Fotones.

Al decir luz, en general, hacemos referencia a todo el espectro de ondas electromagnéticas, que abarca desde los fotones que conforman las ondas de radio, hasta los que son portadores de los rayos gamma (pasando por los de las microondas, los de luz infrarroja, los de luz visible, los ultravioletas y los de los de rayos X).

El ingente flujo de luz “natural” que llega a la Tierra procedente del Sol, se genera permanentemente en el interior de nuestra estrella como consecuencia de la inmensa presión que la gravedad ejerce sobre los átomos que la conforman. Dicha presión, es tan elevada en su núcleo que, llega a provocar la “fusión nuclear” de los átomos de hidrógeno y helio, materia básica constituyente de las estrellas. Cuanto más cerca del centro del Sol se encuentran dichos átomos, más presión, debida al peso de las capas exteriores, han de soportar, y consecuentemente a más alta temperatura se encuentran (cerca de 15 millones de grados centígrados en las inmediaciones del núcleo del astro). 

En esas condiciones extremas los átomos de hidrógeno terminan por fusionarse unos con otros para formar átomos de helio. 

En dicho proceso, de transformación atómica, se genera siempre un excedente de materia que es convertida en energía, y lanzada violentamente al exterior en forma de fotones, a la increíble velocidad de 300.000 kilómetros por segundo.

A demás de la luz generada mediante fusión nuclear en las estrellas, existen diferentes procedimientos naturales y/o artificiales para producir fotones de luz visible a voluntad.

• Piroluminiscencia: Obtención de luz mediante la combustión de un material, generalmente un compuesto de carbono (madera, aceite, grasa animal, gas, petróleo, etc.) en el aire atmosférico.

• Incandescencia: Producción de luz por agitación térmica de los átomos de un filamento de wolframio en el interior de una ampolla llena de argón y nitrógeno.

• Electroluminiscencia: Generación de luz mediante aplicación de corriente eléctrica a una unión de semiconductores de tipo P-N, llamada diodo Led. Cuando se aplica una tensión, con la polaridad adecuada, a esta unión, los electrones y los huecos de los átomos se ven forzados a encontrarse en la superficie de dicha unión y, al combinarse, se producen fotones.

• Y otras, como la quimioluminiscencia, piezoluminiscencia, etc.

En general, se generan fotones en cualquier proceso físico, químico o biológico, en el que mediante la aplicación de energía extra a un grupo de átomos, se fuerzan a algunos de sus electrones, por agitación térmica, a cambiar de órbita, emitiéndose fotones en el procedimiento.

Como ya hemos dicho, existen tantos tipos de fotones como diferentes tipos de luz hay en el espectro electromagnético, y nuestro Sol los produce de longitudes de onda comprendidas entre los cien nanometros y un milímetro. Son los de luz ultravioleta (casi un 5% de la radiación total del Sol), de luz visible (un 46% aproximadamente) e infrarrojos (casi un 49%). Estos últimos son los menos energéticos de todos. 

Nuestra estrella emite también cierta radiación de rayos X, pero estos fotones tan energéticos suponen tan solo una millonésima parte de toda la energía radiada. 

Otros objetos, mucho más masivos y calientes, como son las supernovas, las estrellas de neutrones y los agujeros negros, si alcanzan las altísimas temperaturas necesarias para producir masivamente rayos X.

La luz, como onda electromagnética que es, solo puede crearse o absorberse en paquetes de energía o “cuantos”, a los que llamamos fotones.

Cuanto más corta sea su longitud de la onda, tanto más energético será un fotón. Para comprenderlo mejor podemos imaginarlos con forma de “muelles”, de manera que, los que tienen las espiras más separadas (mayor longitud de onda), y por tanto están -más flojos- , tienen menos energía potencial. Del mismo modo, los que tienen las espiras más juntas (menor longitud de onda), están -más apretados- , son más energéticos.

Los fotones de luz azul, cuya longitud de onda es más corta (muelles más prietos) cuentan con más energía que los fotones de luz roja (muelles más flojos).

