Esas maravillosas partículas – 6/22 – El fotón

Antes de continuar la serie Esas maravillosas partículas, a sugerencia vuestra, vamos a pararnos un momento y recapitular. ¿Qué partículas hemos estudiado hasta ahora? Geli ha hecho un pequeño diagrama (yo hubiera dibujado algo triste como los monigotes de Ana y Alberto, así que mejor que lo haya hecho ella) para no perderse en las procelosas aguas de las partículas subatómicas. Ampliará el diagrama según yo añada partículas a la serie, y lo publicaremos actualizado en cada entrada:

En primer lugar, todas las que hemos descrito eran fermiones, es decir, partículas con espín semientero, lo cual significa que no puede haber dos en el mismo estado cuántico. Los fermiones son los constituyentes de la materia, de modo que todo lo que hemos estudiado hasta ahora son partículas “materiales”.

Empezamos la serie con un leptón, el electrón, que es una partícula fundamental, y su antipartícula, el positrón. Recuerda que los leptones son aquellos fermiones que no experimentan la fuerza nuclear fuerte y, por lo tanto, no están presentes en el núcleo de los átomos.

Además del electrón, hemos estudiado otra partícula elemental - el quark (en sus varios “sabores”). Los quarks sí experimentan la fuerza nuclear fuerte y, por lo tanto, las partículas hechas de quarks sí pueden estar en los núcleos atómicos. Recuerda que los quarks no pueden estar solos más que unos instantes: se encuentran asociados formando partículas compuestas llamadas hadrones. Pueden estar en grupos de dos (bosones llamados mesones) y de tres (fermionesllamados bariones).

En la serie hemos hablado de dos de estos bariones (grupos de tres quarks): el protón, que tiene carga positiva, y el neutrón, que tiene carga neutra. Estas dos partículas forman el núcleo de los átomos y por lo tanto se denominan nucleones.

Hoy vamos a hablar de otra partícula elemental (no compuesta, que sepamos, de otras partículas más simples): el fotón.

El nombre de “fotón” es unos veinte años posterior a la predicción teórica de la existencia de esta partícula, propuesta por Albert Einstein en 1905.

A finales del siglo XIX, las Ecuaciones de Maxwell explicaban de una manera extraordinariamente elegante y coherente todos los fenómenos eléctricos, magnéticos y de radiación electromagnética… casi perfectamente.

De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, la luz (por cierto, a lo largo de este artículo voy a emplear “luz” en vez de “radiación electromagnética” aunque no sea sólo luz visible; es más corto) era una onda. Esto concordaba con diversos experimentos anteriores, como la existencia de interferencia y difracción demostradas por Young y otros. La energía que llevaba, por ejemplo, un rayo luminoso, era dependiente de su intensidad. Es decir, si yo tengo una linterna con una bombilla poco potente y otra con una bombilla más potente, la energía de la segunda es mayor que la de la primera y eso es lo único que determina los procesos involucrados con la luz.

Sin embargo, había cosas que no encajaban. Esas cosas llevarían al desarrollo de la Física Cuántica, pero no vamos a ir por ahí en esta entrada porque no es su propósito. Centrémonos en un experimento concreto: el efecto fotoeléctrico. Se sabía ya en aquel momento que, si se tiene una pieza de cierto metal y se ilumina, a veces la luz arranca electrones del metal (produce electricidad a partir de luz, de ahí el nombre del efecto).

Lo lógico sería que, si tengo un trozo de metal y lo ilumino con una linterna y observo que no pasa nada, pueda hacer que sí que se produzca el efecto añadiendo energía: con una linterna más potente. Sin embargo, esto que parece tan lógico no ocurre. Y el hecho de que no ocurriera, que por potente que fuera la bombilla, si no producía el efecto nunca jamás podría producirlo, era algo que perturbaba a los físicos de la época profundamente.

Los científicos observaban algo que no podían explicar: si se ilumina el metal con una luz (por ejemplo) roja y no se produce el efecto fotoeléctrico, aunque multiplique la potencia de la bombilla por un millón, del metal no sale ni un solo electrón. Pero si, por ejemplo, con una bombilla de luz azul sí que se arrancan electrones, por muy poco potente que sea la bombilla siguen saliendo electrones: cuanto menos potente es la bombilla, menos electrones salen, pero salen.

