Diferencia entre revisiones de «Fotón»
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{{otros usos}}
también el concepto de ''[[masa relativista]]'' para la energía expresada con unidades de masa. Para un fotón con longitud de onda ''λ'' o energía ''E'', su masa relativista es ''h/λc'' o ''E''/''c''<sup>2</sup>. Este uso del término "masa" no es común actualmente en la literatura científica.</ref> y viaja en el vacío con una velocidad constante [[Velocidad de la luz|<math>c</math>]]. Como todos los [[Cuanto|cuantos]], el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias ("[[Dualidad onda corpúsculo|dualidad onda-corpúsculo]]"). Se comporta como una onda en fenómenos como la [[refracción]] que tiene lugar en una lente, o en la cancelación por interferencia destructiva de [[Reflexión (física)|ondas reflejadas]]; sin embargo, se comporta como una partícula cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de energía, que viene dada por la expresión.▼
{{Ficha de partícula
| nombre = Fotón <big>(γ)</big>
| imagen = Military laser experiment.jpg
| pie = Fotones emitidos en un rayo coherente por un láser
| num_tipos =
| clasificación = [[Partícula elemental]]
| familia = [[Bosón]]
| grupo = [[Bosón de gauge]]
| generación =
| interacción = [[Electromagnetismo]]
| partícula =
| antipartícula = Ella misma
| estado =
| teorizada = [[Albert Einstein]]
| descubierta =
| símbolo = γ, [[Constante de Planck|h]][[Frecuencia|ν]], o [[Constante de Planck#Constante reducida de Planck|ħ]][[Frecuencia angular|ω]]
| masa = 0
| vida_media = Estable
| carga_eléctrica = 0
| radio_de_carga =
| dipolo_eléctrico =
| polarizabilidad_eléctrica =
| momento_magnético =
| polarizabilidad_magnética =
| espín = <math>1 \hbar\;</math>
| num_estados_espín =
| isospín =
| isospín_débil =
| paridad =
| simetrías_condensadas =
}}
▲En [[física moderna]], el '''fotón''' ([[Griego]] ''φῶς, φωτός'' [luz], y -ón) es la [[partícula elemental]] responsable de las manifestaciones [[cuanto|cuánticas]] del fenómeno [[electromagnetismo|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 ([[espectro electromagnético]]), la [[luz infrarroja]], las [[microonda]]s, y las [[onda de radio|ondas de radio]]. El fotón tiene una [[masa invariante]] cero,<ref name="rel_mass">a diferencia de otras partículas como el [[electrón]] o el [[quark]]. Debido a los resultados de experimentos y a consideraciones teóricas descritas en este artículo, se cree que la [[masa invariante|masa]] del fotón es exactamente cero. Algunas fuentes utilizan también el concepto de ''[[masa relativista]]'' para la energía expresada con unidades de masa. Para un fotón con longitud de onda ''λ'' o energía ''E'', su masa relativista es ''h/λc'' o ''E''/''c''<sup>2</sup>. Este uso del término "masa" no es común actualmente en la literatura científica.</ref> y viaja en el vacío con una velocidad constante [[Velocidad de la luz|<math>c</math>]]. Como todos los [[Cuanto|cuantos]], el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias ("[[Dualidad onda corpúsculo|dualidad onda-corpúsculo]]"). Se comporta como una onda en fenómenos como la [[refracción]] que tiene lugar en una lente, o en la cancelación por interferencia destructiva de [[Reflexión (física)|ondas reflejadas]]; sin embargo, se comporta como una partícula cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de energía, que viene dada por la expresión.
:<math>E = \frac{h c}{\lambda}</math>
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La discusión sobre la naturaleza de la luz se remonta hasta la antigüedad. En el siglo XVII, [[Isaac Newton|Newton]] se inclinó por una interpretación corpuscular de la luz, mientras que sus contemporáneos [[Christian Huygens|Huygens]] y [[Robert Hooke|Hooke]] apoyaron la hipótesis de la luz como onda. Experimentos de interferencia, como el realizado por [[Thomas Young|Young]] en el siglo XIX, confirmaron el modelo ondulatorio de la luz.
