En la física, el fotón es la partícula elemental responsable de fenómenos electromágneticos . Es el portador de la radiación electromágnetica de todas las longitudes de onda incluyendo la luz ultravioleta de las radiografías de los rayos gama, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio . El fotón diferencia de muchas otras partículas elementales, tales como el electrón y el Quark, en que tiene masa cero del resto;

Aparte de tener energía, un fotón también lleva el ímpetu y tiene una polarización . Sigue las leyes de los mecánicos de Quantum, así que significa que estas características no tienen a menudo un valor bien definido para un fotón dado. Algo, se definen como probabilidad para medir una cierta polarización, posición, o ímpetu. Por ejemplo, aunque un fotón pueda excitar una sola molécula, es a menudo imposible predecir de antemano el qué molécula de será emocionada.

La descripción antedicha de un fotón como portador de la radiación electromágnetica es de uso general por los físicos. Sin embargo, en la física teórica, un fotón se puede considerar como mediador para cualquier tipo de interacciones electromágneticas, incluyendo campos magnéticos y la repulsión electrostática en medio como cargas.

El concepto moderno del fotón fue desarrollado gradualmente (1905-17) por el Albert Einstein para explicar las observaciones experimentales que no cupieron el modelo de onda clásico de la luz. Particularmente, el modelo del fotón explicó la dependencia de la frecuencia de la energía de luz, y explicó la capacidad de la materia y de la radiación de estar en el equilibrio termal . Otros físicos intentaron explicar estas observaciones anómalas por los modelos semiclásicos del, en los cuales la luz todavía es descrita por las ecuaciones del maxwell, pero los objetos del material que emiten y absorben la luz son quantized. Aunque estos modelos semiclásicos contribuyeran al desarrollo de los mecánicos de Quantum, otros experimentos probaron la hipótesis de Einstein que la luz sí mismo del es cuantificado ; los quanta de luz son fotones.

El concepto del fotón ha llevado a los avances trascendentales en la física experimental y teórica, tal como condensación de Bose-Einstein de los lasers, teoría de campo de Quantum, y la interpretación de probabilidad de los mecánicos de quántum. Según el modelo estándar de la física de partícula, los fotones son responsables de producir todo el los campos magnéticos eléctricos y son ellos mismos de y el producto de requerir que las leyes físicas tienen cierta simetría en cada punto en el espacio-tiempo . Las características intrínsecas de fotón-tal como la carga, el total y vuelta - son determinadas por las características de esta simetría del calibrador.

El concepto de fotones se aplica a muchas áreas tales como fotoquímica, microscopia de alta resolución, y medidas de las distancias moleculares . Recientemente, los fotones se han estudiado como elementos de las computadoras de Quantum y para los usos sofisticados en la comunicación óptica tal como criptografía de Quantum.

Nomenclatura

El fotón original fue llamado un “quántum” ( das Lichtquant ) de la luz por el Albert Einstein . en qué fotones eran “uncreatable e indestructibles”. Aunque la teoría de Lewis nunca aceptar-fuera contradicha por muchos experimento-su nuevo nombre, fotón del, fue adoptado inmediatamente por la mayoría de los físicos. El Isaac Asimov acredita el Arturo Compton con la definición de quanta de luz como fotones en 1927.

En la física, un fotón es denotado generalmente por el $\backslash gamma$, la gamma griega del símbolo de la letra . Este símbolo para el fotón deriva probablemente de los rayos gama que fueron descubiertos y nombrados en 1900 por el Villard y demostrados para ser una forma de la radiación electromágnetica en el 1914 por el Rutherford y el Andrade . En la química y la ingeniería óptica, los fotones son simbolizados generalmente por el $h\; \backslash \; nu$, la energía de un fotón, donde está $h$ constante de Planck y el $griego\; \backslash \; nu$ ( NU ) de la letra es la frecuencia del fotón. Mucho menos comúnmente, el fotón se puede simbolizar por el hf del, donde su frecuencia es denotada por el f .

Características físicas

Relatividad especial

El fotón es el sin masa, no tiene ninguna carga eléctrica y no decae espontáneo en espacio vacío. Un fotón tiene dos estados posibles de la polarización y es descrito por exactamente tres parámetros continuos: los componentes de su vector de onda, que determinan su $\backslash \; lambda$ de la longitud de onda y su dirección de la propagación. El fotón es el bosón de calibrador para el electromagnetismo, y por lo tanto el resto del quántum número-tal como el número del Lepton, el número de Baryon, o extrañeza - ser exactamente cero.

