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(del electrón)
Quantón específico de luz, vehículo de interacciones electromagnéticas.
Introducción
Los fenómenos electromagnéticos, que van desde la electricidad y el magnetismo hasta los rayos X, incluidas las ondas de radio y la luz, fueron reunidos en un marco teórico único por James Clerk Maxwell alrededor de 1865. Desde esa fecha, Las ecuaciones de Maxwell han jugado un papel central en la historia de la física., y en particular en el origen y desarrollo de dos teorías «revolucionarias» que aparecieron al comienzo de la xxmi s. : relatividad y mecánica cuántica.
Un descubrimiento esencial, habiendo marcado los inicios de estas dos teorías, es el concepto de «grano» o cuántico de energía luminosa, que más tarde se convirtió en el fotón. Detectado por Max Planck en 1900, introducido en realidad por Albert Einstein en 1905, el concepto de fotón demostró inmediatamente ser muy fructífero en la interpretación de ciertos experimentos. Sin embargo, la noción de «grano» de energía luminosa parecía entonces totalmente contradictoria con las ecuaciones de Maxwell. Estas ecuaciones, que predicen la existencia de ondas de luz, formaron sin embargo una de las bases más sólidas de la física al final de la xixmi s.
La resolución de estas contradicciones debió provenir de la muy joven mecánica cuántica, gracias a la cual Paul Dirac pudo realizar en 1927 una síntesis entre las propiedades a la vez «ondulatoria» y «corpuscular» que parece tener el fotón. La teoría de Dirac, entonces desarrollada bajo el nombre de electrodinámica cuántica, es hoy fundamental para la física de las altas energías, cuyo resultado espectacular fue la demostración de los bosones intermedios Z0, W+ y W– en el CERN en 1983. Además, la aparición del láser a principios de la década de 1960 condujo al rápido desarrollo de un nuevo campo de investigación, la óptica cuántica, en el que las propiedades cuánticas de la luz juegan un papel fundamental. En particular, ahora es posible observar directamente las propiedades de onda y partícula de un solo fotón, materializando así conceptos que tienen más de cincuenta años.
Historia del concepto de fotón
La introducción del concepto de fotón no estuvo exenta de dificultades; Las etapas esenciales de estos inicios se encuentran entre 1900 y 1922.
Planck y radiación de cuerpo negro
Un material calentado a una temperatura suficientemente alta emite luz: se vuelve incandescente. El espectro de la luz emitida, es decir, la distribución de la energía luminosa según la frecuencia (responsable del color que vemos), debe depender del material utilizado. Sin embargo, Gustav Kirchhoff demostró en 1860, mediante un argumento termodinámico muy general, que este espectro depende únicamente de la temperatura – y no del material en particular – siempre que éste sea perfectamente absorbente; esto entonces se conoce como un «cuerpo negro». Este descubrimiento desencadenó un intenso trabajo experimental y teórico, con el fin de, por un lado, realizar concretamente tal cuerpo negro y medir su espectro y, por otro lado, calcular la ley desconocida ρ (ν, T) expresando la cantidad d ‘energía irradiada a una frecuencia ν por un cuerpo negro calentado a la temperatura T.
Al final del xixmi s., los métodos para medir la emisividad del cuerpo negro habían progresado mucho, pero los intentos de calcular ρ (ν, T) no tuvieron éxito: dos leyes diferentes parecían aplicarse a las regiones de «baja frecuencia» y «alta frecuencia». »De los espectros observados. Finalmente, en 1900, Planck llegó a la fórmula correcta mediante un enfoque inicialmente intuitivo. De hecho, el carácter revolucionario de este descubrimiento apareció realmente cuando Planck logró justificar rigurosamente su fórmula, admitiendo que los intercambios de energía entre la luz y el material fueron realizados por en cuanto a, es decir por «paquetes» indivisibles. El valor del cuanto de energía, dependiendo de la frecuencia ν, es igual a hν, donde h es una constante universal, ahora llamada «constante de Planck».
Nada en la física de este período podría justificar la hipótesis de Planck: la ley de emisividad del cuerpo negro, inmediatamente confirmada por la experiencia, abrió así el camino a teorías completamente nuevas.
Einstein y el efecto fotoeléctrico
En 1905, el misterio de los cuantos de Planck seguía sin resolverse; no se sabía si debían cuantificarse la luz, los átomos o solo los intercambios de energía. Fue entonces cuando Einstein propuso que la luz misma estuviera formada por cuantos (que no serían bautizados fotones hasta 1926); esta hipótesis permitió interpretar el efecto fotoeléctrico de forma sencilla.
