Retira un segundo la vista de la pantalla y mira hacia la ventana. Si es de día, probablemente verás los rayos de luz atravesando la ventana, e iluminando toda la habitación. Si es de noche, podrás ver como las farolas iluminan tenuemente la calle. Sea como sea, observamos luz. Pero, ¿qué es la luz? Y, más importante, ¿la luz está formada por algo?
El famoso físico alemán Albert Einstein dio la respuesta: apoyándose en otros experimentos de científicos como Planck, estableció que la luz estaba constituida por unos cuantos de energía, llamados fotones. En este artículo vamos a descubrir qué son estos fotones y cuáles son sus características.
¿Qué es un fotón?
Los fotones son partículas que no tienen peso y, por tanto, no tienen masa. Son las partículas responsables de transportar la energía en forma de ondas electromagnéticas: cuando una partícula libera energía, aparecen los fotones.
El proceso de desintegración radiactiva de isótopos inestables es uno de los muchos acontecimientos que pueden emitir fotones. Esta emisión de fotones se puede producir, también, en otros procesos naturales; por ejemplo, cuando una carga se acelera o desacelera, o al aniquilar una partícula con su antipartícula.
Características del fotón
Los fotones, que viajan en el vacío del espacio a casi \(300.000.000\mathrm{m/s}\), son las partículas más rápidas del universo conocido.
Tienen una longitud de onda que define su energía:
- Las longitudes de onda más cortas, como las de la radiación (conocida como rayos gamma), tienen más energía.
- Las ondas de radio tienen una mayor longitud de onda y poca energía.
Los fotones no tienen masa, sino que son una forma de energía pura; no están formados por otras partículas. Los fotones no reaccionan a las fuerzas gravitatorias, sino hasta que son masivamente grandes, como en los agujeros negros.
Fig. 1: La luz del sol está formada por fotones. En un arco iris vemos la descomposición de la luz en fotones con diferentes longitudes de onda.
Fórmula de la energía de un fotón
La energía de un fotón depende de su longitud de onda. Como ya hemos comentado, las longitudes de onda más cortas tienen mayor energía, ya que oscilan más rápido; mientras que las longitudes de onda más grandes, que oscilan más lentamente, tienen menor energía.
Para obtener la energía del fotón, hay que multiplicar la velocidad de la luz \(c\) en el vacío por la constante de Planck \(h\) y dividirla por la longitud de onda del fotón\(\lambda\). La fórmula para obtener la energía del fotón es:
\[E=\dfrac{c\cdot h}{\lambda}\]
- La constante de Planck es igual a \(6,63\cdot 10^{-34}\,\mathrm{J\cdot s}\) y la velocidad de la luz en el vacío es cercana a \(3\cdot 10^{8}\,\mathrm{m/s}\), tal y como hemos visto antes.
Dependencia de la energía con la longitud de onda
La relación longitud de onda-energía es cierta para todas las formas de energía electromagnética. La medición de la longitud de onda de un fotón puede indicarnos algunas de sus características. Podemos calcular la energía de varias longitudes de onda y compararlas, para entender cómo afecta la longitud de onda a la energía de un fotón.
La energía de las ondas de radio de una transmisión de radio:
Es posible que escuches a un locutor de radio mencionar que transmiten en FM a \(90\,\mathrm{MHz}\).
Si quieres saber la energía de las ondas de radio, primero tienes que obtener la longitud de onda. Para calcularla, se utiliza la relación entre la longitud de onda \(\lambda\) y la frecuencia \(f\):
\[\lambda=\dfrac{v}{f},\]
- Donde, \(v\) es la velocidad de la onda, que puedes tomar como la velocidad de la luz en el vacío \(c\); es decir, \(3\cdot 10^8\,\mathrm{m/s}\).
La frecuencia está en hercios, que es el inverso del segundo, y el prefijo es mega, que significa \(1\cdot 10^6\):
\[\begin{align} \lambda&=\dfrac{3\cdot 10^8\,\mathrm{m/s}}{90\cdot 10^6\,\mathrm{Hz}} \\ \\ \lambda&=3,33\,\mathrm{m}\end{align}\]
Esta longitud de onda tiene una escala conocida.
Ahora puedes calcular la energía utilizando la ecuación de la energía del fotón:
\[\begin{align} E&=\dfrac{c\cdot h}{\lambda} \\ E&=5,97\cdot 10^{-26}\,\mathrm{J} \end{align}\]
Como ves en el ejemplo anterior, el resultado no es un valor demasiado grande de la energía. Por tanto, la longitud de onda es, por supuesto, muy grande.
