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Fotone
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Abstract

Il fotone è il quanto del campo elettromagnetico. Storicamente chiamato anche quanto di luce, è stato introdotto all'inizio del XX secolo quando si è scoperto che in un'onda elettromagnetica l'energia è distribuita in pacchetti discreti che possono essere pensati come i costituenti della radiazione elettromagnetica. Con l'affermarsi della meccanica quantistica il fotone ha acquisito a tutti gli effetti il ruolo di Particella (fisica), classificata nel Modello standard come Bosone (fisica) particella elementare di Massa (fisica) nulla mediatore (bosone di gauge) dell'interazione elettromagnetica.Il termine fotone (dal lingua greca φῶς genitivo. φωτός "phòs, photòs" che significa luce) fu coniato nel luglio 1926 a Parigi dal fisico ottica Frithiof Wolfers;Comptes rendus hebdomadaires des séances de lAcadémie des sciences, t. 183, juillet-décembre 1926, pp. 276-277 pochi mesi dopo fu riutilizzato dal chimico Stati Uniti dAmerica Gilbert Lewis in un testo in cui il fotone è considerato "non creabile e indistruttibile" , affermazione poi smentita. Il termine fu subito usato da molti fisici divenendo definitivo.In fisica il fotone è solitamente indicato con la alfabeto greco γ (gamma (lettera)), simbolo derivato probabilmente dai raggi gamma, un tipo di radiazione elettromagnetica.
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Introduzione
Content:File:Electromagneticwave3D.gifIl concetto di fotone è stato introdotto nell'ambito della meccanica quantistica per spiegare le contraddizioni emerse fra l'Equazioni di Maxwell e gli esperimenti condotti a cavallo fra la fine del XIX secolo e il XX secolo. Secondo la teoria classica sviluppata da James Clerk Maxwell, la luce, le onda radio e i raggi UV sono tutte radiazioni elettromagnetiche, cioè campo elettrico e campo magnetico che si propagano nella materia e nel vuoto seguendo una onda. 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 (fisica) nulla e non trasporta alcuna carica elettrica. Il suo momento angolare intrinseco, lo spin, può assumere solo i due valori di \pm 1 (in unità di \hbar) 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 donda. Il prodotto della frequenza \nu con la lunghezza d'onda \lambda è pari alla velocità di propagazione dell'onda, in questo caso della luce::\lambda \nu = cquindi all'aumentare della frequenza diminuisce la lunghezza d'onda. Ad esempio un fotone che costituisce la luce verde ha una frequenza f di 600 Hertz e quindi una lunghezza d'onda \lambda pari a::\lambda = \frac{c}{\nu} \simeq \frac{3 \times 10^8\ \mathrm{m s^{-1}}}{600 \times 10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}} = 5 \times 10^{-7}\ \mathrm{m} = 500\ \mathrm{nm}che corrisponde alla dimensione di alcuni batteri o circa un centesimo dello spessore di un capello. I fotoni inoltre trasportano un'energia E proporzionale alla frequenza \nu:: E = h\nudove h 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 Watt a luce rossa può emettere, trascurando la quantità di energia dispersa in calore, centinaia di trilione di fotoni ogni secondo (dell'ordine di grandezza cioè di 10^{20}). Questo significa che la luce è costituita da un numero enorme di fotoni che presi singolarmente trasportano quindi una quantità infinitesima di energia. Tuttavia questa quantità infinitesima di energia è sufficiente a rompere alcuni legami molecolari e ad esempio a far innescare le reazioni di fotosintesi clorofilliana delle piante. In questo caso un fotone della luce blu di lunghezza d'onda di 450 nm, che trasporta quindi una energia estremamente piccola rispetto a quelle delle scale di energia dell'esperienza quotidiana pari a::E = h\nu = \frac{hc}{\lambda} \simeq \frac{(6,626 \times 10^{-34}\ \mathrm{Js})( 3 \times 10^8\ \mathrm{m s^{-1}} )}{4,5\times 10^{-7}\ \mathrm{m}} \simeq 4,4 \times 10^{-19}\ \mathrm{J}viene assorbito da un recettore e dà avvio alla produzione di zucchero. Per questo motivo alcune speciali lampade sono utilizzate per accelerare la crescita delle piante.Il fotone ha avuto una rilevanza fondamentale nello sviluppo della meccanica quantistica, come nel campo dell'ottica, e ha importanti applicazioni in fotochimica, Microscopio, Fluorescence Resonance Energy Transfer e comunicazioni ottiche come la crittografia quantistica.
