¿Cuál es la densidad y la energía de un fotón?

Question

Según tengo entendido, los fotones se consideran sin masa, lo cual es una condición necesaria para moverse a la velocidad de la luz. Sin embargo, ¿significa eso que su densidad es 0, ya que ocuparán algún volumen? Si su densidad es cero, eso significa que no hay materia dentro de un fotón. Por tanto, ¿no debería un fotón poder atravesar la materia en lugar de colisionar con ella? Como $E = mc^2$ ¿no debería un fotón tener energía cero, ya que tiene masa cero?

Answer 1

La relación energética completa es $$E^2 = m^2c^4 + \lvert \vec{p} \rvert^2 c^2$$ El fotón tiene $m=0$ Así que nos quedamos con $$E = \lvert \vec{p} \rvert c$$ (aquí no nos importa la solución negativa). Pero según De Broglie, es $\vec{p} = \hbar \vec{k}$ , por lo que tenemos $$E = \hbar c \lvert \vec{k} \rvert$$ pero $k=\frac{2\pi}{\lambda}$ y $\hbar=\frac{h}{2\pi}$ . Por lo tanto, $$E=h\frac{c}{2\lambda} = h \nu$$ donde $\nu$ es la frecuencia del fotón.

Un fotón no es una partícula de materia (fermión), sino una partícula portadora de fuerza (bosón). Un bosón no está sujeto al principio de exclusión de Pauli. Cualquier número de bosones puede ocupar el mismo estado cuántico. Así que, si quieres llamarlo así, se podría decir que el fotón no "ocupa un volumen". Pero sigue interactuando con la materia, ya que se acopla a las cargas eléctricas. El ejemplo más sencillo es Dispersión Compton .

Answer 2

No importa cuántos fotones componen una onda, los fotones no tienen masa, por lo que la onda también la tiene. Densidad mínima, momento máximo. La cantidad de densidad de energía en la luz es equivalente a la cantidad de densidad de energía del espacio.