Els fotons són partícules elementals que tenen un paper fonamental en el món de la física i la mateixa naturalesa. Aquestes partícules, sovint anomenades "partícules de la llum", tenen propietats sorprenents i tenen un paper crucial en diversos fenòmens, des de la llum visible fins a la generació d'energia en panells solars.
En aquest article, explicarem en què consisteixen els fotons, les característiques, la importància en la física i les aplicacions en la nostra vida quotidiana.
Què són els fotons?
Els fotons són partícules subatòmiques que pertanyen a la família dels bosons. Un fotó es defineix com un quantum denergia en forma de radiació electromagnètica, emès o absorbit per la matèria.
Aquesta propietat els fa únics al regne de les partícules subatòmiques. Tot i que els fotons són comunament associats amb la llum visible, en realitat abasten tot l'espectre electromagnètic. Entre aquests tipus de radiació s'inclouen els raigs X, els raigs gamma, els fotons de llum visible, la llum infraroja, les ones de ràdio i de microones.
Els fotons s'emeten en molts processos naturals, com ara:
-
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 d'ones de ràdio fins a raigs gamma.
-
Quan una partícula i la seva antipartícula corresponent s'aniquilen.
Propietats i característiques
Energia i freqüència
L'energia del fotó correspon a l'energia que es transporta per un sol fotó. Aquesta energia depèn de la freqüència. En conseqüència, l'energia augmenta en augmentar la freqüència i la longitud d'ona del fotó d'acord amb l'equació de Planck-Einstein:
E=h⋅f
On:
-
I és lenergia del fotó.
-
h és la constant de Planck, una constant fonamental de la física.
-
f és la freqüència del fotó.
Aquesta equació mostra que els fotons de llum amb freqüències més altes tenen més energia que els de freqüències més baixes. Això és evident a la llum visible, on els fotons vermells tenen menys energia que els fotons blaus.
Les unitats més utilitzades per indicar l'energia d'aquestes partícules són l'electrovolti (eV) i el juliol (J). Un juliol equival a 6,24 × 1018 eV.
Dualitat ona-partícula
Els fotons també exhibeixen una propietat de dualitat ona-partícula . Això significa que, en certs experiments, els fotons es comporten com a partícules discretes quan interactuen amb la matèria per transferir una quantitat fixa d'energia, mentre que en altres es comporten com a ones electromagnètiques en fenòmens com la refracció.
Aquesta dualitat és una característica fonamental de la mecànica quàntica i es manifesta en fenòmens com ara la interferència i la difracció de la llum.
Càrrega elèctrica nul·la
Els fotons no tenen càrrega elèctrica. A diferència dels electrons i protons, que són portadors de càrrega, els fotons són neutres en termes de càrrega elèctrica. Aquesta propietat és essencial en la interacció electromagnètica i la transmissió d'energia a través de camps elèctrics i magnètics.
Tipus de fotons
Tots els fotons són essencialment idèntics en termes de les propietats fonamentals.
Tot i això, en funció de la seva energia o freqüència, els fotons poden classificar-se en diferents tipus segons el context en què s'utilitzin. Aquí hi ha alguns tipus comuns de fotons:
-
Fotons de llum visible: Aquests són els fotons que formen la llum que podem veure amb els nostres ulls.
-
Fotons de radiofreqüència: tenen una freqüència més baixa que la llum visible i es fan servir en tecnologia de comunicació, com els senyals de ràdio i televisió.
-
Fotons de microones: la seva freqüència encara és encara més baixa i s'utilitzen en aplicacions com forns de microones i comunicació per satèl·lit.
-
Fotons d'infraroig: s'utilitzen en tecnologia d'imatge tèrmica i comunicació sense fil.
-
Fotons ultraviolada: tenen una freqüència més alta que la llum visible i s'utilitzen en aplicacions com ara esterilització d'aigua i superfícies.
-
Fotons de raigs X: tenen una energia encara més gran i s'utilitzen en medicina per a l'obtenció d'imatges i en aplicacions de control de qualitat a la indústria.
-
Fotons de raigs gamma: són els de més energia i freqüència a l'espectre electromagnètic. S'utilitzen en medicina per a la radioteràpia i en la investigació nuclear.
Aplicacions a la ciència ia la vida quotidiana
- Descripció de la llum : són els portadors de la radiació electromagnètica, el que significa que són responsables de transportar la llum. La teoria quàntica de la llum descriu com els fotons interactuen amb la matèria.
- Electrodinàmica quàntica (QED) : l'electrodinàmica quàntica és una teoria que descriu la interacció entre els fotons i les partícules carregades, com electrons i positrons.
- Tecnologia : aquestes partícules tenen un paper crucial en tecnologies com la fibra òptica, la comunicació per satèl·lit, la ressonància magnètica nuclear (RMN).
- Energia solar fotovoltaica : en la generació d'electricitat a través de l'efecte fotovoltaic dels panells solars, l'energia d'aquestes partícules desencadena el moviment dels electrons.
- Ressonància Magnètica Nuclear (RMN) : La RMN utilitza fotons al rang de radiofreqüència per estudiar l'estructura i la composició de les molècules en el cos humà. És una eina fonamental en la medicina per obtenir imatges precises de l'interior del cos i per a la investigació científica en química i biologia.
- Electrònica i comunicació : Els dispositius electrònics moderns, com làsers, LEDs (díodes emissors de llum) i fotodetectors, depenen de la manipulació de fotons per funcionar.
Història i descobriment
Lo concèpte modèrn del fotó comencèt a se desvolopar gradualment a la debuta del sègle XX, principalament a travèrs dels trabalhs d'Albert Einstein. Aquest concepte va emergir com una resposta a observacions experimentals que desafiaven el model clàssic de la llum com una ona electromagnètica.
Finalment, el 1926, el físic òptic Frithiof Wolfers i el químic Gilbert N. Lewis van introduir el terme "fotó" per descriure aquestes partícules, marcant una fita important en la comprensió de la naturalesa de la llum.