Il fotone è il quanto di energia della radiazione elettromagnetica. Chiamato in origine quanto di luce, fu introdotto nel 1905 da Albert Einstein, il quale comprese che in un'onda elettromagnetica l'energia è distribuita in pacchetti discreti e indivisibili secondo la formula , dove h è la costante di Planck ed f è la frequenza.
Secondo la teoria quantistica dei campi, il fotone è la particella associata al campo elettromagnetico, classificata come bosone vettore elementare di massa nulla (bosone di gauge). È solitamente indicato con la lettera greca gamma (γ).
Origine del termine Il termine "fotone", coniato dal chimico-fisico statunitense Gilbert N. Lewis nel 1926, deriva dal nome greco φῶς (phòs),Forma derivante da φάος (fàos) per contrazione. di genere neutro e il cui genitivo è φωτός (photòs), che significa luce; poi alla radice fot- si aggiunse il suffisso -on (-one in italiano) per uniformità con i nomi di altre particelle subatomiche come l'elettrone e il protone. Il termine fotone, apparso in precedenza in altri contesti, come quello della fisiologia della visione, fu usato dal fisico ottico Frithiof Wolfers a Parigi nel luglio 1926, ma con diverso significato;Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences, t. 183, juillet-décembre 1926, pp. 276-277 Une action probable de la matière sur les quanta de radiation pochi mesi dopo fu riutilizzato da Lewis con significato ancora diverso, e poi ripreso nel 1928 dal fisico Arthur Compton con il significato attuale, dopodiché venne subito adottato da molti fisici, divenendo definitivo.
Introduzione
Il concetto di fotone è stato introdotto nell'ambito della fisica quantistica per spiegare le contraddizioni emerse fra l'elettromagnetismo classico e gli esperimenti condotti a cavallo fra la fine del XIX secolo e il XX secolo. Secondo la teoria classica sviluppata da Maxwell, la luce, le onde radio e i raggi UV sono tutte radiazioni elettromagnetiche, cioè campi elettrici e magnetici che si propagano nella materia e nel vuoto seguendo una dinamica ondulatoria. Il fotone fu introdotto come costituente elementare di queste radiazioni da Max Planck e Albert Einstein fra il 1900 e il 1905, come entità non ulteriormente divisibile. Classicamente, ogni onda, secondo il principio di sovrapposizione, può essere sempre scomposta come la somma o il contributo di altre due o più onde. Al contrario la meccanica quantistica postula per le onde elettromagnetiche, in accordo con gli esperimenti, l'esistenza di un "quanto" di energia fondamentale indivisibile, che ha quindi proprietà sia ondulatorie che particellari (fenomeno noto come dualismo onda-particella).
Dal punto di vista particellare, il fotone ha massa nulla e non trasporta alcuna carica elettrica. Il suo momento angolare intrinseco, lo spin, può assumere solo i due valori di (in unità di ) che corrispondono ai diversi stati classici di polarizzazione. Nel vuoto, i fotoni si propagano sempre alla velocità della luce (non esistendo alcun osservatore rispetto al quale sono fermi) e il loro raggio d'azione è illimitato. Questo significa che un fotone può continuare a viaggiare nello spazio-tempo indefinitamente senza alcun limite, finché non viene assorbito da un'altra particella. Per questo motivo, è possibile tuttora rilevare i fotoni emessi nelle prime fasi di vita dell'universo, che formano la radiazione cosmica di fondo.