Sviluppo storico
Content:File:Young Diffraction.png: File:Light-wave.svg 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 Iraq 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 (fisica) 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 in funzione dell'intensità della radiazione, e non della 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 grandi scienziati, tra cui principalmente Albert Einstein, mostrano 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 diventa 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 scambiano energia per "pacchetti finiti", formulò un modello in accordo con i dati sperimentali. In questo modo risolse così 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 li considerò un espediente matematico utile a 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, o fotoni dal 1926, fu proposta 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 anch'esso dati in disaccordo con la classica teoria ondulatoria di James Clerk Maxwell. Einstein introdusse radicalmente 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 accetti la validità delle equazioni di Maxwell, nel 1909 . An s:The Development of Our Views on the Composition and Essence of Radiation 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 James Clerk Maxwell." La Fisica di Amaldi ", vol. 3, cit., pag.411.L'aspetto corpuscolare della luce fu confermato definitivamente dagli studi sperimentali di Arthur Holly Compton. Infatti il fisico statunitense nel 1921 osservò che, negli urti con gli elettroni, i fotoni si comportano come Particella (fisica) materiali aventi energia e quantità di moto che si conservano;“Fotoni pesanti”, "Le Scienze" n. 38/1971 cit. poi nel 1923 pubblicò i risultati dei suoi esperimenti (effetto Compton) che confermavano in modo indiscutibile l'ipotesi di Einstein: la radiazione elettromagnetica è costituita da quanti (fotoni) che interagendo con gli elettroni si comportano come singole particelle e ogni fotone interagisce con un solo elettrone."La fisica di Amaldi", vol. 3, cit., pagg. 412, 416 e 417. Per l'osservazione sperimentale del momento lineare dei fotoni e la scoperta dell'effetto omonimo Arthur Compton ricevette il premio Nobel nel 1927.Il problema di coniugare la natura ondulatoria e particellare della luce occupò la restante vita di Einstein, ed è stato risolto grazie all'elettrodinamica quantistica ed al modello standard.
Proprietà fisiche
Content:Il fotone è una particella priva di massaCfr. testo cit. in nota 1 e testo cit. in nota 2, pag. 94. e, poiché non decade spontaneamente, la sua vita media è infinita. Il fotone ha due possibili stati di Polarizzazione della radiazione elettromagnetica ed è descritto dal vettore donda, che determina la lunghezza donda e la sua direzione di propagazione. Il fotone è il bosone di gauge per l'elettromagnetismo e di conseguenza gli altri numeri quantici, come il numero leptonico il numero barionico e il Sapore (fisica) sono nulli. I fotoni sono emessi in molti processi naturali, come durante l'accelerazione di una particella carica, la transizione di un atomo o molecola ad un livello di energia inferiore o l'annichilazione di una particella con la rispettiva antiparticella.Nel vuoto, il fotone si propaga costantemente alla velocità della luce c, definita pari a:c= \sqrt{ \frac{1}{ \varepsilon _0 \mu _0}} = 299.792.458\ \mathrm{m/s}dove \varepsilon _0 e \mu _0 sono la costante dielettrica e la permeabilità magnetica del vuoto. Quando un'onda elettromagnetica non si propaga nel vuoto, queste ultime due costanti sono da moltiplicarsi per i valori relativi \varepsilon _r e \mu _r del materiale.L'energia E ed il modulo del Vettore (fisica) quantità di moto p si ricavano dalla relazione di dispersione generale:E^{2} = p^{2} c^{2} + m^{2} c^{4}che nel caso del fotone, essendo una particella massa nulla, diventa:E = p c.L'energia e la quantità di moto dipendono esclusivamente dalla frequenza \nu::E = \hbar\omega = h\nu = \frac{h c}{\lambda}:\mathbf{p} = \hbar\mathbf{k}dove {\bf k} è il vettore d'onda di modulo k=\frac{2\pi}{\lambda}, \omega=2\pi\nu la Velocità angolare e \hbar=\frac{h}{2\pi} la costante di Planck ridotta.Dal momento che la direzione di {\bf p} è la direzione di propagazione, il suo modulo vale::p = \hbar k = \frac{h\nu}{c} = \frac{h}{\lambda}Si consideri in proposito il seguente esempio: l'effetto fotoelettrico, ossia l'estrazione di elettroni da una superficie, si verifica solo se la radiazione elettromagnetica incidente è ≤ 546nm (luce verde), pari a 5,46 x 10-7 m. Applicando la formula \nu=\frac{c}{\lambda} e considerando c = 3 x 108 m/s si calcola che la corrispondente frequenza è pari a 5,4945 x 1014 Hz (dove Hz = s-1); quindi l'effetto fotoelettrico si verifica per frequenze maggiori o uguali al predetto valore. A questo punto si possono determinare l'energia E dei fotoni (in J = kg·m2/s2) e la loro quantità di moto p: Il valore di p si ottiene anche dal rapporto h/λ = (6,626 x 10−34 Js) / (5,46 x 10−7 m) = (6,626 x 10−34 kg·m2/s) / (5,46 x 10−7 m) = 1,21 x 10−27 kg·m/s.L'energia minima dei fotoni necessaria per dare inizio all'effetto fotoelettrico, il cui valore equivale al lavoro di estrazione, viene espressa anche in elettronvolt; poiché l'energia in Joule e l'energia in elettronvolt sono legate dalle relazione: 1 eV = 1,602176487 x 10-19 J, nel predetto esempio si avrà: (3,64 x 10−19 J) / (1,602 x 10−19 J) = 2,27 elettronvolt. Tale energia corrisponde al valore di soglia del potassioCfr. tabelle riportate alla voci effetto fotoelettrico e lavoro di estrazione..Il fotone possiede inoltre momento angolare di spin, che non dipende dalla frequenza. Questa proprietà è stata sperimentalmente verificata da Raman e Bhagavantam nel 1931. Il modulo del vettore di spin è \sqrt{2} \hbar, e la sua componente lungo la direzione del moto, l'elicità, è ±1. I due valori di elicità corrispondono ai due stati di polarizzazione circolare.Nonostante la massa a riposo sia nulla, è possibile definire una massa equivalente (che evidentemente coincide con il concetto di energia e, pertanto, non serve a nulla) a partire dalla relazione di Einstein E=mc² e considerando una luce verde di frequenza pari a 5,4945 x 1014 Hz risulta essere pari a:m_\gamma = \frac{h \nu}{c^2} = \frac{6,62607 \times 10^{-34}\ \mathrm{Js} \times 5,4945 \times 10^{14}\ \mathrm{Hz}}{2,9979^2 \times 10^{8 \times 2}\ \mathrm{m^2/s^2}} = 4,050884989 \times 10^{-36}\ \mathrm{kg}:1\ \mathrm{kg} = m_\gamma^{-1} \times 1\ \mathrm{kg} \times m_\gamma = 1,4755215 \times 10^{40}\ m_\gamma
Dualismo onda-particella del fotone