Precisamente por la diferencia de energías entre los diferentes fotones de luz visible, es por lo que las películas fotográficas se manipulan en cuartos oscuros iluminados exclusivamente con luz roja; porque que los fotones rojos no tienen suficiente energía para activar las reacciones químicas en los productos que se utilizan para oscurecer la película.

Nota: Podéis ver fotones infrarrojos (invisibles a simple vista) mediante un sencillo experimento casero. Tan solo tenéis que enfocar un mando a distancia de TV hacia el objetivo de la cámara de video (activada) de cualquier teléfono móvil. Comprobareis que, al pulsar cualquier tecla en dicho emisor, aparecen ráfagas de destellos luminosos en la pantalla del teléfono. Esos destellos que veis son los fotones infrarrojos, incapaces de activar las células fotorreceptoras de vuestras retinas, pero que, sin embargo, sí son capaces de excitar las sensibles celdas del CCD electrónico de las cámaras de video.

Los fotones no tienen carga eléctrica, ni se desintegran espontáneamente en el vacío. Podemos imaginarlos también como si fueran diminutas pompas de jabón de diferentes colores y tamaños (en función de sus respectivas frecuencias), escapando de los astros y viajando a través del vacío sideral a la velocidad de la luz. Se desplazan siempre en línea recta aunque, no obstante, la fuerza de la gravedad es capaz de desviar sus trayectorias, curvándolas.

Mientras están en movimiento, los fotones son ondas puras y, por tanto, no tienen masa alguna. Sin embargo,  en el instante mismo en que interactúan con la materia, se comportan exactamente como si fueran partículas masivas, siendo capaces de transferir al cuerpo con el que colisionan una cantidad “fija” de energía, que viene dada por la fórmula:

Energía del fotón es igual a "h" (constante de Planck) multiplicada por “c” (velocidad de la luz en el vacío) (la luz que viaja a través de materia transparente, lo hace a una velocidad menor que c), divididas por la longitud de onda del fotón. O, dicho de otra forma: la constante de Planck "h" multiplicada por su frecuencia de onda "v".

Para los fotones de luz visible, esta energía, es de aproximadamente 4×10^–19 julios o, en términos electromagnéticos, unos 2 electronvoltios (eV). 

Sin embargo, los fotones de los rayos X, utilizados en medicina, cuentan con energías que van desde cien a cien mil eV. Y los de los rayos gamma llegan hasta el millón de eV, e incluso más. 

Lamentablemente no es posible combinar dos o más fotones para obtener uno solo más energético.

Tan sólo seis o siete fotones (de luz visible) son suficientes para activar cualquiera de los fotorreceptores de las retinas humanas. 

Aunque, en realidad, no podemos ver las cosas que nos rodean, es decir, nunca vemos los átomos que constituyen la materia del mundo en el que existimos. Ni siquiera podemos vernos a nosotros mismos cuando nos miramos directamente o a través de un espejo. Lo que vemos son solo <fotones> de luz visible que, provenientes de los objetos iluminados, impactan en las células nerviosas de nuestras retinas, provocando que estas envíen informaciones eléctricas equivalentes que se procesan en nuestros cerebros, creando así lo que llamamos visión.

 

Exactamente igual sucede cuando miramos las pantallas de los televisores. Como todos sabemos, las personas y las cosas que aparecen en ellas no están realmente ahí, si no que nuestro cerebro recrea esas imágenes con la información bombardeada a nuestras retinas, con secuencias de fotones ordenados de manera idéntica y con la misma energía que los que impactaron, en su momento, sobre la escena prístina, cuando esta tuvo lugar.

EFECTO COMPTON Y FOTONES QUE REBOTAN.

Los fotones de luz visible, cuando golpean otras partículas (p.ej.: electrones) no rebotan, sino que se desintegran al transferirles su energía.

El insigne físico norteamericano Arthur H. Compton, demostró experimentalmente el llamado efecto Compton. Los fotones de alta energía (no los de luz visible), cuando golpean a un electrón, pierden parte de su energía, pérdida que debería manifestarse en la reducción de su velocidad, pero puesto que eso es imposible, ya que la velocidad de la luz es constante, dicha pérdida de energía se traduce, sin embargo, en un aumento de su longitud de onda asociada.

