¿Qué irradia un átomo: un paquete de ondas o un solo fotón?

Un átomo excitado irradia un paquete de ondas , es decir, un patrón oscilatorio de campo EM que está efectivamente localizado en el espacio y el tiempo. Ciertamente, no emite la onda plana estrictamente monocromática (que es infinita en el espacio y el tiempo), ni un objeto puntual (una distribución puntual de un campo incluye componentes de Fourier con una gran energía arbitraria). Incluso se puede hablar de la "forma" de este paquete de ondas: normalmente tiene un frente afilado y una cola que se descompone exponencialmente.

Una pregunta aparte es ¿qué es el fotón? Supongo que no hay una respuesta universal; lo que llamamos "el fotón" depende de la situación.

Cuando cuantificamos el campo electromagnético, "el fotón" significa la excitación del campo EM con una energía y un momento fijos. (Para ser más precisos, introducimos una función reguladora que decae en el infinito, pero luego consideramos todo en el límite cuando la función reguladora tiende a la unidad idéntica. Entonces, a todos los efectos, todavía podemos pensar en la excitación monocromática). Pero cuando discutimos los modos normales del campo EM con condiciones de contorno no triviales, por ejemplo, en un resonador dentro de un láser, los fotones, aunque son monocromáticos, ya no son ondas planas espacialmente infinitas.

Cuando hablamos de emisión y absorción de cuantos de luz, que siempre proceden en paquetes de ondas más o menos localizados, solemos llamar a estos paquetes de ondas fotones. En determinados casos, por ejemplo en astrofísica, podemos incluso hablar del momento en que se emitió un fotón (¡aunque no se trata de un acto momentáneo!).

Todas estas sutiles diferencias se vuelven aún más delicadas cuando se habla de la oscilación de neutrinos. Ha habido y hay mucha confusión que se origina en suposiciones injustificadas de cómo se produce y detecta un neutrino (paquetes de ondas vs. ondas planas, el momento y la posición en que se emite el neutrino, etc.). Afortunadamente, el campo EM no se mezcla (al menos en el vacío).

Cuando con "irradiar" te refieres a la radiación emitida por un estado excitado de un átomo que se descompone en el estado fundamental, entonces tienes un solo fotón, pero su frecuencia no se conoce de antemano debido a la ampliación espectral de la transición.