Fotones

¿Qué es un fotón?

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.

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 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.

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.

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.