Este efecto, conocido desde el final de xixmi s., consiste en la emisión de electrones por una placa metálica iluminada por un haz de luz. Dos observaciones parecían desafiar la explicación: primero, el efecto solo existe para frecuencias de luz ν mayores que una cierta frecuencia de umbral νs ; entonces, la energía cinética de los electrones emitidos depende de la frecuencia, es decir del color, y no de la intensidad de la luz utilizada. La interpretación proporcionada por Einstein fue entonces la siguiente: la luz está formada por granos de energía hν y la absorción de uno de estos granos provoca la emisión de un electrón por la placa de metal. Energía cinética Evs comunicada al electrón es entonces la energía hν, reducido en una cantidad fija Ws necesario para arrancar el electrón del material, que está representado por la ecuación:
mivs = hν – Ws
Esta ecuación muy simple explica todos los hechos experimentales observados:
– energía cinética Evs de un electrón emitido no depende de la intensidad de la luz (es decir, el número de fotones) sino de su frecuencia; mivs aumenta en el lado «azul» del espectro visible (altas frecuencias);
– para que se emita el electrón, la energía Evs debe ser positivo; Por lo tanto, existe un umbral para el efecto fotoeléctrico, es decir, un valor mínimo. hνs = Ws por debajo del cual no se emite ningún electrón.
El umbral depende del metal utilizado; los valores más bajos de hνs se obtienen para metales alcalinos.
Los experimentos llevados a cabo por Robert Millikan en 1915 confirmaron todas estas predicciones.
Se midió la energía umbral para varios metales, y el valor de h obtenido por estos experimentos demostró estar muy de acuerdo con el obtenido por Planck a partir de la ley de emisividad del cuerpo negro: por lo tanto, podríamos pensar que el fotón iba a tener éxito. De hecho, nada había terminado todavía, ya que Millikan y, con él, muchos otros físicos de renombre rechazaron la interpretación de Einstein del efecto fotoeléctrico. Este conflicto surgió de la aparente contradicción entre el concepto de fotón, una partícula de luz, y las ecuaciones de electromagnetismo de Maxwell, que implican la existencia de ondas de luz.
Dispersión Compton y electrón-fotón
Sin embargo, un nuevo experimento a favor del fotón «corpuscular» iba a ganar el apoyo de la comunidad de físicos: se trata del estudio de Arthur Compton de la «colisión» de un electrón y un fotón. Las ecuaciones del efecto Compton describen el choque de un electrón y un fotón como un choque de partículas materiales, asegurando la conservación de la energía y el momento. El resultado del cálculo es que el fotón se desvía y su frecuencia cambia ligeramente. El valor teórico de este cambio de frecuencia fue confirmado experimentalmente por Compton, que definitivamente impuso la necesidad del concepto de fotón.
En 1918, Planck recibió el Premio Nobel por el descubrimiento del cuanto de acción; Einstein, en 1922, por su interpretación del efecto fotoeléctrico; Compton, en 1927, por el descubrimiento del efecto que lleva su nombre. Poco después, los avances en la teoría cuántica permitirían una descripción sintética de las propiedades de la luz tanto de «onda» como de «partícula».
El fotón, una partícula elemental
Cédula de identidad de fotones
El fotón es una partícula de masa cero, de girar unidad ; su energía es E = hν, y su impulso es p = (h/ 2π) k donde k es el vector de onda asociado con la partícula.
Interacciones fotón-materia
Las interacciones de fotones con átomos u otras partículas pueden ir acompañadas de transferencia de energía, momento o momento angular. Por ejemplo, los fotones polarizados circularmente pueden transferir su momento angular al vapor atómico: este es el principio de bombeo óptico, inventado por Alfred Kastler en 1950, utilizado en particular en láseres.
Asimismo, la presión de radiación ejercida por un haz de luz sobre los átomos se puede utilizar para ralentizar o desviar un chorro de átomos. Estos fenómenos se observan en el campo de bajas energías, es decir para valores de hν mucho más bajo que la energía de la masa metromivs2 de un electrón. Cuando hν se vuelve mayor que 2 metromivs2 (dominio de rayos γ), la electrodinámica cuántica relativista predice la posibilidad de que un fotón se transforme en un par electrón-positrón (el positrón, también llamado positrón, es la antipartícula del electrón); la reacción inversa (aniquilación de un par) también es posible, y tales reacciones se observan comúnmente en aceleradores de partículas.
El fotón en el modelo estándar
En las teorías contemporáneas, el fotón es el mediador de la interacción electromagnética, es decir, esta interacción se describe como un intercambio de fotones. A muy alta energía, Steven Weinberg, Abdus Salam y Sheldow Glashow han demostrado que la interacción electromagnética se une con la interacción débil, responsable de ciertas reacciones de desintegración. Los mediadores de esta interacción electrodébil son los bosones Z intermedios0, W+ y W–.
