Etimologia#
Il termine fotone deriva dal greco φῶς, φωτός (phôs, phôtós, «luce»). Comparve già nel 1916, con tutt’altro significato, nell’opera dello psicologo e fisico americano Leonard T. Troland; assunse il senso attuale alla fine del 1926, quando il chimico-fisico Gilbert N. Lewis lo propose in una lettera alla rivista Nature. Curiosamente, il nome sopravvisse alla teoria che lo aveva generato: il modello fisico a cui Lewis lo aveva legato (una teoria simmetrica di emissione e assorbimento della luce) fu presto abbandonato, mentre il termine si affermò con il significato che oggi conosciamo.
Il fotone è il mediatore della forza elettromagnetica e il veicolo con cui luce ed energia radiante si propagano e interagiscono con la materia. È il quanto della radiazione elettromagnetica, cioè la quantità minima indivisibile della radiazione elettromagnetica. Può essere pensato come la particella fondamentale che costituisce la luce e tutte le altre bande dello spettro, dalle onde radio fino ai raggi gamma.
Il concetto fu introdotto da Max Planck nel 1900 per spiegare lo spettro del corpo nero, e sviluppato da Albert Einstein nel 1905 per spiegare l’effetto fotoelettrico, lavoro che gli valse il Premio Nobel nel 1921.
Massa, energia e momento#
I fotoni possiedono alcune caratteristiche peculiari: hanno massa a riposo pari a zero, non hanno carica elettrica e sono incredibilmente stabili (non decadono spontaneamente in altre particelle). Nel vuoto ogni fotone si muove alla velocità della luce $c$ ($299\,792\,\mathrm{km/s}$). Pur non avendo massa, i fotoni trasportano energia e quantità di moto, che dipendono direttamente dalla frequenza dell’onda elettromagnetica a cui sono associati.
L’energia ($E$) di un singolo fotone è regolata dalla celebre equazione di Planck:
$$ E = h \cdot \nu $$dove $h$ è la costante di Planck e $\nu$ (nu) è la frequenza dell’onda. In base a tale formula, fotoni associati a onde a bassa frequenza come le onde radio hanno pochissima energia, mentre fotoni associati a onde ad alta e altissima frequenza, come i raggi X e i raggi gamma, trasportano quantità enormi di energia.
Il fatto che possieda una quantità di moto (momento lineare), permette a un fotone di «spingere» contro le superfici che colpisce, esercitando una forza detta pressione di radiazione.
Dualismo onda-particella#
In generale, la radiazione elettromagnetica si comporta come un’onda geometrica continua quando si propaga nello spazio (è soggetta, infatti, a fenomeni come la rifrazione e l’interferenza, tipici delle onde), ma si comporta come un flusso di particelle discrete (i fotoni, appunto) quando interagisce con la materia, ad esempio quando viene assorbita dagli atomi di un sensore CCD di un telescopio o quando colpisce i gas di una nebulosa. È un esempio del classico dualismo onda-particella della meccanica quantistica.
Quando osserviamo una stella o una galassia, in realtà stiamo rilevando fotoni che hanno viaggiato nello spazio per anni, secoli o addirittura miliardi di anni prima di raggiungere i nostri telescopi.