Einstein y el fotón
Los fotones son
portadores de todas las formas de radiación electromagnética (EM), no sólo de
luz. Los diferentes tipos de radiación EM corresponde a diferentes tipos de
energía por fotón. Los rayos gamma y los fotones de rayos X tienen la mayor
cantidad de energía, y los fotones de frecuencia de radio tienen la menor
cantidad de energía, mientras que los fotones de la luz ultravioleta, infrarroja,
y visible , tienen energía media.
En marzo de
1905, Einstein publicó el artículo que nos concierne aquí, y que fue
considerado por el Comité Nobel como el principal motivo para otorgarle el
premio en 1921. En él explica sus ideas sobre la generación y la transformación
de la luz, y aplica su modelo a la descripción del efecto fotoeléctrico. La
idea de Einstein utiliza el resultado de Planck sobre la aparente emisión de
energía de un cuerpo negro en forma de paquetes; sin embargo, Einstein propone
que la cuantización es una propiedad intrínseca de la luz y no de los
osciladores como había pensado Planck. En este nuevo modelo, la luz es una onda
electromagnética, tal como lo propuso Maxwell, sólo que en lugar de tratarse de
una onda continua se encuentra modulada en paquetes de energía. Esto implica
una dualidad de características pues, a pesar de ser una onda, al estar
localizada en el espacio y poseer una energía definida, presenta
características similares a las de las partículas.
La idea de la
luz como partícula retornó con el concepto moderno de fotón, que fue
desarrollado gradualmente entre 1905 y 1917 por Albert Einstein apoyándose en
trabajos anteriores de Planck quien introdujo el concepto de “cuanto”.
Los fotones
viajan a la velocidad de la luz, la cual es: 299 792 458 kilómetros por segundo
(aproximadamente 186 282.4 millas por segundo). Los fotones no tienen masa
alguna, ni carga eléctrica.
Como todos los
cuantos, el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias
("dualidad onda-corpúsculo"). Se comporta como una onda en algunos
fenómenos como la refracción que tiene lugar en una lente; o como una partícula
cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de
energía.
Para
la luz visible, la energía portada por un fotón es de alrededor de 4×10–19
julios; esta energía es suficiente para excitar un ojo y dar lugar a la visión,
además de energía, los fotones llevan también asociada una cantidad de
movimiento o momento lineal, y tienen una polarización. Siguen las leyes de la
mecánica cuántica, lo que significa que a menudo estas propiedades no tienen un
valor bien definido para un fotón dado. En su lugar se habla de las
probabilidades de que tenga una cierta polarización, posición, o cantidad de
movimiento.
Con
el modelo de fotón como partícula podían explicarse observaciones
experimentales que no encajaban en el modelo ondulatorio clásico de la luz. En
particular, explicaba cómo la energía de la luz dependía de la frecuencia
(dependencia observada en el efecto fotoeléctrico) y la capacidad de la materia
y la radiación electromagnética para permanecer en equilibrio térmico.
El
concepto de fotón ha llevado a avances muy importantes en física teórica y
experimental, tales como la teoría cuántica de campos y a inventos como el
láser.
De
acuerdo con el modelo estándar de física de partículas los fotones son los
responsables de producir todos los campos eléctricos y magnéticos; y, a su vez,
son el resultado de que las leyes físicas tengan cierta simetría en todos los
puntos del espacio-tiempo.
Las
propiedades intrínsecas de los fotones (carga eléctrica, masa invariante y
espín) están determinadas por las propiedades de la simetría de Gauge.
Los
fotones se aplican a muchas áreas, como la fotoquímica, el microscopio fotónico
y la medición de distancias moleculares. Incluso se los ha estudiado como
componentes de computadoras cuánticas y en aplicaciones sofisticadas de
comunicación óptica como por ejemplo en criptografía cuántica.
Efecto Doppler
El
efecto Doppler se trata del cambio aparente en la frecuencia de una onda
emitida por una fuente en movimiento, este efecto aplica tanto para las ondas
mecánicas como para las ondas electromagnéticas.
En astronomía el efecto Doppler tiene una importancia capital
puesto que es mediante su uso que se puede calcular la dirección y la velocidad
a la que se mueve un objeto celeste lejano. Para realizar estas mediciones el
objeto debe estar en el mismo plano del observador, si el objeto tiene un
movimiento tangencial o perpendicular no se producirá efecto Doppler o su
medición no será exacta. Una vez tomado el espectro del sujeto en estudio se
compara con el del material conocido en reposo, así se puede determinar hacia adonde
hay corrimiento de las líneas espectrales y de acuerdo a la magnitud del
cambio, determinar la velocidad que poseen con respecto al observador.
La
fórmula de Doppler relaciona la velocidad radial de un objeto astronómico (la
velocidad en la línea de visión) con el corrimiento de sus líneas espectrales.
Efecto Doppler (ondas
sonoras)
El sonido viaja en el aire en forma de ondas longitudinales así como en
otros materiales. En el aire, la velocidad del sonido aumenta con la
temperatura; a 20ºC es 343 m/s, aproximadamente.
Cuando un objeto vibra a razón de 20 Hz a 20kHz en un medio, produce
ondas sónicas. Estas ondas se propagan
simétricamente en todas direcciones a través del medio y con rapidez constante. Como los frentes de onda se desplazan con
igual rapidez, el largo de onda, al igual que la frecuencia son iguales en
todas direcciones. Así que para
cualquier observador alrededor de la fuente el sonido emitido será el mismo.