Content:Il fotone, come ogni oggetto quantistico, possiede sia le proprietà di una particella sia quelle di un'onda. Tale caratteristica, detta dualismo onda-particella, è provata da fenomeni come la diffrazione e l'interferenza (fisica), verificati da molti esperimenti tra cui l'esperimento della doppia fenditura, in cui il passaggio di un singolo elettrone genera una figura di diffrazione. Tale dualismo è dovuto al fatto che il fotone è descritto da una Variabile casuale#Distribuzione di probabilità che contiene tutte le informazioni dinamiche del sistema.B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics (Wiley, 1991) Il concetto di funzione donda, soluzione dell'equazione di Schrödinger per le particelle con massa a riposo non nulla, non è in generale applicabile al fotone, in quanto l'interferenza dei fotoni riguarda l'equazione donda elettromagnetica. Questo fatto ha suggerito che le equazioni di Maxwell siano l'equazione di Schrödinger per i fotoni, anche se la comunità scientifica non è concorde riguardo a questo fatto, in quanto le due espressioni sono matematicamente diverse, a partire dal fatto che una si risolve nel Campo (matematica) Numero complesso e l'altra nel campo Numero reale. Parallelamente alla natura ondulatoria, il fotone può anche essere considerato un punto materiale, in quanto è emesso o assorbito da vari sistemi quantistici come un nucleo atomico o gli elettroni, molto più piccoli della sua lunghezza d'onda. Il principio di indeterminazione, formulato da Werner Karl Heisenberg nel 1927, stabilisce inoltre che non si possono conoscere contemporaneamente due variabili canonicamente coniugate del fotone, confermando così l'impossibilità di una completa rappresentazione tramite una descrizione corpuscolare. File:Gamma-ray-microscope.svgRiassumendo la questione del dualismo onda – particella, si può dire che le radiazioni elettromagnetiche si comportano come onda quando si muovono nello spazio ma nel momento in cui interagiscono con altre particelle elementari (materiali o portatrici di forza) manifestano chiaramente la loro natura quantistica.
L'esperimento mentale di Heisenberg
Content:L'esperimento mentale di Werner Karl Heisenberg per la localizzazione di un elettrone con un microscopio a raggi gamma ad alta risoluzione è un'importante verifica del principio di indeterminazione: un raggio gamma incidente interagisce con l'elettrone deviando il fascio nell'apertura angolare θ dello strumento. L'ottica classica mostra che la posizione dell'elettrone è misurata con un'incertezza Δx che dipende da θ e dalla lunghezza d'onda λ dei fotoni incidenti::\Delta x \sim \frac{\lambda}{\sin \theta}La quantità di moto dell'elettrone è altrettanto incerta, dal momento che esso riceve una spinta \Delta p data dall'interazione col raggio gamma, e l'incertezza è data da:\Delta p \sim p_{\mathrm{fotone}} \sin\theta = \frac{h}{\lambda} \sin\thetaSe la radiazione elettromagnetica non fosse quantizzata se ne potrebbero variare intensità e frequenza indipendentemente, sicché si potrebbe localizzare la particella con precisione arbitraria, violando il principio di indeterminazione, che si ottiene dalla formula ponendo \Delta x \Delta p \, \sim \, h.. Il principio applicato al fotone proibisce la misura simultanea del numero n di fotoni in un'onda elettromagnetica e la fase \phi dell'onda stessa::\Delta n \Delta \phi > 1 \ Essendo privi di massa, i fotoni non possono essere localizzati senza che ciò comporti la loro distruzione in quanto non possono essere identificati da un vettore nello spazio. Questo rende impossibile l'applicazione del principio di Heisenberg \Delta x \Delta p > h/2, e porta ad usare il formalismo della seconda quantizzazione.