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]]<ref name="Einstein1905">{{Cita publicación| apellido= Einstein | nombre= A | enlaceautor= Albert Einstein | año= 1905 | título= Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (trad. Modelo heurístico de la creación y transformación de la luz) | revista= Annalen der Physik | volumen= 17 | páginas= 132–148 <small>(en alemán)</small>}} Una [[s:A Heuristic Model of the Creation and Transformation of Light|traducción inglesa]] del trabajo de Einstein se encuentra disponible en [[Wikisource]].</ref><ref name="Einstein1909">{{Cita publicación| apellido= Einstein | nombre= A | enlaceautor= Albert Einstein | año= 1909 | título= Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung (trad. Evolución de nuestro concepto sobre la composición y esencia de la radiación)| revista= Physikalische Zeitschrift | volumen= 10|páginas= 817–825 <small>(en alemán)</small>}} Una [[s:The Development of Our Views on the Composition and Essence of Radiation|traducción inglesa]] se encuentra disponible en [[Wikisource]].</ref><ref name="Einstein1916a">{{Cita publicación| apellido= Einstein | nombre= A | enlaceautor= Albert Einstein | año= 1916a | título= Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie | revista= Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft | volumen= 18 | páginas= 318 <small>(en alemán)</small>}}</ref><ref name="Einstein1916b">{{Cita publicación| apellido= Einstein | nombre= A | enlaceautor= Albert Einstein | año= 1916b | título= Zur Quantentheorie der Strahlung | revista= Mitteilungen der Physikalischen Geselschaft zu Zürich | volumen= 16 | páginas= 47}} También ''Physikalische Zeitschrift'', '''18''', 121–128 (1917) <small>(en alemán)</small>.</ref> apoyándose en trabajos anteriores de [[Max Planck|Planck]], en los cuales se introdujo el concepto de [[cuanto (física)|cuanto]]. 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
Otros físicos trataron de explicar las observaciones anómalas mediante modelos "semiclásicos", en los que la luz era
El concepto de fotón ha llevado a
De acuerdo con el [[modelo estándar de física de partículas]] los fotones son los responsables de producir todos los campos [[campo eléctrico|eléctricos]] y [[campo magnético|magnéticos]], y a su vez son el resultado de que las leyes físicas tengan cierta [[simetría]] en todos los puntos del [[espacio-tiempo]]. Las propiedades intrínsecas de los fotones ([[masa invariante]] y [[espín]] ) están determinadas por las propiedades de la [[teoría de campo de gauge|simetría de Gauge]].
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== Nomenclatura ==
El fotón fue llamado originalmente por [[Albert Einstein]]<ref name="Einstein1905" /> '''"cuanto de luz”''' (en [[idioma alemán|alemán]]: ''das Lichtquant''). El nombre moderno “fotón” proviene de la [[idioma griego|palabra griega]] φῶς (que se transcribe como phôs), que significa luz, y fue acuñado en 1926 por el físico [[Gilbert N. Lewis]], quien publicó una teoría especulativa<ref name="Lewis1926">{{Cita publicación| apellido= Lewis | nombre= GN | enlaceautor= Gilbert N. Lewis | título= The conservation of photons|
En física, el fotón se representa normalmente con el símbolo <math>\gamma \!</math> (la letra [[Alfabeto griego|griega]] [[gamma]]). Este símbolo proviene posiblemente de los [[radiación gamma|rayos gamma]], descubiertos y bautizados con ese nombre en [[1900]] por [[Paul Ulrich Villard|Villard]]<ref>{{Cita publicación| apellido= Villard | nombre= P | enlaceautor= Paul Ulrich Villard | año= 1900 | título= Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium | revista= Comptes Rendus | volumen= 130 | páginas= 1010–1012 }}<small>(en francés)</small></ref><ref>{{Cita publicación| apellido= Villard | nombre= P | enlaceautor= Paul Ulrich Villard | año= 1900 | título= Sur le rayonnement du radium | revista= Comptes Rendus | volumen= 130 | páginas= 1178–1179 }}<small>(en francés)</small></ref> y que resultaron ser una forma de [[radiación electromagnética]] según demostraron [[Ernest Rutherford|Rutherford]] y [[Edward Andrade|Andrade]]<ref>{{Cita publicación| apellido= Rutherford | nombre= E | enlaceautor=
== Propiedades físicas ==
{{AP|Teoría de la relatividad especial}}
[[Archivo:Electron-positron-scattering.svg|thumb|[[Diagrama de Feynman]] mostrando el intercambio de un fotón virtual (simbolizado por una línea ondulada y <math>\gamma \,</math>) entre un [[positrón]] y un [[electrón]].]]