Los fotones se emiten en muchos procesos naturales, e., cuando una carga se acelera, durante un molecular, transición atómica o nuclear a un nivel de una energía más baja, o cuando el una partícula y su antipartícula es aniquilado. Los fotones se absorben en los procesos tiempo-invertidos que corresponden a ésos mencionados anteriormente: por ejemplo, en la producción de partícula-antipartícula aparea o en transiciones moleculares, atómicas o nucleares a un nivel de una energía más alta.

En espacio vacío, los movimientos del fotón en $c$ (la velocidad de la luz ) y su energía $E$ y el p del ímpetu son relacionados por el $E\; =\; la\; c\; p$, donde está la magnitud $p$ del ímpetu. Para la comparación, la ecuación correspondiente para las partículas con un $m$ de la masa es el $E^\; \{2\}\; =\; el\; p^\; del\; c^\; \{2\}\; \{2\}\; +\; el\; c^\; del\; m^\; \{2\}\; \{4\}$, según las indicaciones de la relatividad especial .

La energía y el ímpetu de un fotón dependen solamente de su $\backslash \; nu$ de la frecuencia o, equivalente, de su $\backslash \; lambda$ de la longitud de onda

$E\; =\; \backslash \; hbar\; \backslash \; Omega\; =\; h\; \backslash \; NU\; =\; \backslash \; frac\; \{h\; c\}\; \{\backslash \; lambda\}$ $del$

l \ mathbf {p} = \ hbar \ mathbf {k}

y por lo tanto la magnitud del ímpetu está

$p\; =\; \backslash \; hbar\; k\; =\; \backslash \; =\; \backslash \; frac\; \{h\; \backslash \; NU\}\; \{c\}\; del\; frac\; \{h\}\; \{\backslash \; lambda\}$

¡donde $\backslash \; hbar\; =\; h/2\; \backslash \; pi\; \backslash !$ (conocido como el constante de Dirac o constante reducido de Planck); el k es el vector de onda (con el $k\; del\; número\; de\; onda\; =\; 2\; \backslash \; pi\; \backslash \; lambda$ como su magnitud) y el $\backslash \; Omega\; =\; 2\; \backslash \; pi\; \backslash \; nu$ es la frecuencia angular . Notar que el k señala en la dirección de la propagación del fotón. El fotón también lleva el ímpetu angular de la vuelta que no depende de su frecuencia. La magnitud de su vuelta es el $\backslash raíz\; cuadrada\{2\}\; \backslash$ hbar y el componente medido a lo largo de su dirección del movimiento, su helicidad, debe ser el $\backslash \; P.\; Estas\; dos\; helicidades\; posibles\; corresponden\; a\; los\; dos\; estados\; circulares\; de\; la\; polarización\; posible\; del\; fotón\; (derecho\; y\; zurdo).$

Para ilustrar la significación de estas fórmulas, la aniquilación de una partícula con su antipartícula debe dar lugar a la creación por lo menos de los fotones del dos por la razón siguiente. En el marco centro de masa, las antipartículas que chocan no tienen ningún ímpetu neto, mientras que un solo fotón tiene siempre ímpetu. Por lo tanto, la conservación del ímpetu requiere que por lo menos dos fotones estén creados, con el ímpetu neto cero. La energía de dos fotón-o, equivalente, su frecuencia-puede ser resuelta de la conservación del cuatro-ímpetu . Visto otra manera, el fotón se puede considerar como su propia antipartícula. El proceso reverso, producción de pares, es el mecanismo dominante por el cual los fotones de gran energía tales como rayos gama pierden energía mientras que pasan a través de materia.

Las fórmulas clásicas para la energía y el ímpetu de la radiación electromágnetica se pueden re-expresar en términos de acontecimientos del fotón. Por ejemplo, la presión de la radiación electromágnetica en un objeto deriva de la transferencia del ímpetu del fotón por tiempo de unidad y del área de unidad a ese objeto, puesto que la presión es fuerza por unidad de superficie y la fuerza es el cambio en el ímpetu por tiempo de unidad.