Il formalismo della seconda quantizzazione
Content:Secondo la teoria quantistica dei campi "la forza elettromagnetica è il risultato dell'interazione tra il campo dell'elettrone e quello del fotone"“Odissea nello zeptospazio – Un viaggio nella fisica dell'LHC”, di Gian Francesco Giudice, ed. Springer, 2011, pag. 69..Lo stato quantico associato ad un fotone è lo stato di Fock, indicato con |n \rangle, che significa n fotoni nel campo elettromagnetico modale. Se il campo è multimodo, il suo stato quantico è un prodotto tensoriale degli stati fotonici, ad esempio,:|n_{k_0} \rangle \otimes |n_{k_1} \rangle \otimes \dots \otimes |n_{k_n} \rangle \dotscon ki la possibile quantità di moto dei modi e nki il numero di fotoni in un dato modo.
Spin e massa
Content:I fotoni hanno spin 1 e sono quindi classificati come Bosone (fisica). Essi mediano l'interazione elettromagnetica; costituiscono i bosoni di gauge dell'elettrodinamica quantistica (QED), che è una teoria di gauge U(1). Hanno massa invariante pari a zero ma una quantità di energia definita (e finita) alla velocità della luce. Tuttavia, trasportando energia, la teoria della relatività generale dice che sono influenzati dalla gravità, e questo è confermato dalle osservazioni.Una particella non relativistica di spin 1 è dotata di tre possibili proiezioni dello spin (−1, 0 e +1). Tuttavia, le particelle di massa nulla, come il fotone, hanno solo due proiezioni di spin, in quanto la proiezione zero richiede che il fotone sia fermo, e questa situazione non esiste, in accordo con la teorie della relatività. Tali proiezioni corrispondono alle polarizzazioni circolari destra e sinistra delle onde elettromagnetiche classiche. La più familiare polarizzazione lineare è data dalla sovrapposizione delle precedenti. Lo stato di spin 0 corrisponderebbe invece in teoria a una polarizzazione lungo l'asse di propagazione, che appunto non esiste.
Produzione di fotoni
Content:Due fotoni possono essere prodotti in seguito all'annichilamento di una particella con la sua antiparticellanon può essere prodotto un singolo fotone in questo modo in quanto, nel sistema del centro di massa, le due particelle collidenti hanno quantità di moto totale nulla, mentre per i fotoni questo non può succedere: il risultato è che devono essere prodotti due fotoni con quantità di moto opposto affinché la quantità di moto totale sia nulla, in accordo con la legge di conservazione della quantità di moto, oppure possono essere emessi singolarmente sotto forma di radiazione di frenamento (nota anche con il nome di bremsstrahlung).Un procedimento simile inverso è la produzione di coppia, ovvero la creazione di una coppia elettrone-positrone, una Reazione (fisica) in cui un raggio gamma interagisce con la materia convertendo la sua energia in materia ed antimateria: se un fotone altamente energetico va ad impattare contro un bersaglio subisce un urto anelastico che produce un elettrone e un positrone.E.g. section 9.3 in
Fotoni nella materia
Content:Nella materia, i fotoni si accoppiano alle eccitazioni del mezzo e si comportano differentemente. Ad esempio quando si accoppiano ai fonone o agli eccitone producono i polaritone. La dispersione permette loro di acquisire una massa efficace, e quindi la loro velocità scende sotto quella della luce nel vuoto.
Interazione radiazione-materia
Content:Esistono diversi meccanismi di interazione radiazione-materia. A seconda dell'energia dei fotoni incidenti, gli effetti più probabili possono essere schematizzati come segue:
Coefficienti di interazione per i fotoni
Content:In relazione ad un fascio collimato di fotoni monoenergetici di energia E e di fluenza \phi ed un mezzo spesso L si definiscono i coefficienti di attenuazione lineare, trasferimento di energia ed assorbimento di energia.
