¿Qué es un fotón? – Definición, energía y longitud de onda

Definición de un fotón

Un fotón es el cuanto de radiación electromagnética. El término cuanto es la unidad elemental más pequeña de una cantidad, o la cantidad discreta más pequeña de algo. Por lo tanto, un cuanto de energía electromagnética se llama fotón. El plural de cuanto es cuantos.

El concepto de fotones y cuantos proviene de la mecánica cuántica y la teoría cuántica. La mecánica cuántica es un modelo matemático que describe el comportamiento de las partículas a escala atómica y subatómica. Demuestra que la materia y la energía están cuantificadas, o vienen en pequeños paquetes discretos, en las escalas más pequeñas imaginables. Un fotón se propaga a la velocidad de la luz.

Un fotón describe las propiedades de las partículas de una onda electromagnética en lugar de la propia onda general. En otras palabras, podemos imaginar una onda electromagnética como formada por partículas individuales llamadas fotones. Ambas representaciones son puntos de vista correctos y recíprocos de ondas electromagnéticas. Por ejemplo, la luz exhibe propiedades de onda en condiciones de refracción o interferencia. Las propiedades de las partículas se exhiben en condiciones de emisión o absorción de luz.

Energía

La idea de la mecánica cuántica y los fotones se originó a partir de las observaciones de los científicos del efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico se produce cuando la luz que incide sobre una superficie metálica hace que se expulsen electrones del metal. Los científicos no pudieron explicar este fenómeno, pero finalmente la explicación provino de la teoría cuántica.

Lo que encontraron fue que la energía en cada cuanto de luz depende de la frecuencia de la luz. En particular, la energía de un fotón es igual a la constante de Planck multiplicada por la frecuencia de la radiación. Matemáticamente, esto viene dado por la ecuación E = hf . La constante de Planck es la constante fundamental de la teoría cuántica que determina la escala del mundo a pequeña escala. Constante de Planck = 6,63 * 10 -34 julios por segundo (Js). La energía total en una onda electromagnética es la suma de las energías de cada fotón en la onda.

La energía de un fotón es tan pequeña que normalmente la medimos en electronvoltios (eV). Un eV es la energía potencial de cada electrón en una batería de 1 voltio. Un eV es igual a 1,6 * 10-19 julios (J). Por lo tanto, necesitamos convertir la constante de Planck a las unidades apropiadas, que son electronvoltios / hercios (eV / Hz). En eV / Hz, la constante de Planck es 4,136 * 10 -15 eV / Hz.

Longitud de onda

La longitud de onda de un fotón es la misma que la longitud de onda de la onda electromagnética de la que forma parte. Esta imagen muestra la longitud de onda del espectro electromagnético.

Cuanto menor sea la longitud de onda, más energía fotónica. Por tanto, un fotón de rayos X tiene mucha más energía que el de la luz visible. Es por eso que demasiados rayos X son dañinos para el cuerpo humano. Tenga en cuenta que, dado que las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz, la frecuencia y la longitud de onda de las ondas electromagnéticas están relacionadas por longitud de onda = velocidad de la luz / frecuencia.

Cálculo de la energía de los fotones

Ahora exploraremos un ejemplo de cómo calcular la energía de los fotones utilizando luz roja. La frecuencia de la luz roja es 4,3 * 10 14 Hz. Por lo tanto, tenemos E = (4,136 x 10 -15 eV / Hz) (4.3 * 10 14 Hz) = 1,78 eV. Seguimos procedimientos similares para calcular la energía de los fotones mediante la sustitución de la frecuencia de radiación apropiada de la onda electromagnética.

Resumen de la lección

Un fotón es el cuanto de radiación electromagnética que describe las propiedades de las partículas de una onda electromagnética. La energía de un fotón viene dada por la ecuación E = hf , donde E es energía, h es la constante de Planck y f es la frecuencia. Esta ecuación nos dice que a medida que aumenta la frecuencia de la radiación (la longitud de onda disminuye), aumenta la energía del fotón. La longitud de onda de un fotón depende de la frecuencia de radiación de la onda electromagnética y viene dada por la relación longitud de onda = velocidad de la luz / frecuencia.

Los resultados del aprendizaje

Esta lección debería enseñarle a:

• Definir protón, cuanto, constante de Planck y electronvoltio.
• Recuerda la ecuación de la energía de un fotón.
• Calcular la energía de un fotón
• Recuerde la relación entre la frecuencia y la longitud de onda de las ondas electromagnéticas.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador