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Fotao
Fotons emitidos em um feixe coerente de um laser
Composicao:	Particula elementar
Grupo:	Boson de calibre
Interacao :	Eletromagnetismo
Simbolo(s):	γ, h ν , ou ħ ω
Teorizada:	Albert Einstein
Massa:	0 < 6982100000000000000♠ 1 × 10 ?18  [[eV/c 2 ]] [ 1 ]
Carga eletrica :	0 < 6946160217648700000♠ 1 × 10 ?35   e [ 1 ]
Spin :	1

O fotao ^{( portugues europeu )} ou foton ^{( portugues brasileiro )} e a particula elementar mediadora da forca eletromagnetica . O foton tambem e o quantum da radiacao eletromagnetica (incluindo a luz ). A palavra photon foi criada por Gilbert Lewis em 1926. ^{[ 2 ]} Fotons sao bosons e possuem Spin igual a um. A troca de fotons (virtuais ¹ ) entre as particulas como os eletrons e os protons e descrita pela eletrodinamica quantica , a qual e a parte mais antiga do Modelo Padrao da fisica de particulas . Ele interage com os eletrons e nucleo atomico sendo responsavel por muitas das propriedades da materia, tais como a existencia e estabilidades dos atomos , moleculas , e solidos .

Em alguns aspectos um foton atua como uma particula , sendo que a explicacao satisfatoria para esse efeito foi dada em 1905, por Albert Einstein pelo Efeito fotoeletrico . Em outras ocasioes, um foton se comporta como uma onda, tal como quando passa atraves de uma lente otica. De acordo com a conhecida dualidade particula-onda da mecanica quantica , e natural para um foton apresentar ambos aspectos na sua natureza, de acordo com as circunstancias que se encontra. Normalmente, a luz e formada por um grande numero de fotons, tendo a sua intensidade ou brilho ligada ao numero deles. Para baixas intensidades, sao necessarios equipamentos muito sensiveis, como os usados em astronomia , para detectar fotons individuais.

Simbolo [ editar | editar codigo-fonte ]

Um foton e usualmente representado pelo simbolo ${\displaystyle \gamma }$ ( gama ), embora em fisica de altas energias este simbolo se refira a fotons de energias extremamente altas (um raio gama ).

Propriedades [ editar | editar codigo-fonte ]

Os fotons sao comumente associados com a luz visivel , o que so e verdade para uma parte muito limitada do espectro eletromagnetico . Toda a radiacao eletromagnetica e quantizada em fotons: isto e, a menor porcao de radiacao eletromagnetica que pode existir e um foton, qualquer que seja seu comprimento de onda , frequencia , energia ou momento . Fotons sao particulas fundamentais que podem ser criados e destruidos quando interagem com outras particulas, mas e conhecido que decaiam por conta propria. ^{[ carece de fontes ? ]}

Diferente da maioria das particulas, fotons nao tem uma massa intrinseca detectavel, ou "massa restante" (que se opoem a massa relativistica ). Fotons estao sempre se movendo a velocidade da luz (a qual varia de acordo com o meio no qual ela viaja) em relacao a todos os observadores. A despeito da sua ausencia de massa, fotons tem um momento proporcional a sua frequencia (ou inversamente proporcional ao seu comprimento de onda ), e seu momento pode ser transferido quando um foton colide com a materia (como uma bola de bilhar em movimento transfere seu momento para outra bola). Isto e conhecido como pressao de radiacao a qual deve ser algum dia usada como propulsao como um veleiro solar .

Fotons sao desviados por um campo gravitacional duas vezes mais que as predicoes da mecanica Newtoniana predisse para uma massa viajando a velocidade da luz com o mesmo momento de um foton. Esta observacao e comumente citada como uma evidencia que daria suporte a relatividade geral , uma teoria da gravidade de muito sucesso publicada em 1915 por Albert Einstein . Na relatividade geral, os fotons sempre viajam a velocidade da luz em uma linha "reta", depois de se levar em conta a curvatura do espaco-tempo. (Em um espaco curvo, isto e chamado de geodesica ).

