Energía de un fotón

Su energía "cinética" (si se puede llamar así) es su única energía. No tiene masa.

Es la energía total del fotón y en cierto sentido también es la energía cinética. La relación energía-momento dice que la energía de un objeto está dada por

Ahora, un resultado de la mecánica cuántica es que la energía está relacionada con la frecuencia,$E=h\nu$, y el momento está relacionado con la longitud de onda,$p=\frac h\lambda$. Esto es cierto para todas las partículas, no solo para los fotones. Lo que es especial para los fotones es que si conectas esta expresión en la energía que obtienes$\nu\lambda=c$.

La razón que$E=h\nu$se usa a menudo para los fotones porque no tienen masa en reposo, por lo que su frecuencia es una de sus características definitorias. También estamos acostumbrados a medir la frecuencia de la luz. Tus ojos son bastante buenos en esto. Pero para reiterar:$E=h\nu$es cierto para cualquier partícula, pero para partículas masivas normalmente no se calcula la frecuencia.

$\dagger$La energía cinética relativista real viene dada por$(\gamma-1)mc^2$como se puede ver aquí . Entonces, esta declaración es solo en un sentido amplio.

Fuente de la imagen: https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_redshift

No estoy seguro de que realmente tenga sentido usar el término energía cinética para un fotón.

La energía es útil cuando hablamos de diferencias de energía, como la energía antes y después de una colisión.

Tiene sentido separar la energía en diferentes tipos para una partícula u objeto masivo clásico. Para tal partícula,$\Delta E = \sum_i \vec F_i \cdot \vec d + \frac{1}{2}mv_f^2 - \frac{1}{2}mv_i^2$.

Para diferentes tipos de fuerzas, existen diferentes energías potenciales. Por ejemplo, si levantas un objeto en contra de la gravedad, su energía potencial gravitatoria aumenta. Si separas un electrón y un protón, su energía potencial eléctrica aumenta.

A veces los ves disfrazados, donde otros términos se usan para lo que en realidad es lo mismo. Los enlaces químicos se basan en fuerzas electromagnéticas entre electrones y núcleos. Pero hablamos de energía química en lugar de energía potencial eléctrica.

Cuando comprimes un resorte, estiras los enlaces químicos entre los átomos de metal. Hablamos de energía potencial almacenada en el resorte, sin profundizar en identificarla como energía potencial electromagnética.

La energía cinética es la$\frac{1}{2}mv^2$término. Para una partícula, esto se puede hacer más grande o más pequeño a medida que la partícula se acelera o se desacelera en respuesta a las fuerzas.

La razón por la cual la energía es útil es la conservación. Si dos partículas interactúan, una puede ganar energía y la otra perderla, por lo que los totales antes y después son los mismos.

O para una sola partícula en caída libre cerca de la Tierra, puede ganar energía cinética al perder energía potencial.

Un fotón tiene energía, pero no responde a las fuerzas y no se acelera ni se ralentiza. Así que no tiene sentido dividir la energía en diferentes tipos como este. Un fotón no puede ganar o perder un tipo de energía a expensas de otro. Gana energía cuando se crea y la pierde cuando se absorbe. La cantidad nunca cambia. Un fotón simplemente tiene energía.

Un fotón puede interactuar con un átomo. Un fotón puede ser absorbido y desaparecer mientras el átomo pasa a un estado excitado. En este estado excitado, un electrón salta a un orbital diferente. En promedio, está más lejos del núcleo y tiene una velocidad diferente.

Podría intentar decir que el átomo ahora tiene más energía potencial cinética y eléctrica. Pero esto realmente no funciona tan limpiamente como lo hace en la mecánica clásica. Los electrones son muy ligeros. Una descripción clásica de su comportamiento en un átomo no funciona. Debido al principio de incertidumbre, el electrón no tiene una posición ni una velocidad exactas. Entonces no puedes decir cuánto es energía cinética y cuánto es energía potencial. Solo puedes decir que el electrón ganó energía.

Los átomos son mucho más pesados, y puede hablar razonablemente sobre la posición y la velocidad de un átomo (aunque no puede ser infinitamente preciso al respecto). Puede hablar sobre la cantidad de energía del fotón que se utilizó para promover el electrón a otro orbital, y cuánto entró en el retroceso del átomo.

Así que solo hablamos de la energía de un fotón y la energía de un electrón en un átomo.