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Che cosa sono i fotoni?

Scritto da: Antonella Ravizza | Scienza e Fisica Quantistica

Che cosa sono i fotoni?

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!



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