Fotone

In fisica, il fotone (dal Greco φως "phos", che significa Luce) è un quanto del campo elettromagnetico. È considerato una delle particelle elementari del modello standard. Il termine fotone fu coniato da Gilbert Lewis nel 1926.

Simbolo

Normalmente è associato al simbolo

\gamma

(gamma), anche se nella fisica delle alte energie viene usato solo per i fotoni ad alta energia (i fotoni con livello di energia immediatamente inferiore ad esempio vengono indicati con X e chiamati raggi X).

Proprietà

I fotoni vengono spesso liberamente associati con la luce visibile, alla quale sono correlati solo per uno stretto spettro di frequenze. In realtà i fotoni sono associati ad ogni tipo di radiazione elettromagnetica. Ma anche qui, la radiazione si incontra comunemente allo stato quantico, che non corrisponde a fotoni puri, ma a superposizioni di differenti fotoni, ivi comprese le superposizioni coerenti (dette anche stati coerenti) che descrivono la luce coerente, come quella emessa da un laser ideale, o le superposizioni caotiche (dette anche stati termici) che descrivono la luce in equilibrio termico (radiazione del corpo nero). Apparecchiature speciali come i micromaser possono creare una luce composta da fotoni puri.

Dualismo onda-corpuscolo

Sotto alcuni aspetti il fotone agisce come una particella, ad esempio quando viene rivelato da un fotomoltiplicatore (effetto fotoelettrico). Sotto altri aspetti, esso si comporta come un'onda, ad esempio quando viene osservato dalla strumentazione ottica (fenomeni di diffrazione e interferenza). In accordo con il così detto dualismo onda-corpuscolo in meccanica quantistica, è naturale per il fotone mostrare ciascuno dei due aspetti della sua natura, a seconda delle circostanze.

Produzione

I fotoni possono essere prodotti in molti modi, inclusa l'emissione da elettroni che cambiano di stato o di orbitale. Possono essere anche creati per transizione nucleare, annichilazione particella-antiparticella o qualsiasi fluttuazione del campo elettromagnetico.

Stato quantistico

Lo stato quantico associato ad un fotone è lo stato di Fock, indicato con |n>, che significa n fotoni nel campo elettromagnetico modale. Se il campo è multimodo, il suo stato quantico è un prodotto tensoriale degli stati fotonici, ad esempio,

|n_{k_0} \rangle \otimes |n_{k_1} \rangle \otimes \dots \otimes |n_{k_n} \rangle \dots

con k_i il possibile momento dei modi e n_{k_i} il numero di fotoni in un dato modo.

Vita media

I fotoni, come già detto, sono ritenuti particelle fondamentali. La loro vita è infinita: possono infatti essere creati e distrutti interagendo con altre particelle, ma non è noto che possano decadere spontaneamente.

Spin e Massa

Hanno spin 1 e sono quindi classificati come bosoni. Essi mediano l'interazione elettromagnetica; costituiscono i bosoni di gauge dell'Elettrodinamica quantistica (QED), che è una teoria di gauge U(1). Hanno massa invariante pari a zero ma una quantita di energia definita (e finita) alla velocità della luce. Nonostante ciò, la teoria della relatività generale dice che sono influenzati dalla gravità, e questo è confermato dalle osservazioni.

Una particella non relativistica di spin 1 è dotata di tre possibili proiezioni dello spin (−1, 0 e +1). Tuttavia, le particelle di massa nulla, come il fotone, hanno solo due proiezioni di spin, in quanto la proiezione zero richiede che il fotone sia fermo, e questa situazione non esiste, in accordo con la teorie della relatività. Tali proiezioni corrispondono alle polarizzazioni circolari destra e sinistra delle onde elettromagnetiche classiche. La più familiare polarizzazione lineare è data dalla sovrapposizione delle precedenti.

Fotoni nel vuoto

Nel vuoto, i fotoni si muovono alla velocità della luce c, definita pari a 299.792.458 m/s (questa è una definizione e quindi non soffre dell'incertezza sperimentale), o circa 3x10⁸ m/s. La relazione di dispersione è lineare e la costante di poporzionalità è la costante di Planck h; ciò porta alle utili relazioni: E = h ν (con E l'energia del fotone e ν la frequenza del fotone) e p = h ν / c (p è il momento).

Fotoni nella Materia

Nella Materia, si accoppiano alle eccitazioni del mezzo e si comportano differentemente. Ad esempio quando si accoppiano ai fononi o agli eccitoni producono i polaritoni. La loro dispersione li permette di acquisire una massa effettiva, e quindi la loro velocità scende sotto quella della luce nel vuoto.

Interazione Radiazione-Materia

Esistono diversi meccanismi di interazione Radiazione-Materia. A seconda dell'energia dei fotoni incidenti, gli effetti più probabili possono essere schematizzati come segue:

1 eV–100 keV Effetto fotoelettrico,
100 keV–1 MeV Effetto Compton,
1,022 MeV in poi Produzione di coppie.

Voci correlate

Lista delle particelle

Fisica | Ottica | Particelle subatomiche

Gourt Home::Gourt :: Fotone