Dal punto di vista ondulatorio, un fotone ha una sua frequenza di vibrazione e una sua lunghezza d'onda. Il prodotto della frequenza con la lunghezza d'onda è pari alla velocità di propagazione dell'onda, in questo caso della luce:
quindi all'aumentare della frequenza diminuisce la lunghezza d'onda. Ad esempio un fotone che costituisce la luce verde ha una frequenza di 600 THz e quindi una lunghezza d'onda pari a:
che corrisponde alla dimensione di alcuni batteri o circa un centesimo dello spessore di un capello. I fotoni inoltre trasportano un'energia proporzionale alla frequenza :
dove è la costante di Planck, contrariamente alle onde classiche dove l'energia è proporzionale al quadrato dell'ampiezza. I fotoni costituiscono tutte le radiazioni dello spettro elettromagnetico (e non solo quelli della radiazione visibile). Ad alte frequenze quindi, come nei raggi gamma, i fotoni trasportano grandi quantità di energia e sono pericolosi per l'uomo in quanto in grado di danneggiare la struttura molecolare del DNA. A basse frequenze invece le energie trasportate si riducono considerevolmente, i fotoni si propagano senza essere ostacolati da oggetti di piccole dimensioni e di conseguenza le onde radio possono essere trasmesse a grandi distanze.
Una comune lampada da 100 W a luce rossa può emettere, trascurando la quantità di energia dispersa in calore, centinaia di trilioni di fotoni ogni secondo (dell'ordine di grandezza cioè di ). Questo significa che la luce è costituita da un numero enorme di fotoni che presi singolarmente trasportano quindi una quantità infinitesima di energia.
Il fotone ha avuto una rilevanza fondamentale nello sviluppo della meccanica quantistica, come nel campo dell'ottica, e ha importanti applicazioni in fotochimica, microscopia, trasferimento di energia per risonanza e comunicazioni ottiche come la crittografia quantistica.
Sviluppo storico
Fino al XVIII secolo molte teorie avevano introdotto un modello corpuscolare per la luce. Uno dei primi testi a presentare tale ipotesi è un compendio degli studi dello scienziato iracheno Alhazen, tradotto nel 1270 dal monaco polacco Vitellione, che sotto il titolo complessivo di De Aspectibus raccoglie insieme alcune opere, tra le quali il Libro dell'ottica, del 1021, conosciuto in Occidente col titolo di Prospettiva di Alhazen. Nel libro i raggi di luce vengono considerati dei flussi di particelle che "non hanno alcuna caratteristica sensibile tranne l'energia". Dal momento che il modello particellare non spiega fenomeni come la rifrazione, la diffrazione e la birifrangenza, René Descartes propone nel 1637 un modello ondulatorio, seguito da Robert Hooke nel 1665, e Christian Huygens nel 1678. La teoria corpuscolare rimane tuttavia dominante, principalmente a causa dell'influenza delle scoperte di Isaac Newton. Nei primi anni del XIX secolo, Thomas Young e Augustin-Jean Fresnel dimostrano definitivamente l'interferenza e la diffrazione della luce, confermando la solidità del modello ondulatorio, che nel 1850 era generalmente accettato. Nel 1865 le equazioni di Maxwell This article followed a presentation by Maxwell on 8 December 1864 to the Royal Society. pongono le fondamenta dell'elettromagnetismo, identificando la luce come radiazione elettromagnetica, e le successive scoperte di Heinrich Hertz ne danno un'ulteriore prova, facendo sembrare errato il modello particellare.
Le equazioni di Maxwell, tuttavia, non tengono conto di tutte le proprietà della luce: esse mostrano infatti la dipendenza dell'energia luminosa dall'intensità della radiazione, e non dalla frequenza, mentre alcuni esperimenti riguardanti la fotochimica mostrano che in alcuni casi l'intensità non contribuisce all'energia trasportata dall'onda, che dipende esclusivamente dalla frequenza. Anche le ricerche sul corpo nero, portate avanti da vari scienziati nella seconda metà del XIX secolo, in particolare Max Planck, evidenziano che l'energia che ogni sistema assorbe o emette è un multiplo intero di una grandezza fondamentale, il quanto dell'energia elettromagnetica.
Gli studi sull'effetto fotoelettrico effettuati all'inizio del Novecento da diversi scienziati, tra cui principalmente Albert Einstein, mostrarono infine che la separazione degli elettroni dal proprio atomo dipende esclusivamente dalla frequenza della radiazione dalla quale sono colpiti, Frequency-dependence of luminiscence p. 276f., photoelectric effect section 1.4 in e pertanto l'ipotesi di un'energia quantizzata diventò necessaria per descrivere gli scambi energetici tra luce e materia.
