética para permanecer en equilibrio térmico.
El concepto de fotón ha llevado a avances muy importantes en física teórica y experimental, tales como la teoría cuántica de campos, el condensado de Bose-Einstein y la interpretación probabilística de la mecánica cuántica, y a inventos como el láser.
El fotón (se representa normalmente con el símbolo ) fue llamado originalmente por Albert Einstein "cuanto de luz”.
PROPIEDADES FÍSICAS
Diagrama de Feynman mostrando el intercambio de un fotón virtual (simbolizado por una línea ondulada y ) entre un positrón y un electrón.
El fotón no posee carga eléctrica y no se desintegra espontáneamente en el vacío. El fotón tiene dos estados posibles de polarización que pueden describirse mediante tres parámetros continuos: las componentes de su vector de onda, que determinan su longitud de onda y su dirección de propagación.
DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO Y PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE
Los fotones, como todos los objetos cuánticos, presentan tanto propiedades ondulatorias como corpusculares. Su naturaleza dual onda-partícula puede ser difícil de visualizar. El fotón muestra sus propiedades ondulatorias en fenómenos como la difracción y las interferencias. Por ejemplo, en un experimento de la doble rejilla, un fotón individual pasando a través de éstas incidiría en la pantalla con una distribución de probabilidad dada por sus patrones de interferencia determinados por las ecuaciones de Maxwell. Sin embargo, los experimentos confirman que el fotón no es un corto pulso de radiación electromagnética; no se dispersa al propagarse, ni se divide al encontrarse con un divisor de haz.
En vez de esto, el fotón se comporta como una partícula puntual, puesto que es absorbido o emitido en su conjunto por sistemas arbitrariamente pequeños, sistemas mucho más pequeños que sus longitudes de onda, tales como un núcleo atómico (≈10–15
m de diámetro) o incluso un electrón. Sin embargo, el fotón no es una partícula puntual cuya trayectoria sea determinada probabilísticamente por el campo electromagnético, según fue concebido por Einstein y otros; esa hipótesis fue también refutada por los experimentos de correlación de fotones ya mencionados anteriormente. De acuerdo con los conocimientos actuales, los propios campos electromagnéticos son producidos por fotones, los cuales a su vez resultan de una simetría de gauge local y las leyes de la teoría cuántica de campos.
EMISIÓN ESTIMULADA Y ESPONTÁNEA
Emisión estimulada (en la cual los fotones se "clonan" a sí mismos) fue predicho por Einstein en su derivación de E=hν, y condujo al desarrollo del láser.
En 1916, Einstein demostró que la hipótesis cuántica de Planck E = hν podría derivarse de un tipo de ecuación cinética.5 Considere una cavidad en equilibrio térmico y llena de radiación electromagnética y de sistemas que pueden emitir y absorber la radiación. El equilibrio térmico requiere que la densidad ρ(ν) de fotones con frecuencia ν sea constante en el tiempo, por lo cual, la tasa de emisión de fotones a una determinada frecuencia debe ser igual a la tasa de absorción de ellos.
Einstein teorizó que el ritmo de absorción de un fotón de frecuencia ν y transicionar de un estado de energía más bajo Ej a otro más alto Ei era proporcional al número Nj de moléculas con energía Ej y a la densidad ρ(ν) de fotones en el ambiente con tal frecuencia.
COMO AFECTA LA MATERIA A LOS FOTONES
La luz que viaja a través de materia transparente, lo hace a una velocidad menor que c, la velocidad de la luz en el vacío. Por ejemplo, los fotones en su viaje desde el centro del Sol sufren tantas colisiones, que la energía radiante tarda aproximadamente un millón de años en llegar a la superficie; sin embargo, una vez en el espacio abierto, un fotón tarda únicamente 8.3 minutos en llegar a la Tierra.
Viendo al fotón como una partícula, la disminución de la velocidad puede describirse en su lugar como una combinación del fotón con excitaciones cuánticas de la materia (cuasipartículas como fonones y excitones) para formar un polaritón; este
polaritón tiene una masa efectiva distinta de cero, lo que significa que no puede viajar con velocidad c. Las diferentes frecuencias de la luz pueden viajar a través de la materia con distintas velocidades; esto se conoce como dispersión. La velocidad de propagación del polaritón v es igual a su velocidad de grupo, que es la derivada de la energía con respecto al momento lineal.
UTILIDADES DE LOS FOTONES
Los fotones tienen muchas aplicaciones en tecnología entre los que podemos citar el láser que es una aplicación extremadamente importante.
Otra utilidad es el tubo fotomultiplicador clásico se basa en el efecto fotoeléctrico; un fotón que incide sobre una lámina de metal arranca un electrón, que inicia a su vez una avalancha de electrones.
Algunos detectores como los contadores Geiger utilizan la capacidad de los fotones para ionizar moléculas de gas, lo que da lugar a un cambio detectable en su conductividad.
Bajo algunas condiciones, se puede excitar una transición de energía por medio de dos fotones, no ocurriendo dicha transición con los fotones por separado. Esto permite microscopios con mayores resoluciones, además, estos fotones causan un menor daño a la muestra, puesto que son de menor energía.