Fotón: Onda o Partícula

La luz se comporta como una onda y como una partícula

Objetivos

Terminada la lección podrás:

Explicar lo que es un fotón.
Explicar que es una onda o una partícula.

Partícula elemental

Un fotón es la partícula elemental de la luz y de todas las formas de radiación electromagnética. Es una partícula sin masa, que siempre se mueve a la velocidad de la luz en el vacío, es decir, a 300,000 km/s. Los fotones son responsables de transmitir la fuerza electromagnética, uno de los cuatro tipos fundamentales de interacción en el universo.

Características principales de los fotones:

Partícula y onda:

Los fotones exhiben una naturaleza dual, lo que significa que pueden comportarse tanto como una partícula como una onda. Este fenómeno es conocido como la dualidad onda-partícula:

Como onda, el fotón se caracteriza por su frecuencia y longitud de onda. Estas propiedades determinan el tipo de radiación electromagnética que representa (luz visible, rayos X, microondas, etc.).
Como partícula, un fotón puede interactuar con otros objetos (átomos, electrones) de manera similar a las partículas tradicionales, transfiriendo energía en paquetes discretos llamados cuantos.

Energía del fotón:

La energía de un fotón está relacionada con su frecuencia por la ecuación de Planck:

E=h⋅f

Ecuación de Planck E es igual a la multiplicación de h por f — Ecuación de Planck E es la energía igual a la multiplicación de h o la constante de Planck por f que es la frecuencia.

Donde:

E es la energía del fotón
h es la constante de Planck que es 6.626×10^-34J*s
f es la frecuencia de la radiación electromagnética.

Esto significa que los fotones de mayor frecuencia (como los rayos gamma o los rayos X) tienen más energía que los fotones de baja frecuencia (como las ondas de radio o microondas).

No tiene masa en reposo:

Los fotones no tienen masa en reposo, lo que les permite viajar a la velocidad de la luz en el vacío. Aunque no tienen masa, los fotones pueden transportar energía y momento (impulso), lo que les permite interactuar con otras partículas.

Interacción con la materia:

Los fotones interactúan con los átomos y partículas a través de varios procesos, como:

Absorción:

Un átomo o molécula absorbe un fotón, lo que puede provocar que uno de sus electrones suba a un nivel de energía más alto.

Emisión:

Un átomo o molécula que ha absorbido energía puede emitir un fotón cuando uno de sus electrones vuelve a un nivel de energía más bajo.

Efecto fotoeléctrico:

Cuando un fotón golpea un material, puede expulsar electrones del material, como ocurre en las células solares.

Cuantización de la luz:

Los fotones son el cuanto de luz, lo que significa que la luz no se emite o absorbe de manera continua, sino en paquetes discretos de energía. Este concepto, introducido por Max Planck y desarrollado por Albert Einstein en su explicación del efecto fotoeléctrico, fue fundamental para el desarrollo de la mecánica cuántica.

Ejemplos de fotones en acción:

Luz visible: La luz que vemos es el resultado de fotones con longitudes de onda comprendidas entre aproximadamente 400 nm (violeta) y 700 nm (rojo). Cada color corresponde a una diferente energía de los fotones.
Efecto fotoeléctrico: Cuando la luz ultravioleta incide sobre un metal, puede liberar electrones del metal, lo que demuestra la naturaleza cuántica de los fotones.
Rayos X y rayos gamma: Estos fotones de alta energía tienen longitudes de onda muy cortas y se usan en aplicaciones médicas (como las radiografías) y para el tratamiento de cáncer.

Que es la dualidad de la luz

La dualidad de la luz es un concepto fundamental en la física cuántica que describe la naturaleza doble de la luz, la cual puede comportarse tanto como una onda como una partícula, dependiendo del experimento o fenómeno observado. Esta idea desafía las nociones clásicas de la física, donde se pensaba que la luz debía ser exclusivamente una cosa u otra, pero no ambas.

En resumen:

Un fotón es la partícula de luz y otras formas de radiación electromagnética, responsable de transportar energía electromagnética y de mediar en las interacciones electromagnéticas. Los fotones tienen una naturaleza dual, comportándose como partículas y ondas, y son fundamentales en muchos fenómenos de la física moderna.

La dualidad de la luz es una manifestación de la naturaleza cuántica de la realidad, donde las partículas como los fotones pueden exhibir comportamientos tanto de ondas como de partículas según las condiciones experimentales. Este principio no solo se aplica a la luz, sino también a otras partículas como los electrones, lo que indica una propiedad fundamental del mundo subatómico.