Menu

Panells d'energia
solar fotovoltaica

Instal·lació d'energia solar tèrmica

Planta d'energia solar
termoelèctrica

Què és un fotó?

Un fotó és el quantum d'energia en forma de radiació electromagnètica, emès o absorbit per la matèria.

Què és un fotó?

El fotó és un tipus de partícula elemental. D'acord amb els principis de la física quàntica, és el que fa de camp electromagnètic. És la partícula portadora de totes les formes de radiació electromagnètica, incloent:

  • Els raigs gamma.
  • Els raigs X.
  • La llum ultraviolada.
  • La llum visible.
  • La llum infraroja.
  • Les microones.
  • Les ones de ràdio.

Els fotons tenen massa zero en repòs. Sempre es mouen a la velocitat de la llum en el buit.

El fotó té spin igual a 1, i, per tant, és un bosó; com que la seva massa en repòs és nul·la, la helicidad del otó només pot ser 1 o -1, però no 0.

El fotó es representa pel símbol γ.

¿Un fotó es una ona o una partícula?

Com totes les partícules elementals, els fotons s'expliquen amb la mecànica quàntica. No obstant això, presenten dualitat ona-partícula, exhibint simultàniament propietats d'ones i de partícules.

Es comporta com una ona en fenòmens com la refracció que té lloc en una lent, o en la cancel·lació per interferència destructiva d'ones reflectides; però, es comporta com una partícula quan interactua amb la matèria per transferir una quantitat fixa d'energia. Aquesta energia és inversament proporcional a la longitud d'ona.

Per exemple, una lent pot refractar un sol fotó i en el procés interferir amb si mateix com si fos una ona. O bé, pot actuar com una partícula que té una posició definida i una quantitat de moviment mesurable.

Observació

Les propietats d'ona i de quantum del otó són dos aspectes observables d'un mateix fenomen.

La seva naturalesa no pot ser descrita en termes de cap model mecànic. Per tant, la representació d'aquesta propietat dual de la llum, que assumeix que l'energia es concentra en certs punts del ront d'ona, és també impossible.

Els quants en una ona de llum no es poden localitzar en l'espai; es pren nota d'alguns paràmetres físics definits del otó.

El fotó en la física de partícules

En el model estàndard de la física de partícules, els fotons i altres partícules elementals es descriuen com una conseqüència necessària del fet que les lleis de la física tinguin una certa simetria en l'espai-temps. Les propietats intrínseques de les partícules, com la càrrega elèctrica, la massa i l'espín vénen determinades per les propietats d'aquesta simetria de gauge.

El concepte de fotó ha conduït a avenços transcendents en física teòrica i experimental. Per exemple:

  • Els làsers.
  • El condensado de Bose-Einstein.
  • La teoria quàntica de camps.
  • La interpretació probabilística de la mecànica quàntica.

S'ha aplicat en fotoquímica, a la microscòpia d'alta resolució i en la mesura de distàncies moleculars. Recentment, els fotons s'han estudiat com a element dels ordinadors quàntics i per les seves aplicacions en imatgeria òptica i comunicació òptica com la criptografia quàntica.

Propietats d'un protó

Un fotó no té massa, no té càrrega elèctrica, i és una partícula estable.

En el buit, un fotó té dos possibles estats de polarització. El fotó és el bosó de calibre per l'electromagnetisme. Per tant, tots els altres nombres quàntics del otó (com el nombre de leptons, el nombre de barions i els números quàntics de sabor) són zero. A més, el fotó no obeeix el principi d'exclusió de Pauli, però en canvi obeeix les estadístiques de Bose-Einstein.

Els fotons s'emeten en molts processos naturals. Per exemple:

  • Quan una càrrega s'accelera, emet radiació sincrotró.
  • Durant una transició molecular, atòmica o nuclear a un nivell d'energia més baix, s'emetran fotons de diverses energies, que van des ones de ràdio fins a raigs gamma.
  • Quan una partícula i la seva antipartícula corresponent s'aniquilen (per exemple, aniquilació electró-positró).
    ComposicióPartícula elemental
    InteraccionsElectromagnètic, Feble, Gravetat
    símbolc
    TeoriaAlbert Einstein (1905)
    El nom de "fotó" s'atribueix generalment a Gilbert N. Lewis (1926)
    Massa0
    <1 × 10  −18   eV / c  2
    Vida mitjanaEstable
    Càrrega elèctrica0 <1 × 10  −35   e 
    Spin1
    Paritat−1
    Paritat C−1

    Per a què es fan servir els fotons?

    Els fotons tenen moltes aplicacions en tecnologia. Per exemple el làser.

    El làser és una aplicació extremadament important.

    Els fotons individuals es poden detectar per diversos mètodes. El tub fotomultiplicador clàssic explota l'efecte fotoelèctric: un fotó de suficient energia colpeja una placa de metall i allibera un electró, iniciant una allau d'electrons cada vegada més àmplia.

