Fotone

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Fotone
Fotoni emessi in un fascio coerente da un laser
Composizione:	Particella elementare
Famiglia:	Bosone
Gruppo:	Bosone di gauge
Interazione:	Elettromagnetica
Teorizzata:	Albert Einstein (1905–17)
Simbolo:
Massa:	0
Vita media:	Stabile
Carica elettrica:	0
Spin:	1

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 Newton Lewis nel 1926 per definire quelli che da Albert Einstein, per primo, erano stati definiti quanti di luce.

[modifica] Simbolo

Normalmente è associato al simbolo γ (gamma), anche se questo 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).

[modifica] 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 sovrapposizioni di differenti fotoni, ivi comprese le sovrapposizioni coerenti (dette anche stati coerenti) che descrivono la luce coerente, come quella emessa da un laser ideale, o le sovrapposizioni caotiche (dette anche stati termici) che descrivono la luce in equilibrio termico (radiazione del corpo nero). Apparecchiature speciali come i microlaser possono creare una luce composta da fotoni puri.

[modifica] 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 uno dei due aspetti della sua natura, a seconda della strumentazione usata. In ogni caso la massa del fotone è esattamente nulla, in accordo con la teoria della relatività ristretta. Tuttavia è possibile definire una massa equivalente, a partire dalla relazione di Einstein E = mc² e dall'ipotesi di Planck E = hν si ricava facilmente che al fotone può essere associata una massa equivalente pari a

.

[modifica] 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.

[modifica] 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,

con k_i la possibile quantità di moto dei modi e n_ki il numero di fotoni in un dato modo.

[modifica] 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.

[modifica] 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 quantità 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.

[modifica] Fotoni nel vuoto

Nel vuoto, i fotoni si muovono alla velocità della luce c, definita pari a 299.792.458 m/s (ovvero dove le costanti ε₀ e μ₀ sono la costante dielettrica e la permeabilità magnetica, nel vuoto, come dedusse Maxwell), o circa 3x10⁸ m/s. La relazione di dispersione è lineare e la costante di proporzionalità 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 la quantità di moto).

[modifica] 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 dispersione permette loro di acquisire una massa effettiva, e quindi la loro velocità scende sotto quella della luce nel vuoto.

[modifica] 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 coppia.

[modifica] Voci correlate

• Lista delle particelle