Perché il fotone è considerato un quanto di energia?
Alla fine del 19esimo secolo, da misure dello spettro elettromagnetico della luce, i fisici si resero conto di alcune contraddizioni tra la teoria presente allora per descrivere la luce e gli esperimenti. A quel tempo, la radiazione luminosa era descritta come un fenomeno puramente ondulatorio. Ciò era inconsistente con le osservazioni degli spettri termici dei corpi e l’emergenza di una nuova teoria esplicativa si fece avanti all’inizio del secolo. Ancora oggi, il termine “castrofe ultravioletta”, nato a quel tempo per descrivere rappresentativamente il problema, viene utilizzato in contesti analoghi. L’intuizione di Max Planck, basato sull’idea che il corpo nero potesse emettere/assorbire pacchetti di energia luminosa in ‘quanti’, si rivelò corretta e portò Einstein all’idea che la luce fosse composta di particelle, poi chiamate fotoni.
Qual è l’energia di un quanto luminoso?
L’energia di un fotone è dalla formula
dove h è la costante di Planck e ν denota la frequenza dell’onda elettromagnetica.
Il fotone rientra nell’equazione E= mc² ?
La risposta è sì.
Mentre alla domanda, il fotone ha massa? La risposta è no.
Per capire meglio, bisogna fare una breve precisazione circa alla definizione di massa. In questo caso la confusione nasce da un problema di definizione. Spesso si conosce l’espressione per l’energia di un fotone ( E=hν ) e la famosa formula di Einstein E=mc². E così dall’uguaglianza tra le due si è portati a pensare che il fotone abbia massa m ≠ 0. Il problema sta nel fatto che la quantità m che compare nella formula di Einstein è la cosiddetta “massa relativistica”: si tratta di una concezione diversa di massa da quella a cui siamo familiari; la m.r. è una misura dell’energia della particella, e varia con la velocità. Per convenzione, ciò che quotidianamente chiamiamo ‘massa’ non è la ‘massa relativistica’ ma, con la terminologia moderna, la ‘massa invariante’. Quest’ultima è una proprietà intrinseca della particella e, come si deduce dal nome, è indipendente dal sistema di riferimento. La sua ‘invarianza’ in tal senso la rende una quantità utile e concettualmente ben definita.
Se si vuole si può affermare che il fotone ha ‘massa relativistica’ non nulla, ma quest’affermazione non ha molto seguito dal punto di vista pratico e del senso fisico.
Perché se il fotone ha massa zero trasporta energia?
Una volta riportato il termine ‘massa’ al vocabolario moderno e fatta chiarezza, veniamo a quest’altra domanda. L’energia di una particella di massa m e momento p è data dalla formula
dove c è una costante universale, es. la velocità della luce.
Inserendo nella formula m=0, otteniamo che una particella con massa nulla ha l’energia E=pc diversa da zero. Potrebbe nascere anche qui una certa confusione rievocando dalla fisica newtoniana la relazione p=mv che definisce il momento in termini di massa e velocità della particella. Anche stavolta, si tratta dello stesso problema semantico. Non bisogna cadere in errore: la formula del momento newtoniano si generalizza in relatività speciale allo stesso modo, ma sempre dando alla massa la connotazione di `massa relativistica’.
Infine, cos’è precisamente un fotone in Fisica? Il fotone è una delle particelle elementari descritte dal Modello Standard. Appartiene alla categoria dei bosoni (le particelle con spin intero), ha massa nulla e spin 1. I bosoni sono considerati i mediatori delle interazioni, e nel caso del fotone esso è mediatore dell’interazione elettromagnetica.
A questa domanda di Gianni C. ha risposto Pietro Grutta.