Einstein dio una explicación muy elegante y sencilla, ampliando la idea de Planck de la cuantización de la energía: la luz, según Einstein, estaba formada por partículas puntuales llamadas “cuantos de luz”. Estas partículas tenían una determinada energía que dependía únicamente de la frecuencia de la luz (cuanto mayor frecuencia, mayor energía de cada cuanto), de modo que los cuantos de luz azul tenían más energía que los de luz roja. Cuando una bombilla es muy potente, es porque emite muchos cuantos luminosos, pero la energía de cada uno sigue siendo la que corresponde al color - de ahí que el efecto fotoeléctrico no dependa de la potencia de la bombilla sino del color de la luz.

De modo que si una bombilla de luz roja no produce efecto fotoeléctrico es porque cada cuanto luminoso no tiene suficiente energía: por mucha potencia que tenga (por muchos cuantos que transporte), como cada uno choca con un electrón y no tiene suficiente energía, no pasa nada. Sin embargo, si la linterna es de luz azul y sí produce el efecto, aunque tenga poca potencia, los pocos cuantos luminosos que hay arrancan, cada uno, un electrón. Visto así, todo encaja.

Esta explicación de los “cuantos de luz”, escrita por cierto el mismo año que su artículo sobre el Movimiento Browniano, y también su Teoría de la Relatividad Especial (¡menudo año!), valió a Einstein el Premio Nobel de Física en 1921, e impulsó el desarrollo de la física cuántica que tanto disgustaría al genial físico. En 1926 se adoptó para la partícula el nombre de “fotón”, propuesto por Gilbert N. Lewis y que viene del griego “luz”, combinado con la terminación -on que se había usado para el electrón: de modo que un fotón es una “partícula de luz”.

Esto no quiere decir que todo estuviera claro - considerando la luz como compuesta de partículas, y no como una onda, se explicaban muy bien cosas como el efecto fotoeléctrico…¿pero y la difracción? Eso sólo podía ser explicado si la luz es una onda, no partículas. ¿Entonces? La solución estaría más adelante, en la física cuántica y la dualidad onda-corpúsculo de la luz, de la que hablaremos en algún otro momento.

El fotón, dentro del Modelo Estándar de partículas, es un bosón - es decir, tiene espín entero (en el caso del fotón, 1), lo cual quiere decir que no es un constituyente de la materia, sino un intermediario de las interacciones entre partículas. Además, los fotones, al ser bosones, pueden estar en el mismo estado cuántico, lo cual significa que puede haber muchos fotones “haciendo exactamente lo mismo”. De ahí que se pueda tener un láser de fotones, pero no un láser de, por ejemplo, electrones.

Además, el fotón tiene otras características que lo hacen muy interesante: no tiene carga eléctrica, de modo que no siente la fuerza electromagnética. No tiene masa, por lo que durante cierto tiempo se pensó que no sentía la fuerza gravitatoria (la Teoría de la Relatividad General de Einstein cambió eso, y hoy sabemos que sí la siente, de ahí la existencia de los agujeros negros).

Si no tiene ni carga ni masa, realmente, ¿qué hay en un fotón? Dicho rápido y mal: energía y momento de determinadas características. Un fotón lleva energía, que puede transmitir a un átomo, por ejemplo, al chocar con él. Cuando la luz del Sol calienta tu cuerpo, lo que ocurre es que los fotones que llegan hasta ti hacen vibrar tus átomos más rápido, calentándolos.

Además, un fotón tiene momento lineal, es decir, es capaz de empujar cosas - esto se puede comprobar con relativa facilidad (por ejemplo, mediante experimentos del Efecto Compton) y, de hecho, algunos diseños de naves espaciales utilizan “velas” empujadas por un láser. Pero, además de energía y momento, un fotón representa cierto orden - dos fotones de frecuencias (“colores”) diferentes no tienen la misma energía ni el mismo momento, de modo que puedes tener una cantidad de energía (o momento) determinada con pocos fotones de gran frecuencia, o con muchos fotones de poca frecuencia.