El fotón no tiene masa,<ref name="rel_mass" /> tampoco posee [[carga eléctrica]]<ref name="chargeless">{{Cita publicación| apellido= Kobychev | nombre= V V | coautores= Popov, S B | año= 2005 | título= Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources | revista= Astronomy Letters | volumen= 31 | páginas= 147–151|doi = 10.1134/1.1883345}} <small>(en inglés)</small></ref> 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 <math>\lambda \!</math> y su dirección de propagación. El fotón es el [[bosón de gauge]] de la [[interacción electromagnética]], y por tanto todos los otros números cuánticos —como el [[número leptónico]], el [[número bariónico]], o
=== Emisión ===
Los fotones se emiten en muchos procesos naturales, por ejemplo, cuando se acelera una partícula con carga eléctrica, durante
=== Absorción ===
Los fotones se absorben en los procesos de [[simetría-T|reversión temporal]] que se corresponden con los ya mencionados: por
=== Energía y movimiento ===
Línea 44 ⟶ 78:
La energía y el momento lineal de un fotón dependen únicamente de su [[frecuencia]] <math>\nu \!</math> o, lo que es equivalente, de su [[longitud de onda]] <math>\lambda \!</math>.
<center><math>E = \hbar \omega = h \nu = \frac{h c}{\
<center><math>\mathbf{p} = \hbar \mathbf{k}</math></center>
Línea 53 ⟶ 88:
donde <math>\hbar = h/2\pi \!</math> (conocida como [[Constante de Planck|constante de Dirac o constante reducida de Planck]]); '''''k''''' es el [[vector de onda]] (de módulo <math>k = 2 \pi/ \lambda \!</math>) y <math>\omega = 2 \pi \nu \!</math> es la [[frecuencia angular]]. Debe tenerse en cuenta que '''''k''''' apunta en la dirección de propagación del fotón. Este tiene además [[Espín|momento angular de espín]] que no depende de la frecuencia. El módulo de tal espín es <math>\sqrt{2} \hbar</math>, y la componente medida a lo largo de su dirección de movimiento, su [[Helicidad (física de partículas)|helicidad]], tiene que ser <math>\pm \hbar</math>. Estos dos posibles valores corresponden a los dos posibles estados de [[polarización circular]] del fotón (en sentido horario o antihorario).
Para ilustrar la importancia de estas fórmulas, la [[Aniquilación positrón-electrón|aniquilación de una partícula con su antipartícula]] tiene que dar lugar a la creación de al menos dos fotones por la siguiente razón: en el [[sistema de referencia]] fijo en el [[centro de masas]], las antipartículas que colisionan no tienen momento lineal neto, mientras que un fotón aislado siempre lo tiene. En consecuencia, la ley de [[Cantidad de movimiento#Conservación|conservación del momento lineal]] requiere que al menos se creen dos fotones, para que el momento lineal resultante pueda ser igual a cero. Las energías de los dos fotones —o lo que es equivalente, sus frecuencias— pueden determinarse por las [[Ley de conservación|leyes de conservación]]. El proceso inverso, la [[creación de pares]], es el mecanismo principal por el que los fotones de alta energía (como los [[rayos gamma]]) pierden energía al pasar a
Las fórmulas clásicas para la energía y el momento lineal de la [[radiación electromagnética]] pueden ser expresadas también en términos de eventos fotónicos. Por ejemplo, la [[Presión de radiación|presión de radiación electromagnética]] sobre un objeto es debida a la trasferencia de momento lineal de los fotones por unidad de tiempo y unidad de superficie del objeto, ya que la presión es fuerza por
== Desarrollo histórico del concepto ==
Línea 88 ⟶ 124:
* ''La causalidad se abandona''. Por ejemplo las [[Emisión espontánea|emisiones espontáneas]] son simplemente [[Emisión inducida|emisiones inducidas]] por un campo electromagnético ''virtual''.