Desarrollo histórico

considera también:

ligero

En la mayoría de las teorías hasta el siglo XVIII, la luz fue representada como siendo compuesto de partículas. Puesto que los modelos de partícula no pueden explicar fácilmente la refracción, la difracción y la birrefringencia de la luz, las teorías de onda de la luz fueron propuestas por el René Descartes (1637), el Roberto Hooke (1665), y el Huygens cristiano (1678); sin embargo, los modelos de partícula seguían siendo dominantes, principalmente debido a la influencia Isaac Newton . En el siglo XIX temprano, el Thomas joven y el agosto Fresnel demostraron claramente la interferencia y la difracción de la luz y por 1850 modelos de onda estaba generalmente aceptada. En 1865, del maxwell vendedor James 'de s por la predicción que la luz era una electromágnetica agitar-que fue confirmada experimental en 1888 de Heinrich Hertz 'detección de s de las ondas de radio - parecía estar el soplo final a los modelos de partícula de la luz.

La teoría de onda del maxwell, sin embargo, no explica el todas las características de de la luz. La teoría del maxwell predice que la energía de una onda ligera depende solamente de su intensidad, no en su frecuencia ; sin embargo, varios tipos independientes de experimentos demuestran que la energía impartida por la luz a los átomos depende solamente de la frecuencia de la luz, no en su intensidad. Por ejemplo, el algunas reacciones químicas es provocado solamente por la luz de la frecuencia más arriba que cierto umbral; la luz de la frecuencia más baja que el umbral, no importa cómo es intensa, no inicia la reacción. Semejantemente, los electrones se pueden expulsar de un plateado de metal por la luz brillante de suficientemente de alta frecuencia en ella (el efecto fotoeléctrico ); la energía del electrón expulsado se relaciona solamente con la frecuencia de la luz, no con su intensidad.

Al mismo tiempo, las investigaciones de la radiación de cuerpo negro realizadas durante cuatro décadas (1860-1900) por los varios investigadores culminaron en hipótesis de s de Planck máximo la 'que la energía del cualquier sistema de que absorba o emita la radiación electromágnetica del $\backslash \; NU$ de la frecuencia es un múltiplo de número entero de un $E\; del\; quántum\; de\; energía\; =\; de\; un\; h\; \backslash \; de\; NU$. Como se muestra por el Albert Einstein, por el Arturo Compton, para el cual él recibió el Premio Nobel Del en 1927. La pregunta giratoria era entonces: ¿cómo unificar la teoría de onda del maxwell de la luz con su naturaleza experimental observada de la partícula? La respuesta a este ocupado pregunta Albert Einstein para los restos de la vida, y fue solucionada en la electrodinámica de Quantum y su sucesor, el modelo estándar .

Objeciones tempranas

Las predicciones de Einstein 1905 fueron verificadas experimental de varias maneras en el plazo de las primeras dos décadas del vigésimo siglo, según lo contado de nuevo en conferencia de s Nobel de Millikan Roberto '. Sin embargo, antes de que el experimento de Compton para explicar los datos entonces-disponibles, dos hipótesis drásticas tuviera que ser hecho:
la energía y el ímpetu del

se conservan solamente en el promedio en interacciones entre la materia y la radiación, no en procesos elementales tales como absorción y emisión . Esto permite que uno reconcilie la energía discontinuo cambiante del átomo (salto entre los estados de energía) con el lanzamiento de la energía continuo en la radiación.
la causalidad del

es abandonado. Por ejemplo, las emisiones espontáneas son simplemente el inducido las emisiones al lado de un " virtual" campo electromagnético.

Sin embargo, los experimentos refinados de Compton demostraron que el energía-ímpetu está conservado extraordinario bien en procesos elementales; y también que el traqueteo del electrón y la generación de un nuevo fotón en la dispersión de Compton obedecen causalidad dentro 10 al picosegundo . Por consiguiente, Bohr y sus compañeros de trabajo dieron a su modelo “tan honorable un entierro como sea posible “. de los mecánicos de Quantum .