El efecto Doppler es el cambio de frecuencia de
un sonido debido al movimiento ya sea de la fuente o del observador. Si hay
acercamiento, la frecuencia aumenta, y si se alejan, la frecuencia disminuye.
Pero cuando dos ondas pasan por la misma región del espacio al mismo
tiempo sucede lo que se llama interferencia, siendo el desplazamiento
resultante la suma algebraica de los desplazamientos individuales de cada onda.
Efecto Mössbauer
Rudolf Mössbauer experimentaba con el isótopo 191Ir, investigando la
fluorescencia nuclear resonante de éste elemento como parte de su trabajo de
tesis doctoral, notando una irregularidad en el conteo de radiación gamma que
era parte de su experimento. En lugar de simplemente ignorar este efecto –que,
por cierto, era bastante menor- como ya lo habían hecho decenas de
investigadores que trabajaban en este campo en todo el mundo, Rudof Mössbauer
dedicó sus esfuerzos a encontrar el origen de esta anomalía, entenderla y
explicarla desde los puntos de vista experimental y teórico. La solución de
este asunto dio origen a uno de los grandes métodos de la ciencia, ya que la EM
es considerada actualmente la más fina y penetrante de las herramientas para
“sondear” las características y reacción de una gran cantidad de materiales;
llegando a los límites que impone la Naturaleza expresados en el principio de
incertidumbre de Heisemberg.
Rudolf Mössbauer publicó su trabajo en 1958, sacudiendo a la comunidad
científica con una herramienta tan poderosa y aplicable en prácticamente todos
los campos de las ciencias naturales, que se le otorgó el premio Nobel en 1961;
distinguiéndolo como el único Nobel (hasta ahora) otorgado por la primera
publicación de un trabajo y como uno de los más rápidamente otorgados
El efecto Mossbauer implica la emisión y la absorción de rayos gamma, de
los estados excitados de un núcleo. Cuando un núcleo excitado emite un rayo
gamma, debe retroceder con el fin de conservar el momento que tiene el fotón de
rayos gamma. Pero esto toma energía, y un fotón gamma de 100 keV, tendría
aproximadamente 1 eV menos de energía. La nitidez de un estado de energía en un
núcleo blanco potencial, tiene un ancho de línea natural del orden de 10-5 eV,
de modo que el desplazamiento en la energía del fotón, previene al núcleo
objetivo de la absorción de fotones gamma.
Mossbauer descubrió que colocando núcleos de emisión y absorción en un
cristal, se podría usar la red cristalina para el retroceso, disminuyendo la
pérdida de energía de retroceso, hasta el punto de que estas líneas de emisión
y absorción extremadamente nítidas, se solaparían de modo que se observara la
absorción. Un resultado importante fue que ahora se tenía un detector
extremadamente sensible a los desplazamientos de energía, -un movimiento de
cualquiera, de la emisión o de la absorción, con velocidades del orden de
milímetros por segundo, era suficiente para desafinar la absorción-.
Hasta el 2005 se han encontrado 108 isótopos con la capacidad de entrar
en resonancia a través de absorción gamma sin retroceso, es decir de sufrir reacción
Mössbauer. Algunos de estos isótopos exhiben más de una transición de este
tipo, por lo que se dispone de 117 “reacciones” Mössbauer. Sin embargo tan solo
8 isótopos representan el 90% del trabajo internacional en este campo
La aberración de la Luz
Diferencia entre la
posición observada de un astro y su posición real, debido a la combinación de
la velocidad del observador y la velocidad finita de la luz. La cuantía de esa
diferencia depende de la velocidad del observador y de la dirección del movimiento.
La aberración de la luz debida al movimiento de la Tierra alrededor del Sol se
denomina aberración anual; fue descubierta por James Bradley en 1728,
constituyendo la primera prueba directa del movimiento de la Tierra alrededor
del Sol. La diferencia máxima entre la posición observada y la posición real de
un astro alcanza un máximo de 20.47 segundos de arco denominándose constante de
aberración. El fenómeno de la aberración de la luz se utiliza para medir por
trigonometría la distancia a la que se encuentra una estrella cercana,
denominándose entonces paralaje anual y definiéndose a partir suyo la unidad de
distancia interestelar: el pársec; definido como la distancia a la que está un
astro que presenta un paralaje anual de un segundo de arco, y equivale a 3'2616
años luz.
Por ejemplo, como
se ve en el diagrama de arriba, si la Tierra estuviera quieta, sin movimiento
alguno, la situación sería la de arriba: la luz de la estrella llega
exactamente desde donde está la estrella.
La realidad en
cambio es nuestro planeta se mueve a 30 km/seg. alrededor del Sol. Este
movimiento se representa con una flecha amarilla. Al estar en movimiento
entonces, la luz de la estrella parece venir de otro lado, representado con la
flecha roja.
Nota que la
aberración siempre está en contra del movimiento orbital del astro considerado.
La definición
se hizo para la Tierra específicamente, pero cualquier astro en movimiento
sufre la aberración estelar, o aberración de la luz.
En la Tierra
alcanza como máximo 20,47 segundos de arco.
En casos
extremos, si una nave espacial viajara a una fracción considerable de la
velocidad de la luz, las estrellas cambiarían de posición de una manera
fácilmente visible a simple vista.
¿La frecuencia es un cambio aparente o real?
El cambio de la
frecuencia no puede ser aparente, este debe ser real por que al cambiar
el observador, la frecuencia también debe ser diferente puesto que la
manera de ver las cosas del observador es totalmente diferente en cada
caso.
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