Sin embargo, experimentos de Compton refinados mostraron que el par ''energía-momento lineal'' se conservaba extraordinariamente bien en los procesos elementales, y también que la excitación del electrón y la generación de un nuevo fotón en la dispersión de Compton obedecían a una causalidad del orden de 10 [[picosegundo|ps]]. Como consecuencia, Bohr y sus colegas dieron a su modelo «
Unos cuantos de físicos persistieron<ref name="Mandel1976">{{Cita publicación| apellido= Mandel | nombre= L | enlaceautor= Leonard Mandel | año= 1976 | título= The case for and against semiclassical radiation theory | revista= Progress in Optics | editor = E. Wolf, ed. | editorial= North-Holland | volumen= XIII | páginas= 27–69}}</ref> en el desarrollo de modelos semiclásicos, en los cuales la [[radiación electromagnética]] no estaba cuantizada, aunque la materia obedecía las leyes de la [[mecánica cuántica]]. Aunque la evidencia de los fotones, a partir de los experimentos físicos y químicos, era aplastante hacia 1970, esta evidencia no podía considerarse ''absolutamente''
== Dualidad onda-corpúsculo y principio de incertidumbre ==
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:<math>R_{ji} = N_{j} B_{ji} \rho(\nu) \!</math>
donde <math>B_{ji}</math> es la constante para el ritmo de absorción <math>R_{ji}</math> de los niveles energéticos <math>E_{j}</math> a <math>E_{i}</math>.
De manera más atrevida, Einstein teorizó que el ritmo inverso <math>R_{ij}</math> para que el sistema ''emitiera'' un fotón de frecuencia <math>\nu</math> y transicionara desde
<math>E_{i}</math> a <math>E_{j}</math> se componía de dos términos:
Línea 144 ⟶ 182:
:<math>R_{ij} = N_{i} A_{ij} + N_{i} B_{ij} \rho(\nu) \!</math>
donde <math>A_{ij}</math> es el ritmo de [[emisión espontánea]] de un fotón y <math>B_{ij}</math> es la constante para el
los fotones presentes en el ambiente ([[emisión estimulada|emisión inducida o estimulada]]).
Einstein demostró que la fórmula de Planck <math>E = h\nu</math> es una consecuencia
Línea 153 ⟶ 191:
:<math>A_{ij} = \frac{8 \pi h \nu^{3}}{c^{3}} B_{ij}.</math>
Einstein no trató de justificar sus dos ecuaciones pero hizo notar que <math>A_{ij}</math> y <math>B_{ij}</math> deberían poder derivarse de la mecánica y la electrodinámica modificadas para acomodadar la hipótesis cuántica. Esta predicción fue confirmada en la mecánica cuántica y en la electrodinámica cuántica, respectivamente, y ambas son necesarias para obtener las constantes de velocidad de Einstein a partir de primeros principios. Paul Dirac derivó las constantes de velocidad Bij en 1926 utilizando un enfoque semiclásico,<ref name="Dirac1926">{{Cita publicación| apellido= Dirac | nombre= PAM | enlaceautor= Paul Dirac | año= 1926 | título= On the Theory of Quantum Mechanics | revista= Proc. Roy. Soc. A | volumen= 112 | páginas= 661–677}} (en inglés)</ref> y, en 1927, logró derivar todas las constantes de velocidad a partir de primeros principios.<ref name="Dirac1927a">{{Cita publicación| apellido= Dirac | nombre= PAM | enlaceautor= Paul Dirac | año= 1927a | título= The Quantum Theory of the Emission and Absorption of Radiation | revista= Proc. Roy. Soc. A | volumen= 114 | páginas= 243–265}}</ref><ref name="Dirac1927b">{{Cita publicación| apellido= Dirac | nombre= PAM | enlaceautor= Paul Dirac | año= 1927b | título= The Quantum Theory of Dispersion | revista= Proc. Roy. Soc. A | volumen= 114 | páginas= 710–728}} (en inglés)</ref>
El trabajo de Dirac representó el fundamento de la electrodinámica cuántica, es decir, la cuantización del mismo campo electromagnético. El enfoque de Dirac también se le llama segunda cuantización o teoría cuántica de campos,<ref name="Heisenberg1929">{{Cita publicación| apellido= Heisenberg | nombre= W | enlaceautor= Werner Heisenberg | coautores= [[Wolfgang Pauli|Pauli W]] | año= 1929 | título=
{{VT|Emisión estimulada|Láser}}
Línea 171 ⟶ 209:
[[Archivo:vertex correction.svg|thumb|left|En la teoría de campos cuántica, la probabilidad de los eventos se calcula mediante la suma de todas las posibles formas en las que pueden suceder, como en el [[diagrama de Feynman]] mostrado aquí.]]