La energía de la luz visible (color amarillo):
Si quieres calcular la energía en el espectro visible del color amarillo, una rápida búsqueda en Internet te dirá que tiene una frecuencia de \(5,12\cdot 10^{14}\,\mathrm{Hz}\).
A continuación, se divide la velocidad de la luz por la frecuencia de la luz amarilla:
\[\begin{align} \lambda&=\dfrac{3\cdot 10^8\,\mathrm{m/s}}{5,12\cdot 10^{14}\,\mathrm{Hz}} \\ \\ \lambda&=0,585\,\mathrm{mm} \end{align}\]
El valor de la longitud de onda es muy pequeño: estamos hablando de micrómetros o de escalas de \(1\cdot 10^{-6}\,\mathrm{m}\).
Para calcular la energía, hay que utilizar la relación energía-fotón:
\[\begin{align} E&=\dfrac{c\cdot h}{\lambda} \\ \\ E&=3,39\cdot 10^{-19}\,\mathrm{J}\end{align}\]
La cantidad de energía, en este caso, sigue siendo pequeña en comparación con las cosas cotidianas; pero, es mucho mayor que la energía de las ondas de radio.
Los fotones de una máquina de rayos X:
La frecuencia de la máquina de rayos X que utiliza tu médico tiene un valor de \(3\cdot 10^{17}\,\mathrm{Hz}\).
Primero, determina la longitud de onda \(\lambda\):
\[ \begin{align} \lambda &=\dfrac{3\cdot 10^8\,\mathrm{m/s}}{3\cdot 10^{17}\,\mathrm{Hz}} \\ \\ \lambda &=1\cdot 10^{-19}\,\mathrm{m} \end{align}\]
Calculando la energía de los rayos X con este valor, se obtiene la energía de los fotones de los rayos X:
\[E=\dfrac{c\cdot h}{\lambda}=1,99\cdot 10^{-16}\,\mathrm{J}\]
La energía procedente de los rayos X es tres órdenes de magnitud mayor que la energía del espectro visible de la luz de color amarillo:
Fig. 2: Espectro aproximado de energía frente a la longitud de onda para cualquier fotón.
Fotón y la luz
Es importante señalar que la velocidad de la luz varía en función del medio en el que se mueve:
- La luz viaja más rápido en el vacío; es decir, a una velocidad de unos \(300.000.000\,\mathrm{m/s}\).
- En la atmósfera, la luz viaja un poco más despacio.
- En los materiales sólidos, como el diamante, viaja bastante más despacio; hasta el punto de que la velocidad de los fotones se reduce a menos de la mitad de su velocidad en el vacío.
Fotones y electrones
Los fotones y los electrones están históricamente relacionados. Esto se debe al experimento que realizó el físico alemán Albert Einstein, en 1905, conocido como efecto fotoeléctrico.
El efecto fotoeléctrico es el nombre que recibe la emisión de electrones en un material, cuando incide radiación electromagnética portada por fotones.
Un fotón necesita una cantidad mínima de energía, llamada función de trabajo, para liberar un electrón de la materia en la que incide. Una vez superada la cantidad mínima de energía, el resto se utiliza para comunicar energía cinética al electrón, de manera que adquiera una cierta velocidad al ser expulsado. Si el fotón tiene menos energía que la función de trabajo (la radiación electromagnética no alcanza la frecuencia/longitud de onda correspondiente), la materia no expulsa electrones, pues no hay suficiente energía para hacer que se desprendan.
Aunque el efecto fotoeléctrico puede observarse en multitud de situaciones, el mejor ejemplo lo constituyen los experimentos en los que se observó el efecto fotoeléctrico por primera vez. En estos, se expulsa electrones de un material metálico, después de adquirir la energía suficiente para escapar de un átomo, gracias a la luz con alta energía que incide en el material. Los electrones expulsados del material se denominan fotoelectrones.
Fotones - Puntos clave
Los fotones son partículas sin masa, que se encargan de transportar energía en forma de ondas electromagnéticas.
La luz visible (como la del sol) está formada por fotones.
La energía de un fotón depende de su longitud de onda.
Las longitudes de onda más grandes tienen menos energía, mientras que las más pequeñas son más energéticas.
Los fotones son las partículas más rápidas del universo conocido, ya que viajan a una velocidad de 300.000.000 m/s en el vacío; esto se conoce como la velocidad de la luz.
El efecto fotoeléctrico es el nombre que recibe la emisión de electrones en un material cuando incide radiación electromagnética portada por fotones.
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