Además de ser los componentes de la radiación electromagnética (la luz visible, las ondas de radio, las microondas, los rayos X, los rayos gamma, etc.), los fotones son los responsables de la interacción electromagnética: de acuerdo con la teoría cuántica, siempre que dos partículas interaccionan debido a la fuerza eléctrica o la magnética, intercambian fotones. Por lo tanto, sabemos que si tenemos dos cargas en el espacio y se repelen, no lo hacen instantáneamente. Los fotones responsables de la repulsión tienen que viajar de una carga a la otra a la velocidad de la luz.

Los fotones viajan siempre, en el vacío, a la velocidad de la luz (¡de ahí el nombre de la velocidad!). Si recuerdas los artículos sobre la Relatividad sin fórmulas, esto hace que, si tú fueras un fotón (échale imaginación), el Universo sería muy, muy raro…En primer lugar, el tiempo no pasa para ellos, literalmente. El tiempo subjetivo que experimentarías desde ser emitido por un átomo hasta ser absorbido por otro, aunque estuviera a cien millones de años-luz del primero, sería 0. La distancia que recorrerías entre los dos átomos medida por ti mismo, debido a la contracción de la longitud, sería exactamente…0. Para ti, el Universo sería algo que no podrías experimentar, y para los demás, si te viéramos “desde fuera”, estarías “congelado” durante toda tu existencia: un fotón no puede experimentar ningún cambio desde que se emite hasta que desaparece de nuevo.

Otro efecto interesante de los fotones es que, a pesar de no tener masa, sí modifican la masa de un sistema que los emite o los absorbe: una vez más, de acuerdo con Einstein, la equivalencia entre masa y energía hace que, si emites un fotón, pierdas algo de masa (la energía del fotón emitido proviene de esa pérdida de masa), y al revés. Por supuesto, la pérdida o ganancia de masa es minúscula y, cuando el Sol te calienta, no notas que peses más.

De manera que el fotón, que es el bosón más famoso, es el constituyente de la radiación electromagnética y es el intermediario de la interacción eléctromagnética. Algunos tienen vidas muy largas (medidas “desde fuera”, claro), por ejemplo, los emitidos por una estrella que viajan durante miles de millones de años por el espacio. Otros, como los que está emitiendo tu cuerpo ahora mismo por el hecho de tener temperatura (fotones infrarrojos) tienen vidas muy cortas: si la pared de la habitación en la que estás está a un par de metros de ti, sólo tardan unos 0,00000001 segundos en desaparecer de nuevo.

Por cierto, en la entrada del neutrón hablamos de lo peligrosos que eran los neutrones libres - los fotones también pueden serlo. Los fotones infrarrojos ya pueden ser muy dañinos si la intensidad es grande, pues pueden quemarte (cuando notas el calor en la cara mirando una chimenea de frente, estás notando fotones infrarrojos), lo mismo que los de microondas. Pero llega un momento en el que un fotón tiene tanta energía que no hace falta una gran intensidad para dañarte: a partir de los fotones ultravioletas, cada fotón tiene tanta energía que puede “descolocar” los ácidos nucleicos de tu ADN, provocando un cáncer. Ése es uno de los peligros de la radiación gamma (que tiene aún más energía que los rayos X, que también pueden provocar cáncer).

Pero, duraderos o efímeros, peligrosos o inocuos, gran parte de los cambios en el Universo se deben a ellos - piensa que todas las reacciones químicas se deben a interacciones eléctricas (es decir, intercambio de fotones). Lo mismo con las fuerzas que hacen que andes, que empujes las teclas del ordenador, que los electrones se muevan por el cable, que puedas respirar (reacción química), que pienses…¡fotones por todas partes! Sin embargo, como un fotón típico de luz visible tiene unos 0,0000000000000000001 Julios, no somos conscientes de que están ahí como partículas individuales.

Si recuerdas, cuando hablamos del neutrón dijimos que un neutrón libre se desintegra al cabo de unos 15 minutos en un protón, un electrón y un antineutrino. Hablemos entonces de la tercera partícula, relativamente famosa pero, al mismo tiempo, misteriosa - en la próxima entrada, el neutrino.

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Pedro Gómez-Esteban González. (2009). El Tamiz. Recuperado de: https://eltamiz.com