¿Cuáles son las propiedades básicas de un fotón?

Question

Quiero captar la idea de un fotón. Mientras investigaba, he encontrado muchas formas diferentes de describir un fotón, pero la que me ha parecido más satisfactoria es la de "cuanto del campo electromagnético". Sin embargo, todavía tengo algunas preguntas sobre esta descripción.

I. ¿Qué significa "quantum" en este contexto? ¿Qué cantidad física es cuántica?

II. ¿Qué características presentan los fotones como onda (longitud de onda, velocidad, etc.)?

III. ¿Qué características presentan los fotones como partícula? (masa, espín, etc.)

Agradecería especialmente si alguien pudiera explicar el momento de un fotón como onda y como partícula. Para quien se lo pregunte, soy un estudiante de bachillerato interesado, pero que no domina la física.

Answer 1

Las soluciones clásicas de las ecuaciones de Maxwell describen la luz, radiación electromagnética.

Las ondas electromagnéticas pueden imaginarse como una onda oscilante transversal autopropagada de campos eléctricos y magnéticos. Esta animación 3D muestra una onda plana polarizada linealmente que se propaga de izquierda a derecha. Obsérvese que los campos eléctrico y magnético de una onda de este tipo están en fase entre sí y alcanzan mínimos y máximos juntos.

El fotón pertenece al marco mecánico cuántico, junto con los electrones y los neutrinos, véase aquí la tabla de las partículas elementales en la modelo estándar de la física de partículas. .

Se puede deducir matemáticamente que la radiación electromagnética clásica con los campos eléctrico y magnético variables surge de una superposición de billones de fotones, donde la frecuencia de la luz da la energía del fotón individual.

I.¿Qué significa "cuántico" en este contexto? ¿Qué cantidad física es cuántica?

La luz clásica tiene energía, el fotón con su energía = a h*nu es un cuanto de esta energía. Cuando la luz (radiación EM) es emitida, por átomos o cargas,se emite como un número de fotones, cada fotón un paquete de energía que construye la luz clásica.

II. ¿Qué características presentan los fotones como onda (longitud de onda, velocidad, etc.)?

El fotón es una partícula, es decir, deja una huella al interactuar con la materia en un (x,y,z) como lo haría una partícula clásica, y también es una onda de probabilidad, es decir, muchos fotones de la misma energía pasando por un doble hendidura muestran un patrón de interferencia, que es una propiedad de las ondas. Su velocidad es la velocidad de la luz en el vacío, por construcción del modelo estándar, y no ha habido ninguna falsificación de este "axioma".

a la izquierda son las huellas individuales de los fotones, pero las acumulaciones muestran la interferencia clásica de la luz.

III. ¿Qué características presentan los fotones como partícula? (masa, espín, etc.)

Comprueba la tabla. La masa de un fotón es cero, obedece a relatividad especial reglas como todas las partículas elementales.

El momento del fotón viene dado por la expresión cuatro vectores que lo describe , sustituyendo las ecuaciones de la relatividad especial.

Answer 2

I. ¿Qué significa "quantum" en este contexto? ¿Qué cantidad física es cuántica?

Fotones de frecuencia $\nu$ tener energía $E = h\nu$ . Esto significa: si se absorbe o emite un fotón de esta frecuencia, se transfiere exactamente esta cantidad (cuanto) de energía.

Fotones de frecuencia $\nu$ tener impulso $p = \frac{h\nu}{c}$ . Esto significa: si se absorbe o emite un fotón de esta frecuencia, se transfiere exactamente esta cantidad (cuanto) de momento. Los fotones se mueven en la dirección de su vector momento.

Los fotones polarizados circularmente tienen momento angular $\ell_z=\pm \hbar$ . Esto significa que, si se absorben o emiten, se transfiere exactamente esta cantidad (cuanto) de momento angular.

II. ¿Qué características presentan los fotones como onda (longitud de onda, velocidad, etc.)?

Como onda tienen frecuencia $\nu$ y longitud de onda $\lambda$ relacionado por $$ \nu\lambda = c,$$ donde $c$ es la velocidad de la luz. La velocidad de la luz es la misma en todos los marcos de referencia inerciales. Como una onda también tienen una amplitud.

Como ondas, pueden interferir (experimento de la doble rendija), reflejarse en espejos y transmitirse a través de la materia.

III. ¿Qué características presentan los fotones como partícula? (masa, espín, etc.)

Las propiedades de partícula de los fotones son la energía, el momento y el momento angular. Su masa en reposo es nula. Su espín (momento angular) depende de su polarización, pero es entero, por lo que son bosones. Como partículas, pueden, por ejemplo, golpear objetos y ejercer presión. Pueden ser emitidas y absorbidas transfiriendo porciones discretas de energía, momento y momento angular.

Answer 3

I. Un fotón es el cuanto, o el componente básico, del campo electromagnético. Por ejemplo, la luz visible, que es un campo electromagnético, es una gran colección de fotones.

Los fotones presentan dualidad onda-partícula . Esto significa que tienen algunas propiedades que exhiben manifiestamente sus propiedades ondulatorias, mientras que otras exhiben las propiedades de las partículas.

II. _Propiedades ondulatorias_ - Algunas frecuencias/longitudes de onda y procesos como la reflexión, la refracción, la difracción, la interferencia, la polarización y la dispersión.

III. Propiedades similares a las partículas - Radiación del cuerpo negro , Efecto fotoeléctrico , Dispersión Compton , producción en pareja , momento (y energía) distintos de cero que provocan presión de radiación y curvatura de la luz bajo la acción de la gravedad, momento angular de giro