Los fotones (del griego φως, que significa luz), en muchos modelos atómicos de la física, son partículas que transmiten la luz. En otras palabras, la luz es transportada por el espacio por los fotones. El fotón es una partícula elemental que es su propia antipartícula. En la mecánica cuántica cada fotón tiene un cuanto de energía característico que depende de la frecuencia: Un fotón asociado a la luz de mayor frecuencia tendrá más energía (y estará asociado a la luz de menor longitud de onda).
Los fotones tienen una masa en reposo de 0 (cero). Sin embargo, la teoría de la relatividad de Einstein dice que sí tienen una cierta cantidad de momento. Antes de que el fotón recibiera su nombre, Einstein revivió la propuesta de que la luz son trozos separados de energía (partículas). Estas partículas pasaron a conocerse como fotones.
Un fotón suele recibir el símbolo γ (gamma).
Propiedades fundamentales
- Energía: cada fotón transporta una energía proporcional a su frecuencia: E = h·ν, donde h es la constante de Planck y ν la frecuencia de la onda electromagnética asociada. Esto explica por qué la luz de mayor frecuencia (como los rayos X) contiene fotones de mayor energía que la luz visible.
- Momento y relación con la longitud de onda: aun sin masa en reposo, un fotón tiene momento lineal p = E/c = h/λ, siendo λ la longitud de onda y c la velocidad de la luz en el vacío.
- Velocidad: los fotones viajan en el vacío a la velocidad c (aprox. 299 792 458 m/s). En medios materiales su velocidad efectiva disminuye debido a interacciones con la materia, lo que origina fenómenos como la refracción.
- Spin y estadística: el fotón es un bosón con spin total 1. Para fotones reales sólo existen dos estados de helicidad (polarizaciones circulares derecha e izquierda); no existe un estado de helicidad 0 para fotones libres.
- Carga y antipartícula: el fotón es eléctricamente neutro y es su propia antipartícula (no hay distinción entre fotón y anti‑fotón).
- Partícula cuántica del campo electromagnético: en teoría cuántica de campos, los fotones son los cuantos excitados del campo electromagnético y actúan como mediadores de la interacción electromagnética (bosones gauge).
Energía, momento y fórmulas útiles
Las fórmulas más usadas para describir fotones son:
- E = h·ν (energía en función de la frecuencia).
- E = hc/λ (energía en función de la longitud de onda), donde c es la velocidad de la luz.
- p = E/c = h/λ (momento lineal).
Estas relaciones unen la descripción ondulatoria (ν, λ) con la descripción corpuscular (E, p) y son la esencia de la dualidad onda‑partícula de la luz.
Interacciones y fenómenos relacionados
- Efecto fotoeléctrico: la explicación cuántica del efecto fotoeléctrico (por Einstein) muestra que la luz incidente libera electrones de una superficie sólo si los fotones tienen suficiente energía (E ≥ trabajo de extracción), lo que confirmó la naturaleza corpuscular de la radiación.
- Dispersión Compton: al colisionar con electrones, un fotón puede transferir parte de su energía, cambiando su longitud de onda; este efecto evidencia conservación de energía y momento en procesos cuánticos.
- Producción de pares: fotones de alta energía pueden transformarse en pares partícula‑antipartícula (p. ej. electrón‑positrón) en presencia de un núcleo u otro campo, cuando la energía supera el umbral necesario.
- Absorción, emisión y láseres: átomos y moléculas absorben o emiten fotones en transiciones entre niveles energéticos. La emisión estimulada, coherente en fase y dirección, es la base del funcionamiento del láser.
- Fotones virtuales: en interacciones a corto alcance las fuerzas electromagnéticas pueden modelarse como intercambio de fotones virtuales, que no cumplen necesariamente las relaciones energéticas de fotones reales.
El papel del fotón en la descripción de la luz
La luz puede describirse tanto como una onda (maxwelliana) como un conjunto de fotones. Esta doble descripción es complementaria: muchos fenómenos (interferencias, difracción) se entienden mejor con el modelo ondulatorio; otros (fotoelectricidad, detección individual de cuantos) requieren la descripción en términos de fotones. En la práctica:
- Luz térmica: (p. ej. la radiación de un cuerpo caliente) consiste en un flujo de fotones con una distribución de energía según la temperatura (radiación de cuerpo negro).
- Luz coherente: (p. ej. láseres) consiste en fotones con fase y frecuencia bien definidas, lo que permite interferencias sostenidas y aplicaciones tecnológicas precisas.
- Detección: los detectores de fotones (fotomultiplicadores, detectores semiconductores, contadores de fotones) permiten medir la llegada de fotones individuales o flujos promedio, según la sensibilidad.
Conceptos avanzados y límites experimentales
En teorías modernas, el fotón es una excitación del campo de gauge U(1) y su descripción está estrechamente ligada a la invariancia de gauge y a la electrodinámica cuántica (QED), una de las teorías más precisas de la física. Aunque la teoría predice masa nula en reposo, existen límites experimentales muy estrictos que sólo permiten una masa de fotón extremadamente pequeña (prácticamente cero dentro de la precisión actual).
Además, el número de fotones no es estrictamente conservado: procesos cuánticos pueden crear o destruir fotones, siempre respetando la conservación global de energía, momento y carga.
Resumen
El fotón es el cuanto de la luz: una partícula elemental sin masa en reposo, portadora de energía y momento, con comportamiento tanto ondulatorio como corpuscular. Interviene en numerosos fenómenos físicos y tecnológicos —desde la visión y la radiación térmica hasta la electrónica cuántica y la óptica láser— y es el mediador fundamental de la interacción electromagnética.