Algunos físicos persistieron en desarrollar los modelos semiclásicos en los cuales la radiación electromágnetica no es quantized, pero la materia obedece las leyes de los mecánicos de Quantum . Aunque la evidencia de fotones de experimentos químicos y físicos fuera de forma aplastante por los años 70, esta evidencia no se podría considerar como absolutamente definitiva; puesto que confió en la interacción de la luz con la materia, una teoría suficientemente complicada de la materia podría en principio explicar la evidencia. Sin embargo, el todas las teorías semiclásicas de fue refutado definitivo en los años 70 y los años 80 por experimentos elegantes de la fotón-correlación. Por lo tanto, la hipótesis de Einstein que la cuantificación es una característica de la luz sí mismo se considera ser probada.

principios de la dualidad y de incertidumbre de la Agitar-partícula

dualidad de la Agitar-partícula|Estado coherente exprimido|Principio de incertidumbre

Los fotones, como todos los objetos del quántum, exhiben ondulado y partícula-como características. Su naturaleza dual de la agitar-partícula puede ser difícil de visualizar. El fotón exhibe fenómenos claramente ondulados tales como difracción e interferencia en la escala de la longitud de su longitud de onda. Por ejemplo, un solo fotón que pasaba a través de un Doble-rajó tierras del experimento en la pantalla con una distribución de probabilidad dada por su patrón de interferencia determinado por las ecuaciones del maxwell. Sin embargo, los experimentos confirman que el fotón es el no al pulso corto de la radiación electromágnetica; no se separa hacia fuera mientras que propaga, ni divide cuando encuentra un divisor de viga . Algo, el fotón parece como un Punto-como la partícula, puesto que es absorbido o el emitido en conjunto por los sistemas arbitrariamente pequeños, sistemas mucho más pequeños que su longitud de onda, tal como un núcleo atómico (≈10^-15 m a través) o aún punto-como el electrón . Sin embargo, el fotón es el no a punto-como la partícula cuya trayectoria es formada probabilistically por el campo electromagnético, según lo concebido por el Einstein y otros; que la hipótesis también fue refutada por los experimentos de la fotón-correlación citó arriba. La posición del electrón se puede determinar dentro de la energía de resolución del microscopio, que es dado por una fórmula de la óptica clásica

$\backslash \; Delta\; x\; \backslash \; sim\; \backslash \; frac\; \{\backslash \; lambda\}\; \{\backslash pecado\backslash \; theta\}$

donde está el ángulo el $\backslash \; theta$ de la abertura del microscopio. Así, el $de\; la\; incertidumbre\; de\; la\; posición\; \backslash \; el\; delta\; x$ se pueden hacer arbitrariamente pequeño reduciendo la longitud de onda. El ímpetu del electrón es incierto, puesto que recibió un $\backslash \; un\; delta\; p$ del “retroceso” de la dispersión luminosa de él en el microscopio. Si la luz era el no cuantificado en los fotones, el $de\; la\; incertidumbre\; \backslash \; el\; delta\; p$ se podrían hacer arbitrariamente pequeño reduciendo la intensidad de luz. En ese caso, puesto que la longitud de onda y la intensidad de la luz se pueden variar independiente, uno podría determinar simultáneamente la posición y el ímpetu a la exactitud arbitrariamente alta, violando el principio de incertidumbre . Por el contrario, la fórmula de Einstein para el ímpetu del fotón preserva el principio de incertidumbre; puesto que el fotón se dispersa dondequiera dentro de la abertura, la incertidumbre del ímpetu transfirió iguales

$\backslash \; Delta\; p\; \backslash \; sim\; p\_\; \{\backslash \; mathrm\; \{fotón\}\}\; \backslash \; pecado\; \backslash \; theta\; =\; \backslash \; frac\; \{h\}\}\; \backslash \; pecado\; \backslash \; theta\; \{\backslash lambda$

dando el $\backslash \; el\; delta\; x\; \backslash \; delta\; p\; \backslash ,\; \backslash \; sim\; \backslash ,\; h$ del producto, que es principio de incertidumbre de Heisenberg. Así, el mundo entero es quantized; la materia y los campos deben obedecer un sistema constante de leyes del quántum, si se va cualquiera una a ser cuantificada.

El principio de incertidumbre análogo para los fotones prohíbe la medida simultánea del número $n$ de fotones (véase el estado de Fock y la sección de la cuantificación segundo abajo) en una onda electromagnética y el $\backslash \; phi$ de la fase de esa onda

$\backslash \; Delta\; n\; \backslash \; delta\; \backslash \; phi\; >\; 1$

Ver el estado coherente y el estado coherente exprimido para más detalles.