[[Paul Dirac|Dirac]] dio un paso más.<ref name="Dirac1927a" /><ref name="Dirac1927b" /> Él trató la interacción entre una carga y un campo electromagnético como una pequeña perturbación que induce transiciones en los estados de los fotones, cambiando el número de fotones de los modos, mientras se conservan la energía y el momento lineal total. Dirac pudo obtener los coeficientes <math>A_{ij}</math> y <math>B_{ij}</math> de Einstein a partir de los principios fundamentales, y demostró que la [[estadística de Bose-Einstein]] de los fotones es consecuencia natural de cuantizar correctamente los campos electromagnéticos (el razonamiento de Bose fue en el sentido opuesto; él dedujo la ley de Planck de la radiación del cuerpo negro a partir de la estadística de BE). En la época de Dirac, no era aún conocido que todos los bosones, incluidos los fotones, tienen que
La [[Teoría perturbacional|teoría de perturbaciones]] de segundo orden de Dirac puede involucrar a [[Partícula virtual|fotones virtuales]], estados intermedios transitorios del campo electromagnético; dichos fotones virtuales actúan como mediadores en la [[Ley de Coulomb|electricidad]] estática y las interacciones [[magnetismo|magnéticas]]. En la [[teoría cuántica de campos]], la [[amplitud de probabilidad]] de eventos observables se calcula mediante la suma de ''todos'' los posibles pasos intermedios, incluso aquellos que son no-fisicos; por tanto, los fotones virtuales no se limitan a satisfacer <math>E = pc</math>, y pueden tener estados de [[Polarización electromagnética|polarización]] extra; dependiendo del gauge utilizado, los fotones virtuales pueden tener tres o cuatro estados de polarización, en lugar de los dos estados de los fotones reales. Aunque estos fotones virtuales transitorios nunca pueden ser observados, contribuyen de forma apreciable a las probabilidades de eventos observables. De hecho, dichos cálculos de perturbaciones de segundo orden y órdenes superiores pueden proporcionar aparentemente [[infinito|infinitas]] contribuciones a la suma. Los resultados no-físicos se corrigen mediante técnicas de
En notación de física moderna, el [[estado cuántico]] del campo electromagnético se escribe como un [[estado de Fock]], un [[producto tensorial]] de los estados para cada modo electromagnético
::<math>|n_{k_0}\rangle\otimes|n_{k_1}\rangle\otimes\dots\otimes|n_{k_n}\rangle\dots</math>
donde <math>|n_{k_i}\rangle</math> representa el estado en el cual <math>\, n_{k_i}</math> fotones están en el modo <math>k_i</math>. En esta notación, la creación de un nuevo fotón en modo <math>k_i</math> (p. ej., el emitido desde una transición atómica) se escribe como <math>|n_{k_i}\rangle \rightarrow |n_{k_i}+1\rangle</math>. Esta notación simplemente expresa el concepto de Born, Heisenberg y Jordan descrito arriba, y no añade nada de física.
== El fotón como un bosón gauge ==
{{AP|Teoría gauge}}
El campo electromagnético se puede entender por medio de una [[teoría gauge]] como un campo resultado de exigir que unas simetrías sean independientes para cada posición en el [[espacio-tiempo]].<ref name="Ryder">{{cita libro | apellidos= Ryder | nombre= LH | año= 1996 | título= Quantum field theory | edición= 2nd edition | editorial= Cambridge University Press|id=ISBN 0-521-47814-6}}</ref> Para el campo electromagnético, esta simetría es la simetría [[grupo abeliano|Abeliana]] [[grupo unitario|U(1)]] de los [[número complejo|números complejos]], que refleja la capacidad de variar la [[fase]] de un número complejo sin afectar [[número real|números reales]] construidos del mismo, tales como la energía o el [[lagrangiano]].
El cuanto en el campo gauge abeliano debe ser tipo bosón sin carga ni masa, mientras no se rompa la simetría; por ello se predice que el fotón no tiene masa, y tener cero carga eléctrica y spin entero. La forma particular de la interacción electromagnética especifica que el fotón debe tener spin ± 1, por lo que su [[helicidad]] debe ser <math>\pm \hbar</math>. Estos dos componentes del spin corresponden a los conceptos clásicos de [[luz polarizada]] circularmente a la derecha y a la izquierda.