Coefficiente di attenuazione lineare
Content:I fotoni del fascio primario che hanno interagito con il mezzo si possono considerare tutti allontanati dal fascio primario. Se \mu indica la probabilità di interazione dei fotoni con il mezzo, si ha:\operatorname d\!\phi=-\mu\phi \operatorname d\!lIntegrando si ottiene:\phi(L)=\phi_0e^{-\mu L}\mu è il coefficiente di attenuazione lineare e frequentemente è usato il rapporto \mu/\rho, detto coefficiente di attenuazione lineare massico, dove \rho è la densità del mezzo.
Coefficiente di trasferimento di energia
Content:È un coefficiente che tiene conto dell'energia cinetica trasferita dai fotoni alle particelle cariche secondarie generate dalle interazioni. Detta \bar{\varepsilon}_{tr} l'energia cinetica media trasferita, si ha:\operatorname d\!\bar{\varepsilon}_{tr} = E \mu_{tr} \operatorname d\!ldove \mu_{tr} è il coefficiente di trasferimento di energia. Poiché non tutti i fenomeni di interazione dei fotoni con la materia prevedono trasferimento di energia dal fotone al mezzo (scattering di Rayleigh) possiamo assumere \mu > \mu_{tr}.
Coefficiente di assorbimento di energia
Content:Gli elettroni secondari possono perdere la loro energia nel mezzo non solo per collisioni, ma anche tramite processi radiativi. In questo secondo caso i fotoni così prodotti cedono la loro energia non localmente, ma lontano dal punto del mezzo dove sono stati generati. Di conseguenza l'energia rilasciata localmente nel mezzo dagli elettroni secondari è, in generale, minore dell'energia ad essi trasferita. Possiamo quindi scrivere:\mu_{en}=\mu_{tr}(1-g)\mu_{tr}dove il fattore g tiene conto della perdita di energia degli elettroni secondari tramite fenomeni radiativi quali la Bremsstrahlung, l'annichilazione in volo dei positroni e la fluorescenza.
Note
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Voci correlate
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Altri progetti
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Collegamenti esterni
Content:@an0:http://goldbook.iupac.org/P04627.html@an1:IUPAC Gold Book, "photon"lingua:en@an0:http://pdg.lbl.gov/@an1:The Review of Particle Physics Le informazioni più aggiornate sulle proprietà delle particellelingua:en@an0:Photos Categoria:Fotonica

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laserParticella elementareBosoneBosone di gaugeElettromagneticaAlbert Einsteinquantocampo elettromagneticoquanto di luceonda elettromagneticaradiazione elettromagneticameccanica quantisticaparticellaModello standardbosoneelementaremassabosone di gaugeinterazione elettromagneticagrecogenluce1926otticoComptes rendus hebdomadaires des séances de lAcadémie des sciencesstatunitenseGilbert LewisNaturelettera grecagammaraggi gammaluce visibile.fisica quantisticaelettromagnetismo classicoMaxwellluceonde radioraggi UVcampi elettricimagneticidinamica ondulatoriaMax PlanckAlbert Einsteinprincipio di sovrapposizionedualismo onda-particellamassacarica elettricaspinvelocità della lucespazio-temporadiazione cosmica di fondofrequenzalunghezza dondaTHzcostante di Planckspettro elettromagneticoradiazione visibileraggi gammaDNAWtrilionifotosintesi clorofillianameccanica quantisticaotticafotochimicamicroscopiaFluorescence Resonance Energy Transfercomunicazioni ottichecrittografia quantisticaThomas Young1805, che evidenziò la natura ondulatoria della luce.: radiazione elettromagneticacampo elettricocampo magneticoJames Clerk Maxwell. Anche in questo caso, per essere precisi, se il campo elettrico oscillasse con un seno il campo magnetico dovrebbe oscillare come un coseno: cioè con sfasamento di un quarto di periodo.irachenoAlhazen1270Vitellione1021Arabic