Criacao [ editar | editar codigo-fonte ]

Fotons sao produzidos por atomos quando um eletron de valencia move-se de um orbital para outro orbital com (menos ou mais) energia negativa. Fotons tambem podem ser emitidos por um nucleo instavel quando este decai por algum tipo de decaimento nuclear . Alem disto, fotons sao produzidos sempre que particulas carregadas sao aceleradas.

Atomos continuamente emitem fotons devido suas colisoes mutuas. A distribuicao do comprimento de onda destes fotons portanto esta relacionada a sua temperatura absoluta (usualmente em Kelvin ). A distribuicao de Maxwell-Boltzmann preve a possibilidade de um foton possuir um determinado comprimento de onda ao ser emitido por uma colecao de atomos a uma dada temperatura . O espectro de tais fotons normalmente se encontra entre a faixa da micro-onda e do infravermelho , mas objetos aquecidos irao emitir luz visivel tambem.

Radio , televisao , radar e outros tipos de transmissores usados para telecomunicacao e monitoramento remoto rotineiramente criam uma extensa variedade de fotons de baixa-energia pela oscilacao de campos eletricos em condutores . Magnetrons emitem fotons coerente usado em fornos micro-onda . Tubos Klystron sao usados quando as emissoes de micro-onda devem ser mais precisamente controladas. Masers e laser criam fotons monocromaticos por emissao estimulada . Fotons mais energeticos podem ser criados por decaimento nuclear , aniquilacao particula-antiparticula , e colisao de particulas de alta energia .

Spin [ editar | editar codigo-fonte ]

Os fotons tem spin 1 e sao, portanto, classificados como bosons . Os fotons sao os mediadores dos campos eletromagneticos. Por isto, eles sao as particulas que possibilitam que outras particulas interajam com outras particulas eletromagneticas e com campos eletromagneticos, por isto eles sao tambem conhecidos como boson de calibre . Em geral, um boson com spin 1 deveria possuir tres projecoes de spin distintas (-1, 0 e 1). Contudo, a projecao zero requer um referencial aonde o foton esteja em repouso. Devido a sua massa de repouso ser zero, tal referencial nao existe, de acordo com a teoria da relatividade . Entao os fotons no vacuo sempre viajam a velocidade da luz , e mostram somente duas projecoes de spin, correspondendo as duas polarizacoes circulares opostas. Por causa de sua massa intrinseca zero, fotons sao consequentemente sempre polarizados transversalmente, da mesma forma que as ondas eletromagneticas o sao, no espaco vazio.

Estado quantico [ editar | editar codigo-fonte ]

A luz visivel do Sol, ou de uma lampada, e comumente uma mistura de muitos fotons de diferentes comprimentos de onda. Uma visao deste espectro de frequencia , pode ser obtida por exemplo pela passagem da luz por um prisma . Neste co-denominado "estado misto", que estas fontes tendem a produzir, a luz se constitui de fotons em equilibrio termico (tambem denominado de radiacao de corpo negro ). Onde eles sao de muita forma, semelhantes as particulas de um gas . Por exemplo, eles exercem pressao, conhecida como pressao de radiacao , na qual (em parte) origina a aparencia dos cometas quando eles estao viajando proximos ao Sol.

Por outro lado, um arranjo de fotons tambem pode existir em estados muito mais bem organizados. Por exemplo, nos denominados estados coerentes , descreve-se uma luz coerente como as emitidas por um laser ideal. O alto grau de precisao obtido com instrumentos a laser advem desta organizacao.

Absorcao molecular [ editar | editar codigo-fonte ]

Uma molecula tipica, ${\displaystyle M}$, possui varios niveis de energia diferentes. Quando uma molecula absorve um foton, sua energia aumenta em uma quantidade igual a da energia do foton . A molecula entao entra em um estado excitado , ${\displaystyle M^{*}\,}$.

${\displaystyle M+\gamma \to M^{*}\,}$

Fotons no vacuo [ editar | editar codigo-fonte ]

No espaco vazio, conhecido como vacuo perfeito, todos os fotons se movem a velocidade da luz , c , determinada como sendo igual a 299 792 458 metros por segundo, ou aproximadamente 3×10 ⁸ m s ^?1 . O metro e definido como a distancia percorrida pela luz no vacuo em 1/299 792 458 de um segundo , como a velocidade da luz nao oferece qualquer incerteza experimental, diferente do metro ou do segundo, tanto que confiamos no segundo sendo definido por meio de um relogio muito preciso .

