Definición de Fotón

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

El fotón es una partícula elemental perteneciente al grupo de los bosones. Son las partículas que conforman toda la radiación electromagnética y son las responsables de los fenómenos cuánticos del electromagnetismo, es decir, los fotones son los bosones portadores de la interacción electromagnética.

Generalmente, se refiere a los fotones como “partículas de luz”. La dualidad onda – partícula que exhibe la luz nos permite verla como ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio o como haces de partículas sin masa que viajan a la velocidad de la luz y que interactúan con la materia. Llegar a esta visión y a estas conclusiones no ha sido fácil y supuso un largo camino de estudios y descubrimientos.

Historia del fotón

La luz, a pesar de ser un fenómeno que experimentamos día con día, ha sido uno de los grandes misterios de la naturaleza a lo largo de la historia. El primer debate que existió sobre la naturaleza de luz fue protagonizado por el físico y matemático inglés Isaac Newton y el astrónomo holandés Christiaan Huygens.

Newton proponía que la luz tenía naturaleza corpuscular, es decir, que se conformaba por pequeños corpúsculos que viajaban en línea recta. Por otro lado, Huygens demostraba que la luz tenía naturaleza ondulatoria al poseer características típicas de las ondas.

Este debate pareció resolverse primero cuando Thomas Young en su experimento de la doble rendija demostró que la luz generaba patrones de interferencia al igual que las ondas. Además, a mediados del siglo XIX las ecuaciones de Maxwell, que lograron unificar los fenómenos eléctricos y magnéticos en un único fenómeno electromagnético, demostraban que los campos eléctricos y magnéticas podían comportarse como ondas que se propagaban por el vacío y que viajaban a la misma velocidad a la que viajaba la luz. Llegados a este punto no cabía la menor duda de que la luz era una onda electromagnética y que la teoría ondulatoria de la luz de Huygens era correcta.

Esta visión tuvo un giro repentino al llegar el siglo XX. Uno de los problemas que no se habían resuelto hasta el momento era el cómo los objetos emitían radiación electromagnética en función de su temperatura. Para ello se propuso un objeto llamado “cuerpo negro” cuyo espectro electromagnético era producto exclusivamente de su temperatura. Sin embargo, cuando se intentó aplicar la teoría conocida a este fenómeno, esta falló repentinamente. Este episodio se conoce como “La Catástrofe Ultravioleta”.

En 1900 un físico alemán llamado Max Planck ideó una forma de resolver este problema y ajustar la teoría con los datos experimentales. Planck supuso que la radiación del cuerpo negro no se emitía de forma continua, si no que más bien se emitía de forma discreta en pequeños paquetes de energía a los que llamó “cuantos”. Esto marcó el inicio de la Mecánica Cuántica. A pesar de que la hipótesis de Planck se ajustaba perfectamente a los datos experimentales, su propuesta no fue bien recibida por la comunidad científica e incluso el mismo Planck declaró que sólo se trataba de un truco matemático y que no tenía ningún significado físico.

Uno de los científicos que aceptó la propuesta de Planck fue el físico alemán Albert Einstein, quién utilizó esto para resolver el problema del “Efecto Fotoeléctrico”. El efecto fotoeléctrico fue descrito por primera vez en 1887 por el físico alemán Heinrich Hertz. Cuando una placa metálica es irradiada con luz, precisamente con luz ultravioleta, se puede medir una corriente eléctrica que proviene de dicha placa. Durante años este fenómeno no pudo ser explicado, particularmente no se lograba encontrar una relación entre la intensidad de la luz irradiada y la corriente eléctrica generada.

Einstein asumió que la luz incidente podía verse no como frentes de onda que interactuaban con la placa, si no como pequeños cuantos de luz. De manera similar a lo que propuso Planck. Los cuantos de luz tenían una energía discreta cuya magnitud era:

E = hν

Donde h es la constante de Planck y tiene un valor de h ≈ 6.626×10^(-34) J ⋅ s, y ν es la frecuencia de la luz incidente. De esta manera podemos darnos cuenta que la energía irradiada depende exclusivamente de la frecuencia de la luz y no de su intensidad.

Los fotones al interactuar con los electrones de las capas externas de los átomos que componen el metal les ceden su energía. Si la energía es la suficiente como para arrancar estos electrones de sus orbitales se genera una corriente eléctrica. Einstein observó que la energía cinética de los electrones libres tenía que ser:

K_e = hν – ϕ

Donde K_e es la energía cinética del electrón y ϕ se conoce como “Función de trabajo” y depende del metal en cuestión. Entre mayor sea la función de trabajo, mayor tiene que ser la energía de los fotones para lograr el efecto fotoeléctrico. Einstein fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1921 por este trabajo.

A pesar de que Einstein trató a la luz como pequeños cuantos de energía, el término “fotón” fue acuñado realmente por el químico estadounidense Gilbert Lewis en 1926. Desde este momento, el concepto de “fotón” como partícula de luz se quedó en la comunidad científica. Futuros avances de la mecánica cuántica concluyeron que la luz tenía una naturaleza dual, comportándose como ondas electromagnéticas y como fotones al mismo tiempo.

El desarrollo de la Electrodinámica Cuántica y la Teoría Cuántica de Campos trajo a la luz el papel que juegan los fotones como las partículas portadoras de la interacción electromagnética. De esta manera, podemos ver los fenómenos electromagnéticos como intercambios de fotones.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Art. actualizado: Septiembre 2023; sobre el original de marzo, 2011.

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