Sciences and Philosophy: A Historical JournalCambridge University PressrifrazionediffrazionebirifrangenzaRené DescartesDiscourse on MethodImprimerie de Ian MaireRobert HookeRoyal Society of LondonChristian HuygensIsaac NewtonDover PublicationsThomas YoungAugustin-Jean FresnelinterferenzaUniversity of Chicago Pressequazioni di MaxwellA Dynamical Theory of the Electromagnetic FieldPhilosophical Transactions of the Royal Society of Londonelettromagnetismoradiazione elettromagneticaHeinrich HertzSitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaftenequazioni di Maxwellfrequenzafotochimicacorpo neroMax PlanckAnnalen der Physikeffetto fotoelettricoAlbert EinsteinAddison-WesleyquantoMax Planckcorpo neroatomicorpo nerocatastrofe ultraviolettaequazioni di Maxwellquantieffetto fotoelettricoelettronimetalloradiazione elettromagneticaMaxwellradiazione elettromagneticaquantiradiazione elettromagneticaonda elettromagneticaPhysikalische ZeitschriftEnglish translationWikisourceMitteilungen der Physikalischen Gesellschaft zu Züricheffetto fotoelettricoPremio Nobel per la fisica1921Hendrik LorentzRobert MillikanPremio Nobel per la fisica190219181923radiazioni elettromagneticheMax PlanckquantiatomiquantiRobert MillikanEinsteinelettronefrequenza1916elettronisodioMaxwellluceArthur Holly Compton1921elettronifotoniparticelleenergiaquantità di moto1923effetto ComptonEinsteinradiazione elettromagneticaquantielettronielettronePhysical ReviewArthur Comptonpremio Nobel1927luceEinsteinOxford University Presselettrodinamica quantisticamodello standardAstronomy Lettersvita mediapolarizzazionevettore dondalunghezza dondabosone di gaugeIOP Publishingnumero leptoniconumero barionicosaporePhysics Lettersaccelerazioneatomomolecolaannichilazionevelocità della lucecostante dielettricapermeabilità magneticaenergiavettorequantità di motoAddison-Wesleyfrequenzafrequenza angolarecostante di Planckeffetto fotoelettricoelettroniradiazione elettromagneticalucefrequenzaeffetto fotoelettricofrequenzeenergiafotoniquantità di motofotonieffetto fotoelettricolavoro di estrazioneelettronvoltJouleeVeVpotassioeffetto fotoelettricolavoro di estrazionespinIndian Journal of PhysicselicitàCambridge University PressE=mc²diffrazioneinterferenzaesperimento della doppia fendituradistribuzione di probabilitàfunzione dondaequazione di Schrödingerequazione donda elettromagneticaequazioni di MaxwellNorth-HollandDover PublicationscampocomplessorealeWigner, E.P.Reviews of Modern Physicspunto materialenucleo atomicoelettroniHeisenberg1927Zeitschrift für Physikesperimento mentaleHeisenbergelettronemicroscopioraggi gamma ad alta risoluzione: il fascio incidente è indicato in verde, quello deviato in rosso, mentre in blu è rappresentato lelettrone.radiazioni elettromagneticheondeparticelle elementariesperimento mentaleHeisenbergelettronemicroscopioraggi gammaangolo di aperturaotticaseconda quantizzazioneteoria quantistica dei campiforza elettromagneticaelettronestato di Fockspinbosonibosoni di gaugeelettrodinamica quantisticateoria di gaugemassa invarianterelatività generalegravitàlegge di conservazione della quantità di motobremsstrahlungproduzione di coppiaelettronepositronereazioneraggio gammaurto anelasticoAddison-Wesleyfononieccitonipolaritonieffetto fotoelettricoeffetto Comptonproduzione di coppiascattering di RayleighLista delle particelleBosone (fisica)Bosone vettore intermedioBosone vettoreLuceColoreElettromagnetismoForza elettrodeboleElettricitàRadiazioneTeoria della grande unificazioneLavoro di estrazioneJouleElettronvoltEffetto fotoelettricoCategoria:FotonicaCategoria:Bosoni di gauge

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