    Xips

    Els xips de dispositius acoblats a càrrega semiconductors usen un efecte similar: un fotó incident genera una càrrega en un condensador microscòpic que pot detectar-se. Altres detectors, com els comptadors Geiger, usen la capacitat dels fotons per ionitzar les molècules de gas contingudes en el dispositiu, causant un canvi detectable de la conductivitat del gas.

    Enginyeria i química

    Els enginyers i els químics solen utilitzar-lo en el disseny. S'utilitzen tant per calcular el canvi d'energia resultant d'una absorció de fotons com per determinar la freqüència de la llum emesa per una emissió de fotons donada.

    Per exemple, l'espectre d'emissió d'un llum de descàrrega de gas pot alterar omplint-la amb (mescles de) gasos amb diferents configuracions electròniques de nivell d'energia.

    En algunes condicions, una "transició energètica" pot ser excitada per "dos" fotons que individualment serien insuficients. Això permet una microscòpia de major resolució, perquè la mostra absorbeix energia només en l'espectre on dos feixos de diferents colors se superposen significativament, el que pot fer-se molt més petit que el volum d'excitació d'un sol feix (veure microscòpia d'excitació de dos fotons). A més, aquests fotons causen menys dany a la mostra, ja que són de menor energia.

    Biologia molecular

    En alguns casos, es poden acoblar dues transicions d'energia perquè, a mesura que un sistema absorbeix un fotó, un altre sistema proper "robi" la seva energia i torni a emetre un fotó d'una freqüència diferent. Aquesta és la base de la transferència d'energia de ressonància de fluorescència, una tècnica que s'utilitza en biologia molecular per estudiar la interacció de proteïnes adequades.

    Generació de nombres aleatoris

    Diversos tipus diferents de generadors de nombres aleatoris de maquinari impliquen la detecció de fotons individuals.

    En un exemple, per cada bit en la seqüència aleatòria que es produirà, s'envia un fotó a un divisor de feix. En aquesta situació, hi ha dos possibles resultats d'igual probabilitat. El resultat real s'utilitza per determinar si el següent bit de la seqüència és "0" o "1".

    Quan va aparèixer el concepte de fotó per primera vegada?

    En la majoria de les teories fins al segle XVII i XVIII, la llum es considerava formada per partícules. El fet que els models de partícules no poguessin explicar fenòmens com la difracció, la refracció o la birefringència de la llum, va fer que René Descartes, Robert Hooke i Christian Huygens en van proposar teories ondulatòries per a la llum. No obstant això, els models de partícules van romandre vigents, principalment a causa de la influència d'Isaac Newton.

    Albert Einstein

    El concepte modern del otó va ser desenvolupat de forma gradual per Albert Einstein a principis de segle XX. Aquest concepte es va utilitzar per explicar les observacions experimentals que no concordaven amb el model clàssic de la llum com a ona electromagnètica.

    El model del otó quadrava amb el fet que l'energia de la llum depengués de la seva freqüència. Explicava la capacitat de la matèria i la radiació electromagnètica d'estar en equilibri tèrmic. A més, el model del otó també explicava certes observacions anòmales com la radiació de cos negre que altres físics havien intentat explicar emprant models semi-clàssics. Per exemple, Max Planck.

    Model de Planck

    En el model de Planck, la llum estava descrita per les equacions de Maxwell però els objectes materials que emetien i absorbien llum ho feien en paquets discrets d'energia. Encara que aquests models semi-clàssics van contribuir a el desenvolupament de la mecànica quàntica, diversos experiments posteriors validen la hipòtesi d'Einstein que la llum en si està quantificada. Començant per l'efecte Compton.

    Acceptació del terme

    El 1926 el físic òptic Frithiof Wolfers i el químic Gilbert N. Lewis van encunyar el terme «fotó» per aquestes partícules.

    Després que Arthur H. Compton guanyés el Premi Nobel en 1927 per la seva estudis de dispersió, la majoria de científics van acceptar que els quants de llum tenen una existència independent i es va acceptar el nom de fotó per aquests quants.

    Quina relació tenen els fotons amb l'energia solar fotovoltaica?

    L'energia solar fotovoltaica consisteix a convertir la radiació solar en electricitat. La radiació solar viatja del sol cap a la terra a través dels fotons.

    Alguns dels fotons impacten sobre la primera superfície del panell solar. Penetren en ell. Els materials semiconductors de les plaques fotovoltaiques els absorbeixen.

    Els fotons colpegen els electrons presents en els àtoms dels semiconductors. D'aquesta manera, els electrons s'alliberen dels seus àtoms. Els electrons lliures poden viatjar per un conductor i generar un corrent elèctric. És l' electricitat.

      Autor:

      Data de publicació: 13 de maig de 2015
      Última revisió: 1 de maig de 2020