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O que é um fóton?

Um fóton é o quantum de energia na forma de radiação eletromagnética emitida ou absorvida pela matéria.

O que é um fóton?

O fóton é um tipo de partícula elementar. De acordo com os princípios da física quântica, é o quantum do campo eletromagnético. É a partícula transportadora de todas as formas de radiação eletromagnética, incluindo:

  • Raios gama.
  • Raios-X.
  • Luz ultravioleta.
  • Luz visível.
  • Luz infravermelha.
  • Microondas.
  • Ondas de rádio.

Os fótons têm massa zero em repouso. Eles sempre se movem à velocidade da luz no vácuo.

O fóton tem rotação igual a 1 e, portanto, é um bóson; Como sua massa em repouso é nula, o helicóptero do fóton pode ser apenas 1 ou -1, mas não 0.

O fóton é representado pelo símbolo γ.

O fóton é uma onda ou uma partícula?

Como todas as partículas elementares, os fótons são explicados pela mecânica quântica. No entanto, eles exibem dualidade onda-partícula, exibindo simultaneamente propriedades de onda e partícula.

Ele se comporta como uma onda em fenômenos como a refração que ocorre em uma lente ou no cancelamento por interferência destrutiva das ondas refletidas; no entanto, ele se comporta como uma partícula quando interage com a matéria para transferir uma quantidade fixa de energia. Essa energia é inversamente proporcional ao comprimento de onda.

Por exemplo, uma lente pode refratar um único fóton e, no processo, interferir consigo mesma como uma onda. Ou pode atuar como uma partícula que possui uma posição definida e uma quantidade mensurável de movimento.

Observação

As propriedades de onda e quantum do fóton são dois aspectos observáveis ​​do mesmo fenômeno.

Sua natureza não pode ser descrita em termos de qualquer modelo mecânico. Portanto, a representação dessa dupla propriedade da luz, que pressupõe que a energia esteja concentrada em certos pontos da frente de onda, também é impossível.

Os quanta em uma onda de luz não podem ser localizados no espaço; alguns parâmetros físicos definidos do fóton são anotados.

O fóton na física de partículas

No modelo padrão da física de partículas, os fótons e outras partículas elementares são descritos como uma conseqüência necessária do fato de que as leis da física têm uma certa simetria no espaço-tempo. As propriedades intrínsecas das partículas, como carga elétrica, massa e rotação, são determinadas pelas propriedades dessa simetria do medidor.

O conceito de fóton levou a avanços de longo alcance na física teórica e experimental. Por exemplo:

  • Lasers
  • O condensado de Bose-Einstein
  • Teoria quântica de campos
  • A interpretação probabilística da mecânica quântica.

Foi aplicado em fotoquímica, em microscopia de alta resolução e na medição de distâncias moleculares. Recentemente, os fótons foram estudados como um elemento dos computadores quânticos e para suas aplicações em imagens ópticas e comunicação óptica, como criptografia quântica.

Propriedades de um próton

Um fóton não tem massa, não possui carga elétrica e é uma partícula estável.

No vácuo, um fóton possui dois estados de polarização possíveis. O fóton é o bóson de medida do eletromagnetismo. Portanto, todos os outros números quânticos no fóton (como o número de leptons, o número de bárions e o número quântico de sabor) são zero. Além disso, o fóton não obedece ao princípio de exclusão de Pauli, mas sim às estatísticas de Bose-Einstein.

Os fótons são emitidos em muitos processos naturais. Por exemplo:

  • Quando uma carga acelera, emite radiação síncrotron.
  • Durante uma transição molecular, atômica ou nuclear para um nível de energia mais baixo, serão emitidos fótons de várias energias, variando de ondas de rádio a raios gama.
  • Quando uma partícula e sua antipartícula correspondente são aniquiladas (por exemplo, aniquilação elétron-pósitron).
    Composição:Partícula elementar
    InteraçõesEletromagnético, Fraco, Gravidade
    Símboloc
    TeorizadoAlbert Einstein (1905)
    O nome "fóton" é geralmente atribuído a Gilbert N. Lewis (1926)
    Masa0
    <1 × 10  −18   eV / c  2
    Vida médiaEstável
    Carga elétrica0 <1 × 10  −35   e 
    Spin1
    Paridade−1
    Paridade C−1

    Para que são utilizados os fótons?

    Os fótons têm muitas aplicações em tecnologia. Por exemplo, o laser.

    O laser é uma aplicação extremamente importante.

    Fótons individuais podem ser detectados por vários métodos. O tubo fotomultiplicador clássico explora o efeito fotoelétrico: um fóton de energia suficiente atinge uma placa de metal e libera um elétron, iniciando uma inundação cada vez maior de elétrons.