Segundo um principio da relatividade restrita de Einstein, todas as observacoes da velocidade da luz no vacuo sao as mesmas para todas as direcoes e para qualquer observador em um referencial inercial . Este principio e geralmente aceito na fisica desde que muitas consequencias praticas para as particulas de alta-energia tem sido observadas.

Fotons na materia [ editar | editar codigo-fonte ]

Quando fotons passam atraves de material , tal como num prisma , frequencias diferentes sao transmitidas em velocidades diferentes. Isto e chamado de refracao e resulta na dispersao das cores, onde fotons de diferentes frequencias saem em diferentes angulos. Um fenomeno similar ocorre na reflexao onde superficies podem refletir fotons de varias frequencias em diferentes angulos.

A relacao de dispersao associada para fotons e uma relacao entre a frequencia , f , e comprimento de onda, λ. ou, equivalentemente, entre sua energia , E , e momento , p . Isto e simples no vacuo, desde que a velocidade da onda, v , e dada por

${\displaystyle v=\lambda f=c\,}$

As relacoes quanticas do foton sao:

${\displaystyle E=hf\,}$ e ${\displaystyle p=h/\lambda \,}$

Onde h e constante de Planck . Entao nos podemos escrever esta relacao como:

${\displaystyle E=pc\,}$

que e caracteristica de uma particula de massa zero. Desta forma vemos como a notavel constante de Planck relaciona os aspectos de onda e particula.

Em um material, um par de fotons para a excitacao do meio e comportamento diferente. Estas excitacoes podem ser frequentemente descritas como quase-particulas (tais como fonos e excitons ); isto e, como onda quantizadas ou entidades quase-particulas propagando-se atraves da materia. O "Acoplamento" significa que os fotons podem transformar nesta excitacao (isto e, o foton sao absorvidos e o meio excitado, envolvendo a criacao das quase-particulas) e vice-versa (as quase-particulas transformam-se de volta em um foton, ou o meio relaxa pela re-emissao de energia na forma de fotons). Contudo , como estas transformacoes sao as unicas possiveis, eles nao estao ligados para acontecer e o que realmente propaga-se atraves do meio e uma polarizacao ; isto e, uma superposicao quantica-mecanica da energia quantica iniciada em um foton e de uma excitacao de uma quase particula material.

De acordo com as regras da mecanica quantica, uma medicao (aqui: na observacao e que acontece a polarizacao) quebra a superposicao; isto e, o quantum e absorvido pelo meio e permanece la (como acontece em um meio opaco) ou re-emerge como um foton da superficie para o espaco (como acontece em um meio transparente).

Excitacoes no material tem uma dispersao nao-linear ; isto e; seu momento nao e proporcional a sua energia. Portanto, estas particulas se propagam mais devagar do que a velocidade da luz no vacuo. (A velocidade de propagacao e a derivada da relacao dispersao com seu respectivo momento.) Esta e a razao formal porque a luz e mais lenta em um meio (tal como o vidro) do que no vacuo. (A razao da difracao pode ser deduzida disto pelo principio de Huygens .) Outro meio de explicar isto e dizer que o foton, por comecar a se misturar com o meio excitado para forma a polarizacao, adquire um efeito de massa , o que significa que ele nao pode viajar a c , a velocidade da luz no vacuo.

Os quanta (plural de quantum ) virtuais sao particulas hipoteticas trocadas entre particulas carregadas. Se sao particulas verdadeiras ou nao e um assunto sujeito a uma certa controversia. Supoe-se que efeitos como o efeito Casimir sejam provas evidentes da existencia de fotoes virtuais, embora essa hipotese nao seja totalmente aceita. ^{[ carece de fontes ? ]}

Ver tambem [ editar | editar codigo-fonte ]

• Efeito Cherenkov
• Efeito Compton
• Efeito fotoeletrico
• Fotonica
• Optica
• Particula elementar

Referencias

• Portal da ciencia
• Portal da fisica