Los fotones y las partículas materiales tales como electrones crean los patrones de interferencia análogos cuando el paso a través de un Doble-rajó el experimento . Para los fotones, esto corresponde a la interferencia de una onda ligera del maxwell mientras que, para las partículas materiales, éste corresponde a la interferencia de la ecuación de onda de Schrödinger . Aunque esta semejanza pudiera sugerir que las ecuaciones del maxwell sean simplemente ecuación de Schrödinger para los fotones, la mayoría de los físicos no convienen. Para una cosa, son matemáticamente diferente; lo más obviamente posible, una ecuación de Schrödinger soluciona para un campo complejo, mientras que las ecuaciones del maxwell cuatro solucionan para los campos verdaderos más generalmente, el concepto normal de una función de onda de la probabilidad de Schrödinger no se puede aplicar a los fotones. Siendo sin masa, no pueden ser localizados sin la destrucción; técnico, los fotones no pueden tener un $del\; eigenstate\; de\; la\; posición|\backslash \; mathbf\; \{\}\; \backslash \; rangle$ de r, y, así, el $del\; principio\; de\; incertidumbre\; de\; Heisenberg\; \backslash \; el\; delta\; normales\; x\; \backslash \; delta\; p\; >\; h/2$ no hace pertenece a los fotones. Algunas funciones de onda substitutas se han sugerido para el fotón, pero no han entrado en uso general. En lugar, los físicos aceptan generalmente la teoría segundo-quantized de los fotones descritos más abajo, la electrodinámica de Quantum, en la cual los fotones son excitaciones quantized de modos electromágneticos.

Modelo de Bose-Einstein de un gas de fotón

considera también: Gas, estadísticas,

Bose de Bose-Einstein del teorema de las Hacer girar-estadísticas

En 1924, ley de Planck derivado de Satyendra Nath Bose de la radiación de cuerpo negro sin usar ningún electromagnetismo, pero algo una modificación de la cuenta de grano grueso del espacio de fase . Einstein demostró que esta modificación es equivalente a si se asume que los fotones son riguroso idénticos y que implicó una “interacción non-local misteriosa”, ahora entendida como el requisito para un estado mecánico del quántum simétrico. Este trabajo llevó al concepto de los estados coherentes y al desarrollo del laser. En los mismos papeles, Einstein amplió el formalismo de Bose a las partículas materiales (los bosones y predijeron que condensarían en su estado de quántum más bajo en bajo bastantes temperaturas; esta condensación de Bose-Einstein fue observada experimental en 1995.

Los fotones deben obedecer las estadísticas de Bose-Einstein si son no prohibir al principio de superposición de los campos electromagnéticos la condición que las ecuaciones del maxwell son lineares. Todas las partículas se dividen en los bosones y los fermios dependiendo si tienen vuelta del número entero o del mitad-número entero, de respectivamente. El teorema de las Hacer girar-estadísticas demuestra que todos los bosones obedecen las estadísticas de Bose-Einstein, mientras que todos los fermios obedecen las estadísticas de Fermi-Dirac o, equivalente, el principio de exclusión de Pauli, que indica que a lo más una partícula puede ocupar cualquier estado dado. Así, si el fotón era un fermio, sólo un fotón podría moverse en una dirección particular a la vez. Esto es contrario con la observación experimental que los lasers pueden producir la luz coherente de intensidad arbitraria, es decir, con muchos fotones moviéndose en la misma dirección. Por lo tanto, el fotón debe ser un bosón y obedecer las estadísticas de Bose-Einstein.

Emisión estimulada y espontánea

considera también: Emisión estimulada,

l del laser

En 1916, Einstein demostró que el $E\; de\; la\; hipótesis\; del\; quántum\; de\; Planck\; =\; h\; \backslash \; nu$ se podrían derivar de una ecuación cinética de la tarifa. y, en 1927, tenido éxito en la derivación del todo el los constantes de la tarifa a partir de los primera principios. El trabajo de Dirac era la fundación de la electrodinámica del quántum, es decir, la cuantificación del campo electromagnético sí mismo. El acercamiento de Dirac también se llama la cuantificación del segundo o la teoría de campo de Quantum ; los mecánicos de quántum anteriores (la cuantificación de las partículas materiales que se mueven en un potencial) representan la “primera cuantificación”.