En el [[Modelo estándar]] de física de partículas, el fotón es una de los cuatro bosones gauge en la [[interacción electrodébil]], siendo los otros tres los bosones W<sup>+</sup>, W<sup>−</sup> y Z<sup>0</sup> que son responsables de la [[interacción débil]]. A diferencia de los fotones, estos bosones tienen una [[masa invariante]] debido a un [[mecanismo de Higgs|mecanismo]] que rompe su [[grupo especial unitario|simetría gauge SU(2)]] particular. La unificación de los fotones con los mencionados bosones en la interacción electrodébil fue realizada por [[Sheldon Glashow]], [[Abdus Salam]] y [[Steven Weinberg]], por el que fueron galardonados con el [[Premio Nobel de física]] 1979.<ref name="Glashow">[http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1979/glashow-lecture.html Dicurso de Sheldon Glashow], dado el [[8 Diciembre]] [[1979]].</ref><ref name="Salam">[http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1979/salam-lecture.html Dicurso de Abdus Salam], dado el [[8 Diciembre]] [[1979]].</ref><ref name="Weinberg">[http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1979/weinberg-lecture.html Dicurso de Steven Weinberg], dado el [[8 Diciembre]] [[1979]].</ref>
Los físicos continúan buscando hipótesis sobre grandes teorías de unificación que conecten estos cuatro bosones gauge con los ocho bosones gauge gluones de la cromodinámica cuántica. Sin embargo, varias predicciones importantes de estas teorías, tales como la desintegración de protones, no se han observado experimentalmente.
Línea 186 ⟶ 237:
== Contribución a la masa de un sistema ==
, la teoría de la [[electrodinámica cuántica]] iniciada por [[Paul Dirac|Dirac]] (descrita anteriormente). QED es capaz de predecir el [[momento dipolar magnético]] de los [[leptón|leptones]] con una exactitud muy alta; las mediciones experimentales de los momentos de los dipolos magnéticos están perfectamente de acuerdo con estas predicciones. Las predicciones, sin embargo, requieren contar las contribuciones de fotones virtuales a la masa del leptón. Otro ejemplo de este tipo de contribuciones que están comprobadas experimentalmente es la predicción de la QED del [[efecto Lamb]] observado en la [[estructura hiperfina]] de pares de leptones ligados, tales como el [[muonio]] y el [[positronio]].▼
La energía de un sistema que emite un fotón se reduce en una cantidad igual a la energía <math>E</math> del fotón medida en el sistema de referencia en reposo del sistema emisor, lo cual resulta en una reducción de la masa por un valor <math>{E}/{c^2}</math>. Del mismo modo, la masa de un sistema que absorbe un fotón se incrementa por la misma cantidad correspondiente.
▲Este concepto se aplica en un factor clave predicho por la QED, la teoría de la [[electrodinámica cuántica]] iniciada por [[Paul Dirac|Dirac]] (descrita anteriormente). QED es capaz de predecir el [[momento dipolar magnético]] de los [[leptón|leptones]] con una exactitud muy alta; las mediciones experimentales de los momentos de los dipolos magnéticos están perfectamente de acuerdo con estas predicciones. Las predicciones, sin embargo, requieren contar las contribuciones de fotones virtuales a la masa del leptón. Otro ejemplo de este tipo de contribuciones que están comprobadas experimentalmente es la predicción de la QED del [[efecto Lamb]] observado en la [[estructura hiperfina]] de pares de leptones ligados, tales como el [[muonio]] y el [[positronio]].
Dado que los fotones contribuyen al tensor de energía-impulso, ejercen una atracción gravitatoria sobre otros objetos, de acuerdo con la [[teoría general de la relatividad]]. A su vez, la gravedad afecta los fotones; normalmente sus trayectorias rectas pueden ser dobladas por un espacio-tiempo deformado, como ocurre en las [[lente gravitacional|lentes gravitacionales]], y sus [[Corrimiento hacia el rojo#Corrimiento al rojo gravitacional|frecuencias disminuyen]] al pasar a un [[potencial gravitatorio]] más alto, como en el [[experimento de Pound y Rebka]]. Sin embargo, estos efectos no son específicos de los fotones; los mismos efectos se predecirían para las ondas electromagnéticas clásicas.
Línea 193 ⟶ 247:
== Fotones y materia ==
[[Archivo:Generaciones delamateria.png|thumb|200px|Nombre y carga eléctrica de los componentes de la materia.]]