    Salgadinhos

    Os chips de dispositivos acoplados à carga de semicondutores usam um efeito semelhante: um fóton incidente gera uma carga em um capacitor microscópico que pode ser detectado. Outros detectores, como os contadores Geiger, usam a capacidade dos fótons para ionizar as moléculas de gás contidas no dispositivo, causando uma mudança detectável na condutividade do gás.

    Engenharia e Química

    Engenheiros e químicos costumam usá-lo no design. Eles são usados ​​para calcular a mudança de energia resultante da absorção de fótons e para determinar a frequência da luz emitida por uma determinada emissão de fótons.

    Por exemplo, o espectro de emissão de uma lâmpada de descarga de gás pode ser alterado preenchendo-a com (misturas de) gases com diferentes configurações de nível de energia eletrônica.

    Sob algumas condições, uma "transição energética" pode ser excitada por "dois" fótons que individualmente seriam insuficientes. Isso permite uma microscopia de resolução mais alta, porque a amostra absorve energia apenas no espectro, onde dois feixes de cores diferentes se sobrepõem significativamente, o que pode ser muito menor que o volume de excitação de um único feixe (consulte duas microscopia de excitação). fótons). Além disso, esses fótons causam menos danos à amostra, pois são de menor energia.

    Biologia molecular

    Em alguns casos, duas transições de energia podem ser acopladas, de modo que, como um sistema absorve um fóton, outro sistema próximo "rouba" sua energia e reemite um fóton de frequência diferente. Essa é a base da transferência de energia por ressonância de fluorescência, uma técnica usada em biologia molecular para estudar a interação de proteínas adequadas.

    Geração de números aleatórios

    Vários tipos diferentes de geradores de números aleatórios de hardware envolvem a detecção de fótons individuais.

    Em um exemplo, para cada bit na sequência aleatória a ser produzida, um fóton é enviado para um divisor de feixe. Em tal situação, existem dois resultados possíveis de igual probabilidade. O resultado real é usado para determinar se o próximo bit na sequência é "0" ou "1".

    Quando o conceito de fóton apareceu pela primeira vez?

    Na maioria das teorias até os séculos XVII e XVIII, a luz era considerada composta de partículas. O fato de os modelos de partículas não poderem explicar fenômenos como difração, refração ou birrefringência da luz levou René Descartes, Robert Hooke e Christian Huygens a propor teorias de ondas para a luz. No entanto, os modelos de partículas permaneceram em vigor, principalmente devido à influência de Isaac Newton.

    Albert Einstein

    O conceito moderno do fóton foi gradualmente desenvolvido por Albert Einstein no início do século XX. Este conceito foi usado para explicar observações experimentais que não concordavam com o modelo clássico de luz como uma onda eletromagnética.

    O modelo de fótons se enquadrava no fato de que a energia da luz dependia de sua frequência. Explicou a capacidade da matéria e da radiação eletromagnética estarem em equilíbrio térmico. Além disso, o modelo de fótons também explicou certas observações anômalas, como a radiação do corpo negro, que outros físicos tentaram explicar usando modelos semi-clássicos. Por exemplo, Max Planck.

    Modelo de Planck

    No modelo de Planck, a luz era descrita pelas equações de Maxwell, mas objetos materiais que emitiam e absorviam luz o faziam em pacotes discretos de energia. Embora esses modelos semi-clássicos tenham contribuído para o desenvolvimento da mecânica quântica, vários experimentos subsequentes validam a hipótese de Einstein de que a própria luz é quantizada. Começando com o efeito Compton.

    Aceitação do termo

    Em 1926, o físico óptico Frithiof Wolfers e o químico Gilbert N. Lewis cunharam o termo "fóton" para essas partículas.

    Depois que Arthur H. Compton ganhou o Prêmio Nobel em 1927 por seus estudos de dispersão, a maioria dos cientistas aceitou que os quanta da luz tivessem uma existência independente e o nome do fóton fosse aceito por esses quanta.

    Como os fótons estão relacionados à energia solar fotovoltaica?

    A energia solar fotovoltaica consiste em converter a radiação solar em eletricidade. A radiação solar viaja do sol para a terra através dos fótons.

    Alguns dos fótons atingem a primeira superfície do painel solar. Eles penetram nele. Os materiais semicondutores das placas fotovoltaicas os absorvem.

    Os fótons atingem os elétrons presentes nos átomos dos semicondutores. Dessa maneira, os elétrons são liberados de seus átomos. Elétrons livres podem viajar através de um condutor e gerar uma corrente elétrica. É eletricidade.

      Autor:

      Data de publicação: 13 de maio de 2015
      Última revisão: 1 de maio de 2020