El hecho preocupó a Einstein de que su teoría parecía incompleta, puesto que no determinó la dirección del de un fotón espontáneo emitido. Una naturaleza de probabilidad del movimiento de la luz-partícula primero era considerada por el Newton en su tratamiento de la birrefringencia y, más generalmente, de partir de haces luminosos en los interfaces en una viga transmitida y una viga reflejada. Newton presumió que las variables ocultadas en la partícula ligera determinaron qué trayectoria seguiría. fue inspirado por el trabajo posterior de Einstein que buscaba para una teoría más completa.

Segunda cuantificación

considera también:

la teoría de campo de Quantum

En 1910, ley de Planck derivado de Peter Debye de la radiación de cuerpo negro de una asunción relativamente simple. Él descompuso correctamente el campo electromagnético en una cavidad en sus modos de Fourier, y asumió que la energía en cualquier modo era un múltiplo de número entero del $h\; \backslash \; nu$, donde está la frecuencia el $\backslash \; nu$ del modo electromágnetico. La ley de Planck de la radiación de cuerpo negro sigue inmediatamente como suma geométrica. Sin embargo, el acercamiento de Debye no pudo dar la fórmula correcta para las fluctuaciones de la energía de la radiación de cuerpo negro, que fueron derivadas por Einstein en 1909. Como puede ser demostrado clásico, los modos de Fourier del campo electromagnético - un sistema completo de ondas planas electromágneticas puestas en un índice por su k del vector de onda y la polarización estado-son equivalentes a un sistema de osciladores armónicos simples desacoplados. El quántum tratado mecánicamente, los niveles de energía de tales osciladores se sabe para ser $E\; =\; nh\; \backslash \; nu$, donde está la frecuencia el $\backslash \; nu$ del oscilador. El nuevo paso dominante era identificar un modo electromágnetico con el $E\; de\; la\; energía\; =\; el\; nh\; \backslash \; nu$ como estado con los fotones de $n$, cada uno del $h\; \backslash \; nu$ de la energía. Este acercamiento da la fórmula correcta de la fluctuación de la energía.

El Dirac tomó esta una medida más futura. Para el campo electromagnético, esta simetría del calibrador es el abeliano U (1) la simetría de un número complejo, que refleja la capacidad de variar la fase de un número complejo sin afectar a los números verdaderos hizo de ella, tal como la energía o el de Lagrange.

Los quanta de un campo abeliano del calibrador deben ser bosones sin masa, uncharged, mientras la simetría no esté quebrada; por lo tanto, el fotón se predice para ser sin masa, y para tener la carga eléctrica cero y vuelta del número entero. La forma particular de la interacción electromágnetica especifica que el fotón debe tener vuelta ±1; así, su helicidad debe ser el $\backslash \; P.\; Estos\; componentes\; de\; dos\; vueltas\; corresponden\; a\; los\; conceptos\; clásicos\; dederechosy\; a\; la\; luz\; circular\; polarizada\; zurda\; de\; .\; Sin\; embargo,\; los\; fotones\; virtualestransitoriode\; la\; electrodinámica\; de\; Quantum\; pueden\; también\; adoptar\; estados\; de\; polarización\; unphysical.\; Los\; físicos\; continúan\; presumiendo\; las\; teorías\; unificadas\; magníficas\; que\; conectan\; estos\; bosones\; de\; calibrador\; de\; cuatro\; con\; los\; ocho\; bosones\; de\; calibrador\; del\; Gluon\; del\; chromodynamics\; de\; Quantum;\; sin\; embargo,\; afinar\; las\; predicciones\; de\; estas\; teorías,\; tales\; comodecaimiento\; de\; protón,\; no\; se\; han\; observado\; experimental.$

Estructura del fotón

considera también:

Quantum Chromodynamics

Según el Quantum Chromodynamics, un fotón verdadero puede obrar recíprocamente ambos como a punto-como partícula, o como colección de los Quarks y de los Gluons es decir, como un Hadron . La estructura del fotón es determinada no por las distribuciones tradicionales del quark de la valencia como en un protón, sino por fluctuaciones del punto-como el fotón en una colección de los partons

Contribuciones a la masa de un sistema

Masa en relatividad especial|Gravitación

Energía de sistema que emite un fotón es disminuido por energía $E$ de fotón como medido en resto marco de emitiendo sistema, que puede dar lugar a reducción en masa en cantidad $\{\}/\{de\; E\; c^2\}$. Semejantemente, la masa de un sistema que absorba un fotón es creciente por una cantidad correspondiente.