:<math>v = \frac{d\omega}{dk} = \frac{dE}{dp}</math>
Línea 200 ⟶ 255:
donde, <math>E</math> y <math>p</math> son la energía y el módulo del momento lineal del polaritón, y <math>\omega</math> y <math>k</math> son su frecuencia angular y número de onda, respectivamente. En algunos casos, la dispersión puede dar lugar a velocidades de la luz extremadamente lentas. Los efectos de las interacciones de los fotones con otras cuasipartículas puede observarse directamente en la [[Efecto Raman|dispersión Raman]] y la [[dispersión Brillouin]].
Los fotones pueden también ser [[Absorción (radiación electromagnética)|absorbidos]] por núcleos, átomos o moléculas, provocando transiciones entre sus [[Nivel energético|niveles de energía]]. Un ejemplo clásico es la transición molecular del [[retinal]] (C<sub>20</sub>H<sub>28</sub>O, figura de la derecha), que es responsable de la [[visión]], como descubrieron el premio Nobel [[George Wald]] y su colaboradores en 1958. Como se muestra aquí, la absorción provoca una [[Isomería cis-trans|isomerización cis-trans]] que, en combinación con otras transiciones, dan lugar a impulsos nerviosos. La absorción de fotones puede incluso romper enlaces químicos, como en la [[fotólisis]] del cloro; éste es un tema de [[fotoquímica]].
{{VT|Velocidad de grupo|Fotoquímica}}
Línea 210 ⟶ 266:
Los fotones individuales pueden detectarse por varios métodos. 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. Los circuitos integrados [[CCD (sensor)|CCD]] utilizan un efecto similar en [[Semiconductor|semiconductores]]; un fotón incidente genera una carga detectable en un condensador microscópico. Otros detectores como los [[Contador Geiger|contadores Geiger]] utilizan la capacidad de los fotones para ionizar moléculas de gas, lo que da lugar a un cambio detectable en su conductividad.
La fórmula de la energía de Planck <math>E=h\nu</math> es utilizada a menudo por ingenieros y químicos en diseño, tanto para calcular el cambio de energía resultante de la absorción de un fotón, como para predecir la frecuencia
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, porque la muestra absorbe energía únicamente en la región en la que los dos rayos de colores diferentes se solapan de forma significativa, que puede ser mucho menor que el volumen de excitación de un rayo individual. Además, estos fotones causan un menor daño a la muestra, puesto que son de menor energía. En algunos casos, pueden acoplarse dos transiciones de energía de modo que, cuando un sistema absorbe un fotón, otro sistema cercano ''roba'' su energía y re-emite un fotón con una frecuencia diferente. Esta es la base de la [[transferencia de energía por resonancia entre moléculas fluorescentes]], que se utiliza para medir distancias moleculares.
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== Investigación reciente ==
Actualmente se cree comprender teóricamente la naturaleza fundamental del fotón. El [[modelo estándar]] predice que el fotón es un bosón de gauge de spin 1, sin masa ni carga, que media la interacción electromagnética y que resulta de la [[grupo unitario|simetría gauge local U(1)]]. Sin embargo, los físicos continúan buscando discrepancias entre los experimentos y las predicciones del modelo estándar, buscando nuevas posibilidades para la física más allá del modelo estándar. En particular, hay cotas de mayor precisión en los experimentos para los límites superiores para una hipotética carga y masa del fotón.