El fotón de rayos X o Gamma incidente, golpea al electrón, que puede desplazarse libremente. Así, el fotón, que se ve obligado a aumentar su longitud de onda por la colisión, sale despedido en otra dirección. El electrón, que ha recibido energía mediante el choque, se acelera y luego se detiene, a la vez que devuelve, en forma de nuevo fotón, la energía que recibió. Esta energía se denomina "Compton edge" y puede verse en el espectro.

EFECTO FOTOELÉCTRICO.

La corriente eléctrica se produce por el movimiento de los electrones portadores de  la carga eléctrica negativa. 

La Intensidad de dicha corriente es igual al número de cargas en movimiento, expresadas en culombios, que atraviesan una sección de conductor en un segundo de tiempo, y se mide en Amperios.

Por cierto, un culombio  equivale a un flujo de 6,28 trillones de electrones, pasando en un segundo por una zona determinada de un conductor.

Al exponer una lámina de metal a la luz solar, los fotones que chocan con los electrones de los átomos que conforman la lámina metálica se desintegran, cediéndoles a estos toda su energía y expulsándolos hacia otros átomos. Este flujo de electrones, golpeados y acelerados, es precisamente el que da lugar a la corriente eléctrica fotovoltaica. 

Como los fotones desaparecen al colisionar con los electrones, se infiere que la cantidad de movimiento de estos depende de la energía de aquellos. Cada electrón emitido toma la energía de un único fotón,  por ello el número de electrones emitidos por unidad de tiempo es proporcional a la intensidad de la luz que ilumina la placa.

En el efecto fotoeléctrico se basa la tecnología de construcción de los modernos paneles solares fotovoltaicos

Visita recomendada: efecto fotoeléctrico interactivo http://www.educaplus.org/play-112-Efecto-fotoel%C3%A9ctrico.html

LA LUZ Y LA VIDA.

Los hombres, los animales y las plantas, existimos gracias a los fotones. Tras la mezcla azarosa de algunos átomos de materia estelar, luego de la génesis de nuestro generoso y querido planeta Tierra de la que hace ahora más de cuatro mil millones de años, y por casualidad, surgieron de aquellos primigenios cócteles de materia inorgánica las primeras proteínas, y con ellas el ADN. 

Mucho tiempo después, dichos compuestos proteicos dieron lugar, por asociación, a los primitivos organismos unicelulares, que protegidos por providenciales membranas de grasa, comenzaron a buscar la energía y el alimento para subsistir. 

La selección natural eligió y favoreció a algunos de aquellos seres simplísimos, especialmente a los que habían desarrollado flagelos para impulsarse y salir de la oscuridad en busca de fotones energéticos. Ellos fueron nuestros precursores. 

Tras millones y millones de años, gracias a los fotones, henos aquí siendo como somos y no de otra forma. Seres de luz, para la luz y por la luz.

MI ANÉCDOTA:

En una Casa de Oficios en la que fui contratado como monitor de electricidad recientemente, el primer día de clase, tras repartir a los chavales las batas de trabajo en el taller,  pregunté:

Alguno de Vd. sabe ¿qué son los fotones?

A lo que uno de ellos contestó inmediatamente:

¡Si, claro!..., “loh fotones” son pequeños… y redondos.

Muy bien -le dije-, continua por favor.

Y… pues… sirven para abrochar camisas, pantalones y demás prendas de vestir.

 ¡¡¡¿Qué?¡¡¡...

Pues eso -contestó- que, si no fuera por ellos, no podríamos abrocharnos “lah fatas” de trabajo, por ejemplo.

A la hora del almuerzo comprobé el “por qué” de su respuesta cuando, el mismo chico, sacó un envoltorio de papel aluminio de su mochila y me dijo:

Maestro… ¿Nos podemos comer ya “loh focadillos”?.

¡Cosas de nuestra habla andaluza y su pronunciación!. Y es que, en ciertas zonas de Jaén, se hace una exagerada fricatización de la “b”, que se transforma en sonido “f” por mantenimiento de aspiración de la “s” final de la palabra, o la sílaba, previa. (ej.: desván à "dehfán").  http://www.andalucia.cc/adarve/Ensayos-12.pdf