Che cosa sono i fotoni?
Scienza e Fisica Quantistica
Cosa sono i fotoni? Quali le caratteristiche particolari
di queste interessanti particelle? Come si studiano?
Antonella Ravizza - 15/06/2019
La luce da sempre ha attratto la curiosità dell’uomo: di
che cosa è fatta? Perché è così brillante? Il segreto sta nel fotone, una
piccolissima particella di luce! Cerchiamo di scoprire insieme le principali
caratteristiche di questa interessante particella elementare.
Quando aveva 16 anni, Albert Einstein sognò davanti ad
uno specchio di cavalcare un raggio di luce. Il giovane sognatore intuì che non
sarebbe riuscito a vedersi riflesso nello specchio, perché, stando sopra alla
luce, si sarebbe mosso esattamente alla sua velocità; per potersi specchiare
avrebbe dovuto superare la velocità della luce stessa. Qualche tempo dopo lo
stesso Einstein, studente al Politecnico di Zurigo, si rese conto che la velocità
della luce è una costante.
Cosa sono i fotoni?
Il termine fotone deriva dal greco e fu introdotto per la
prima volta da Gilbert Lewis nel 1926. Il fotone si indica con la lettera greca
γ ed è associato ad ogni radiazione elettromagnetica. Pur essendo un fenomeno
ondulatorio, la radiazione elettromagnetica ha anche una natura quantizzata che
le consente di essere descritta come un flusso di fotoni.
Il fotone è una particella che ha vita infinita: può
essere creato e distrutto dall’interazione con altre particelle, ma non può
decadere spontaneamente. Pur non avendo massa, è influenzato dalla gravità e
possiede energia; nel vuoto si muove alla velocità della luce (c=300000 km/s
circa), mentre nella materia si comporta in modo diverso e la sua velocità può
scendere al di sotto di c. In effetti, quando interagisce con altre particelle
acquisisce massa e non si muove più alla velocità della luce. Bohr ipotizzò che
un atomo può emettere un’ onda elettromagnetica (o radiazione) solo quando un
elettrone si trasferisce da un’orbita con energia maggiore (Ei) a un’ orbita
con energia minore (Ef).
L’energia dell’onda elettromagnetica emessa è: E= Ei-Ef .
Dal momento che sia Ei sia Ef possono assumere solo valori ben definiti,
l’energia della radiazione elettromagnetica emessa dall’atomo non può avere
qualsiasi valore, ma solo quantità discrete, dette quanti di energia: i fotoni.
Quindi la materia è in grado di emettere o assorbire energia raggiante solo
sotto forma di pacchetti energetici. Einstein calcolò l’energia associata ad
ogni fotone e vide che era proporzionale alla frequenza dell’onda
elettromagnetica.
Onda o particella? La doppia natura del fotone
Prima delle scoperte della prima metà del XX secolo, onde
e particelle sembravano concetti opposti: un'onda riempie una regione di
spazio, mentre un elettrone o uno ione hanno una locazione ben definita. Su
scala atomica, in effetti, la distinzione diventa confusa: le onde hanno alcune
proprietà delle particelle e viceversa.
Effettivamente il fotone mostra una duplice natura, sia
corpuscolare, sia ondulatoria: a seconda della strumentazione usata per
rilevarlo, si comporta come una particella, o si comporta come un’onda.
L’esperimento dell’effetto fotoelettrico (quel fenomeno per cui si ha emissione
di elettroni da parte di un corpo colpito da onde elettromagnetiche) suggerisce
la natura corpuscolare della luce, mentre i fenomeni di diffrazione e di interferenza
suggeriscono una natura ondulatoria.
Per valutare come la luce passi attraverso un telescopio,
si calcola il suo moto come se la luce fosse un’onda. Però, quando la stessa
onda cede la sua energia a un singolo atomo, risulta che essa si comporta come
una particella. Indipendentemente dal fatto che un raggio di luce sia più
brillante o debole, la sua energia viene trasmessa in quantità delle dimensioni
di un atomo (il fotone) la cui energia dipende soltanto dalla lunghezza d'onda.
Le osservazioni hanno mostrato che tale “dualità” onda-particella esiste anche
in direzione opposta.
Un elettrone dovrebbe avere, in ogni istante, posizione e
velocità ben definite; ma la fisica quantistica ci dice che una precisione in
osservazioni di questo tipo non può essere ottenuta, e ci suggerisce che il
moto può essere descritto come un'onda. Il dualismo onda-particella era
considerato paradosso fino all’introduzione completa della meccanica
quantistica, che descrisse in maniera unificata i due aspetti. La radiazione si
comporta come un’onda quando si propaga nello spazio, mentre si comporta come
particella quando interagisce con la materia.
Si introducono quindi nuove quantità e notazioni: un'onda
elettromagnetica di lunghezza d'onda λ percorre una distanza di c metri ogni
secondo. La sua frequenza ν, cioè il numero di oscillazioni in su e giù ogni
secondo, si può ottenere dividendo c per la lunghezza d'onda: ν = c/ λ . Una
legge fondamentale della fisica quantistica dice che l'energia E in joule di un
fotone di frequenza ν è: E = hν, dove h = 6,624 10-34joule-sec è la
"costante di Planck".
Luce solida e computer quantistici
Oggi si sa molto di più: i ricercatori dell’Università di
Princeton sono riusciti a rallentare i fotoni e a creare una stranissima e
nuova forma di luce: la luce solida! Hanno cioè creato un cristallo fatto non
di atomi ma di fotoni, cioè di particelle che costituiscono la luce (fotoni
congelati).
Hanno ottenuto un agglomerato di 100 miliardi di atomi di
materiale superconduttore come fosse un atomo artificiale; nelle sue vicinanze
hanno fatto passare un filo superconduttore contenente fotoni. La luce ha
potuto, così, “solidificarsi”, cambiando natura con un processo che è stato
paragonato a una transizione di fase, cioè simile a quando un gas si condensa
per diventare liquido o solido.
Lo scopo finale dei ricercatori è la realizzazione di un
computer quantistico capace di effettuare calcoli molto più complessi di quelli
che risolvono i computer tradizionali. Chissà, magari tra qualche anno, un altro
giovane sognatore potrà effettivamente cavalcare un cristallo di luce solida e
rendere realtà il sogno del piccolo “grande” Einstein!
Approfondisci il tema su
Scienza e Conoscenza - n. 59 - Rivista Cartacea >> https://goo.gl/QbKsWF
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