Il "quanto" fu introdotto come costituente elementare di queste radiazioni da Max Planck nel 1900, come entità non ulteriormente divisibile. Nell'ambito dei suoi studi sul corpo nero il fisico tedesco, ipotizzando che gli atomi scambino energia mediante "pacchetti finiti", formulò un modello in accordo con i dati sperimentali. In questo modo risolse il problema dell'emissione infinita nella radiazione del corpo nero (problema noto come "catastrofe ultravioletta"), che emergeva applicando le equazioni di Maxwell. La vera natura dei quanti di luce restò inizialmente un mistero: lo stesso Planck li introdusse non direttamente come entità fisiche reali ma piuttosto come espediente matematico per far quadrare i conti."La Fisica di Amaldi", vol. 3, elettromagnetismo, fisica atomica e subatomica, ed. Zanichelli, 2012, pagg. 408 e 416.
La teoria dei quanti di luce (Lichtquant) fu proposta anche da Albert Einstein nel 1905, a seguito dei suoi studi sull'effetto fotoelettrico, per spiegare l'emissione di elettroni dalla superficie di un metallo colpito da radiazione elettromagnetica, effetto che esibiva dati in disaccordo con la teoria ondulatoria di Maxwell. Einstein introdusse l'idea che non solo gli atomi emettono e assorbono energia in "pacchetti finiti", i quanti proposti da Max Planck, ma che è la stessa radiazione elettromagnetica ad essere costituita da quanti, ossia da quantità discrete di energia, poi denominati fotoni nel 1926. In altri termini, poiché la radiazione elettromagnetica è quantizzata, l'energia non è distribuita in modo uniforme sull'intera ampiezza dell'onda elettromagnetica, ma concentrata in vibrazioni fondamentali di energia.
Sebbene il fisico tedesco accettasse la validità delle equazioni di Maxwell, nel 1909. An English translation is available from Wikisource. e nel 1916 Also Physikalische Zeitschrift, 18, 121–128 (1917). mostra che molti esperimenti possono essere spiegati solo assumendo che l'energia sia localizzata in quanti puntiformi che si muovono indipendentemente l'uno dall'altro, pur se l'onda è distribuita con continuità nello spazio. Per i suoi studi sull'effetto fotoelettrico e la conseguente scoperta dei quanti di luce Einstein ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1921.
L'ipotesi quantistica di Einstein non fu accettata per diversi anni da una parte importante della comunità scientifica, tra cui Hendrik Lorentz, Max Planck e Robert Millikan (vincitori del Premio Nobel per la fisica, rispettivamente, nel 1902, 1918 e 1923), secondo i quali la reale esistenza dei fotoni era un'ipotesi inaccettabile, considerato che nei fenomeni di interferenza le radiazioni elettromagnetiche si comportano come onde."La fisica di Amaldi", vol. 3, Elettromagnetismo, fisica atomica e subatomica, ed. Zanichelli, 2012, cap. 13 (la teoria quantistica) pag. 416. L'iniziale scetticismo di questi grandi scienziati dell'epoca non deve sorprendere, dato che perfino Max Planck, che per primo ipotizzò l'esistenza dei quanti (anche se con riferimento agli atomi, che emettono e assorbono "pacchetti di energia"), ritenne, per alcuni anni, che i quanti fossero solo un espediente matematico per far tornare i conti e non un reale fenomeno fisico."La fisica di Amaldi", vol. 3, cit., pag. 408. Ma successivamente lo stesso Robert Millikan dimostrò sperimentalmente l'ipotesi di Einstein sull'energia del fotone, e quindi dell'elettrone emesso, che dipende soltanto dalla frequenza della radiazione,“Fotoni pesanti” di Murphy Frederick V. e Yount David E., “Le Scienze” n. 38, ott. 1971, pag. 66. e nel 1916 effettuò uno studio sugli elettroni emessi dal sodio che contraddiceva la classica teoria ondulatoria di Maxwell." La Fisica di Amaldi ", vol. 3, cit., pag.411.