Este concepto se aplica en una predicción dominante de QED, la teoría de la electrodinámica de Quantum comenzada por el Dirac (descrito arriba). QED puede predecir el momento de dipolo magnético de los Leptons a la exactitud extremadamente alta; las medidas experimentales de estos momentos de dipolo magnético han convenido con estas predicciones perfectamente. Las predicciones, sin embargo, requieren la cuenta de las contribuciones de fotones virtuales a la masa del lepton. Otro ejemplo de tales contribuciones verificadas experimental es la predicción de QED del cambio de cordero observado en la estructura hiperfina de los pares encuadernados del lepton, tales como Muonium y Positronium .

Puesto que los fotones contribuyen al tensor de la Tensionar-energía, ejercen una atracción gravitacional en otros objetos, según la teoría de la relatividad general . Inversamente, los fotones ellos mismos son afectados por la gravedad; su trayectoria normalmente recta se puede doblar por el espacio-tiempo combado, como en el lensing gravitacional, y el sus frecuencias puede ser bajado moviéndose a un potencial gravitacional de un más alto, como en el experimento de la Libra-Rebka. Sin embargo, estos efectos no son específicos a los fotones; los mismos efectos serían predichos exactamente para las ondas electromagnéticas clásico.

Fotones en materia

Velocidad de grupo|Fotoquímica

Encenderse que los recorridos a través de materia transparente hace tan a una velocidad más baja que el c, la velocidad de la luz en un vacío. Por ejemplo, los fotones sufren tan muchas colisiones en la manera de la base del sol que la energía radiante puede tomar a alrededor de millón de años para alcanzar la superficie; sin embargo, una vez en espacio abierto, un fotón tarda solamente 8.3 minutos para alcanzar la tierra. El factor por el cual la velocidad es disminuida se llama el índice de refracción del material. En un cuadro clásico de la onda, la reducción se puede explicar por la luz que induce la polarización eléctrica en la materia, la materia polarizada que irradia la nueva luz, y la nueva luz que interfiere con la onda ligera original para formar una onda retrasada. En un cuadro de la partícula, la reducción se puede en lugar de otro describir como mezcla del fotón con las excitaciones del quántum de la materia (Cuasi-partículas tal como fonones y excitones para formar un Polariton ; este polariton tiene una masa eficaz diferente a cero, así que significa que no puede viajar en el c . La luz de diversas frecuencias puede viajar a través de materia a diversas velocidades ; esto se llama la dispersión . La velocidad $v$ de la propagación del polariton iguala su velocidad de grupo, que es el derivado de la energía con respecto a ímpetu.

$v\; =\; \backslash \; =\; \backslash \; frac\; \{dE\}\; \{DP\}\; del\; frac\; \{d\; \backslash \; Omega\}\; \{DK\}$

donde, como arriba, están la magnitud $E$ y $p$ de la energía y del ímpetu de los polariton, y el $\backslash \; omega$ y $k$ es su frecuencia angular y número de onda, respectivamente. En algunos casos, la dispersión puede dar lugar a velocidades extremadamente reducidas de la luz en materia. Los efectos de las interacciones del fotón con otras cuasi-partículas se pueden observar directo en el Raman que dispersa y el Brillouin que dispersa .

Los fotones pueden también ser absorbentes por los núcleos, átomos o las moléculas, provocando transiciones entre su ejemplo clásico de los niveles de energía A son la transición molecular retiniano (C₂₀H₂₈O, figura en la derecha), que es responsable de la visión, según lo descubierto en 1958 por el George Wald y compañeros de trabajo del bioquímico del premio Nobel. Como se muestra aquí, la absorción provoca una isomerización cis-trans del que, conjuntamente con otras tales transiciones, transduced en impulsos de nervio. La absorción de fotones puede incluso romper vínculos químicos, como en el Photodissociation de la clorina ; éste es el tema de la fotoquímica .

