Otras carreras El fotón y energía

[Pola]

Buenos días.

He estado mirando en qué foro debía poner esta duda que tengo y la verdad es que no tengo idea de cuál es el lugar adecuado. Así que en primer lugar, mis disculpas por si estoy fuera de sitio, pero es que no sabía donde ir.

Estaba pensando lo siguiente: el fotón no tiene masa inercial. Sería igual a mc2 y como su masa en reposo es cero, pues no tiene.

Tampoco puede tener energía cinética, porque sería igual a un medio de su masa por la velocidad de la luz al cuadrado. Estamos en las mismas. Como su masa es cero, el resultado sería igual a cero.

Así que pienso que el fotón no tiene energía cinética.

Y me pregunto dos cosas:

1. ¿Qué tipo de energía transmite o transporta un fotón?

2. ¿Cómo una partícula sin masa puede hacerlo?

[Lorentz]

Buenas noches Pola,

Esta pregunta que te haces es una que la mayoría de gente que intenta entender la Física se plantea en algún momento. Y es una muy buena pregunta! Mira, resulta que en relatividad especial la energía adquiere la forma:

$\dst E^2=m^2 c^4 + p^2 c^2$

Cuando se habla de $\dst E=m c^2$ nos referimos a un objeto con masa que está en reposo, de modo que tiene esa energía simplemente por existir. Pero como bien dices un fotón no tiene masa. ¿Entonces qué pasa? El fotón sí que tiene momento y es de la forma $\dst p = h/\lambda$ donde $\lambda$ es la longitud de onda asociada a la partícula.

Entonces si una partícula no tiene masa la ecuación de arriba del todo queda:

$\dst E=p c$

Y sustituyendo la expresión del momento, vemos que la energía asociada al fotón es:

$\dst E=\frac{h c}{\lambda}$

Esto de hecho es el motivo por el cuál a veces puedes ver escrita la energía en unidades de $cm^{-1}$, ya que:


$\dst h c \approx1240 eV nm$

Y si reordenas puedes ver que:

$\dst 1 eV/(hc) \approx 8066 cm^{-1}$

Por abuso de notación y pereza la mayoría de físicos omite el hecho de que esté dividiéndose por $hc$ y eso puede llevar a confusiones a quien esté aprendiendo. Y ese es uno de los grandes problemas de las unidades naturales y por lo que no estoy de acuerdo con su uso... pero estoy desvariando ya.

Espero que te haya quedado claro. El fotón está en movimiento, de hecho sólo puede ir a la velocidad de la luz, así que tiene que tener energía asociada y esa energía es proporcional al inverso de su longitud de onda.

Un saludo

[Pola]

Gracias, Lorentz.
Y los fotones siempre tienen la misma energía?

[Lorentz]

De hecho no, tal y como se ve aquí $\dst E = \frac{hc}{\lambda}$ su energía depende sólo de su longitud de onda (o alternativamente su frecuencia). Esto explica que la radiación gamma sea tan energética y en cambio la infrarroja tenga menos energía.

[Pola]

Claro. Había pensado justo eso. Porque he recordado que ya me habían contestado a ésta pregunta en otro hilo.
Gracias de nuevo, Lorentz.
Y buen verano

[Lorentz]

No hay de qué, me alegro de que te haya ayudado a entenderlo mejor!
Buen verano a ti también

[Julián]

Cuando se habla de nos referimos a un objeto con masa que está en reposo, de modo que tiene esa energía simplemente por existir. Pero como bien dices un fotón no tiene masa. ¿Entonces qué pasa? El fotón sí que tiene momento y es de la forma donde es la longitud de onda asociada a la partícula.

Eso es una simplificación que lo que hace es más confundir que otra cosa. La masa en reposo surge de los constituyentes de la partícula, no por existir. Ejemplo un electrón está conformado por 2 campos, el campo electrón con quiralidad derecha y el campo del electrón con quiralidad izquierda. Estos campos no tienen masa, pero la masa surge cuando estos campos interaccionan con el campo de higgs y cambian de quiralidad, el derecho pasa a ser izquierdo y viceversa. Esto es un cambio y se da con una frecuencia, por lo tanto, tiempo. Es decir, el sistema tiene un tiempo propio!

Aun más evidente es en los hadrones, donde lo que más consituye a la masa es el cambio de color de los quarks y gluones, esa interacción es un cambio, con una frecuencia y por lo tanto hay un tiempo propio.

El fotón no tiene masa porque no tiene tiempo propio, por eso se dice coloquialmente que el fotón internamente no ""experimetna"" el tiempo, porque no hay nada interno que cambie. El fotón tiene polarización, circular derecha o circular izquierda. Y nunca cambia de polarización. Si hubiera un mecanismo que generara que el fotón durante su trayecto valla cambiando de polarización, ejemplo circular izquierda -> circular derecha -> circular izquierda -> ... ese cambio se daría con una frecuencia y tendría un tiempo propio