Hasta ahora, todos los datos experimentales son consistentes con el fotón de carga y masa cero<ref name="chargeless" /><ref name="massless">(a) {{Cita publicación| apellido= Goldhaber | nombre= AS | año= 1971 | título= [http://prola.aps.org/abstract/RMP/v43/i3/p277_1 Terrestrial and Extraterrestrial Limits on The Photon Mass] | revista= [[Reviews of Modern Physics]] | volumen= 43 | páginas= 277–96.}}<br />(b) {{Cita publicación| apellido= Fischbach | nombre= E | coautores= Kloor H, Langel RA, Lui ATY, and Peredo M | año= 1994 | título= New Geomagnetic Limits on the Photon Mass and on Long-Range Forces Coexisting with Electromagnetism | revista= [[Physical Review Letters]] | volumen= 73 | páginas= 514–17.}}<br />(c) [http://pdg.lbl.gov/2005/tables/gxxx.pdf Official particle table for gauge and Higgs bosons] S. Eidelman ''et al.'' (Particle Data Group) ''Physics Letters B'' '''592''', 1 (2004)<br />(d) {{Cita publicación| apellido= Davis | nombre= L | coautores= Goldhaber AS and Nieto MM | año= 1975 | título= Limit on Photon Mass Deduced from Pioneer-10 Observations of Jupiter's Magnetic Field | revista= Physical Review Letters | volumen= 35 | páginas= 1402–1405.}}<br />(e) {{Cita publicación| apellido= Luo | nombre= J | coautores= Shao CG, Liu ZZ, and Hu ZK | año= 1999 | título= Determination of the limit of photon mass and cosmic magnetic vector with rotating torsion balance | revista= Physical Review A | volumen= 270 | páginas= 288–292.}}<br />(f) {{Cita publicación| apellido= Schaeffer | nombre= BE | año= 1999 | título= Severe limits on variations of the speed of light with frequency | revista= Physical Review Letters | volumen= 82 | páginas= 4964–4966.}}<br />(g) {{Cita publicación| apellido= Luo | nombre= J | coautores= Tu LC, Hu ZK, and Luan EJ | año= 2003 | título= New experimental limit on the photon rest mass with a rotating torsion balance | revista= Physical Review Letters | volumen= 90 | páginas= Art. No. 081801}}<br />(h) {{Cita publicación| apellido= Williams | nombre= ER | coautores= Faller JE and Hill HA | año= 1971 | título= [http://link.aps.org/abstract/PRL/v26/p721 New Experimental Test of Coulomb's Law: A Laboratory Upper Limit on the Photon Rest Mass] | revista= Physical Review Letters | volumen= 26 | páginas= 721–724}}<br />(i) {{Cita publicación| apellido= Lakes | nombre= R | año= 1998 | título= [http://prola.aps.org/abstract/PRL/v80/i9/p1826_1 Experimental Limits on the Photon Mass and Cosmic Magnetic Vector Potential] | revista= Physical Review Letters | volumen= 80 | páginas= 1826}}<br />(j) [http://pdg.lbl.gov/2006/listings/s000.pdf 2006 PDG listing for photon] W.-M. Yao ''et al.'' (Particle Data Group) ''Journal of Physics G'' '''33''', 1 (2006).<br />(k) {{Cita publicación| apellido= Adelberger | nombre= E | coautores= Dvali, G and Gruzinov, A | título= [http://link.aps.org/abstract/PRL/v98/e010402 Photon Mass Bound Destroyed by Vortices] | revista= Physical Review Letters | volumen= 98 | páginas= Art. No. 010402}}</ref> Los límites superiores aceptados universalmente en la carga y masa del fotón son 5×10<sup>−52</sup> [[coulomb|C]] (o 3×10<sup>−33</sup> por la [[carga elemental]]) y 1.1×10<sup>−52</sup> [[kilogramo|kg]] (6×10<sup>-17</sup> eV/c<sup>2</sup>), respectivamente.<ref>[http://pdg.lbl.gov/2005/tables/gxxx.pdf Tabla oficial de partículas para bosones gauge y de Higgs]</ref> Se ha investigado mucho las posibles aplicaciones de los fotones en [[óptica cuántica]]. Los fotones parecen adecuados como elementos de un [[ordenador cuántico]], y el [[entrelazamiento cuántico]] de los fotones es un campo de investigación. Otra área de investigación activa son los [[Óptica no lineal|procesos ópticos no lineales]], con tópicos tales como la absorción de dos fotones, [[auto modulación de fase]]s y los [[oscilador óptico parametrizado|osciladores ópticos parametrizados]]. Finalmente, los
{{VT|Óptica cuántica}}
== Véase también ==
▲Se ha investigado mucho las posibles aplicaciones de los fotones en [[óptica cuántica]]. Los fotones parecen adecuados como elementos de un [[ordenador cuántico]], y el [[entrelazamiento cuántico]] de los fotones es un campo de investigación. Otra área de investigación activa son los [[Óptica no lineal|procesos ópticos no lineales]], con tópicos tales como la absorción de dos fotones, [[auto modulación de fase]]s y los [[oscilador óptico parametrizado|osciladores ópticos parametrizados]]. Finalmente, los * [[Electromagnetismo]]
* [[Cuanto]]
* [[Dualidad onda corpúsculo]]
* [[Electromagnetismo]]
* [[Física de Partículas]]
* [[Luz]]
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{{destacado|he}}
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