Usos tecnológicos

Los fotones tienen muchos usos en tecnología. Estos ejemplos se eligen para ilustrar usos del por sí mismo de los fotones, algo que los dispositivos ópticos generales tales como lentes, etc. que podrían funcionar bajo teoría clásica de la luz. El laser es un uso extremadamente importante y se discute arriba bajo emisión estimulada .

Los fotones individuales se pueden detectar por varios métodos. El tubo clásico del fotomultiplicador explota el efecto fotoeléctrico ; un aterrizaje del fotón en un plateado de metal expulsa un electrón, iniciando una avalancha de nunca-amplificación de electrones. Las virutas del dispositivo acoplado de carga eléctrica utilizan un efecto similar en los semiconductores que un fotón del incidente genera una carga en un condensador microscópico que pueda ser detectado. Otros detectores tales como contadores de Geiger utilizan la capacidad de fotones de ionizar las moléculas del gas, causando un cambio perceptible en conductividad.

El $E=h\; \backslash \; nu$ de la fórmula de la energía de Planck es de uso frecuente por los ingenieros y los químicos en diseño, computar el cambio en energía resultando de una absorción del fotón y predecir la frecuencia de la luz emitida para una transición dada de la energía. Por ejemplo, el espectro de emisión de una bombilla fluorescente se puede diseñar usar las moléculas del gas con diversos niveles y el ajuste de energía electrónica de la energía típica con la cual un electrón golpea las moléculas del gas dentro del bulbo.

Bajo algunas condiciones, una transición de la energía se puede excitar por los fotones del dos que serían individualmente escasos. Esto permite una microscopia más alta de la resolución, porque la muestra absorbe energía solamente en la región donde dos vigas de diversos colores se traslapan perceptiblemente, que se pueden hacer mucho más pequeños que el volumen de la excitación de una sola viga (véase la microscopia de la excitación del Dos-fotón). Por otra parte, estos fotones causan menos daño a la muestra, puesto que están de una energía más baja.

En algunos casos, poder juntarse dos transiciones de la energía para, como un sistema absorbe un fotón, otro " próximo del sistema; steals" su energía y re-emite un fotón de una diversa frecuencia. Ésta es la base de la transferencia de energía de resonancia de la fluorescencia, que se utiliza para medir distancias moleculares.

Investigación reciente

La óptica de Quantum

La naturaleza fundamental del fotón se cree ser entendida teóricamente; el modelo estándar que prevalece predice que el fotón es un bosón de calibrador de la vuelta 1, sin masa y sin la carga, que resulta de un U del local (1) la simetría del calibrador y media la interacción electromágnetica. Sin embargo, los físicos continúan comprobando para saber si hay discrepancias entre el experimento y las predicciones del modelo estándar, en la esperanza de encontrar pistas a la física más allá del modelo estándar. Particularmente, los físicos experimentales continúan estableciendo límites superiores siempre mejores en la carga y la masa del fotón; un valor diferente a cero para cualquier parámetro sería una violación seria del modelo estándar. Sin embargo, todos los datos experimentales son hasta ahora constantes con el fotón que tiene carga cero que el mejor aceptó universal límites superiores en la carga del fotón y la masa es 5×10⁻⁵² el C (o 3×10⁻³³ mide el tiempo de la carga elemental ) y 1.1×10⁻⁵² el kilogramo (eV 6x10^-17), respectivamente.

Mucha investigación se ha dedicado a los usos de fotones en el campo de la óptica de Quantum. Los fotones parecen bien adaptados ser elementos de una computadora ultrarrápida de Quantum, y el enredo de Quantum de fotones es un foco de la investigación. Los procesos ópticos no lineares son otra área de investigación activa, con asuntos tales como absorción del dos-fotón, la modulación de la Uno mismo-fase y los osciladores paramétricos ópticos sin embargo, tales procesos no requieren generalmente la asunción del por sí mismo de los fotones; pueden ser modelados a menudo tratando los átomos como osciladores no lineares. El proceso no linear de la conversión paramétrica espontánea abajo es de uso frecuente producir estados del solo-fotón. Finalmente, los fotones son esenciales en algunos aspectos de la comunicación óptica, especialmente para la criptografía de Quantum.

Ver también

ligero
Radiación electromágnetica
La óptica de Quantum
Photonics

Polarización del fotón
Fotón balístico
Fotografía
Laser

Referencias y notas al pie de la página

class=" del .

Zenithic

Garland Science

Random links:

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