Categorie: Fisica classica Meccanica quantistica Relatività
Tags: fotone quiz
Scritto da: Vincenzo Zappalà
Commenti:19
QUIZ: La peculiarità più peculiare del fotone */****
Sappiamo tutti che il fotone è una particella (oltre che onda) e il suo stato di particella è stata dimostrata attraverso vari effetti, come quello Compton (il fotone si fa sentire e come!). Sappiamo, però, che la sua massa è nulla. Sembra un’assurdità, ma si può risolvere facilmente sapendo che il fotone ha una caratteristica veramente speciale, che lo fa differire dalle altre particelle dotate di massa diversa da zero. Quale? Pensate che basandosi su questa specie di paradosso, Einstein ha dimostrato “brutalmente” la sua più celebre formula mediatica (la proporremo come alternativa alla determinazione più classica).
La risposta deve essere telegrafica, senza cercare di sollevare problematiche che saranno discusse nel prosieguo della DR. Ragione per cui, il quiz può tranquillamente essere risolto senza particolari conoscenze, anche se rimane un punto fondamentale di tutta la fisica. Ed ecco perché gli asterischi vanno da 1 a 4: uno per la risposta in sé, quattro se si comprendono le enormi conseguenze.
Dico subito che la risposta la darò dopo aver terminato la quantità di moto relativistica. Quindi c’è tutto il tempo che si vuole…
19 commenti
Velocità
Caro Enzo, presumo che si tratti del fatto che i fotoni si possono in qualche modo pensare un po’ come dei distributori di carburante e informazioni a domicilio, ossia possiedono una certa quantità di energia e nei loro giochi con gli amici elettroni, a volte ne cedono una parte altre volte si caricano o si ricaricano…
Tra i giochi preferiti dei fotoni, figura il biliardo….
Il fotone si lancia a tutta velocità (che poi è la sua solita irraggiungibile velocità) urtando un elettrone che per ripicca rompe ogni legame con il suo atomo e si mette a fare la carica libera…
L’atomo, arrabbiatissimo, si carica all’inverosimile, ma mantiene il suo atteggiamento positivo e si mette a fare lo ione…
Tutto quel surplus di carica e quegli atomi arrabbiatissimi che fanno gli ioni creano un sacco di potenziale.
E tutti quegli elettroni in fuga, sembrano un fiume che fluisce, un fiume dalle forti correnti.
Nel frattempo i nostri amici fotoni, un po’ storditi da tutti quegli urti, si sentono un po’ fiacchi… tutti quei regali energetici li hanno stancati ed ora hanno meno energia a disposizione.
A guardarli non sembrerebbe, poiché si muovono sempre alla stessa solita irraggiungibile velocità….
Eppure se li si guarda bene bene non è difficile vedere che hanno cambiato colore… sono tutti arrossati e sudaticci, si vede che c’è qualcosa che non va, non è la solita frequenza che li contraddistingue….
L’urto ha donato la libertà a un po’ di amici elettroni, che grazie alla spinta ed a quel surplus di energia cinetica hanno potuto abbandonare il nucleo, ma in cambio il pimpante fotone ha perso un po’ della sua energia… e quando un osservatore di passaggio decide di trattare i fotoni come le onde del mare, si accorge che la frequenza con cui le onde giungono a riva è cambiata… prima le onde arrivavano una dietro l’altra, ora sono più allungate e giungono con meno frequenza…
I simpatici fotoni sono abituati agli urti, ma non modificano mai la loro velocità.... fanno gli indifferenti….. per accorgersi che qualcosa è cambiato bisogna concentrarsi sul loro alter ego dall'aspetto ondulatorio..
Non sempre gli urti rendono gli elettroni liberi, qualche volta i fotoni danno una spintarella giusta giusta (né troppo forte, né troppo debole) per consentire all’elettrone per un istante di aumentare la sua distanza dal nucleo, per poi tornare alla distanza originaria e restituire al fotone l’energia che gli ha prestato.
Il fotone scattante come al solito riparte velocemente con la stesa energia di prima, anche se il suo percorso cambia rispetto a quello di arrivo e il fotone sceglie un sentiero qualunque tra i tanti possibili… una vera scattante performance..
Paolo
Mamma mia Paolo... ormai sei diventato un poeta!!!!!!
Dai comunque la risposta sintetica!!!!! (cosa che tra l'altro hai ripetuto spesso nella tuta splendida descrizione papalliana 
)
Rispondo parzialmente anche a Giorgio...
Ha ragione a dire che nessuno può raggiungere la sua velocità, ma permettetemi di fare un paragone... animale: "Nessuno può raggiungere la velocità del rondone (si dice), ma..." La vera caratteristica del fotone è quindi qualcosa in più della sua velocità...
Sono troppo buono...
penso che la risposta sia: é l'unica cosa che pur avendo le caratteristiche di una particella viaggi alla velocità della luce rispetto a qualsiasi sistema di riferimento
Vabbè, vabbè, facciamo i sintetici
La massa del fotone è zero, per lui in caso di urti non cambia la quantità di moto, anche perchè è improprio parlare di quantità di moto di una particella priva di massa il cui modulo della velocità non cambia, ma cambia l'energia a disposizione che si traduce in una variazione della frequenza luminosa..
La "duplice" natura della luce, ondulatoria e corpuscolare emerge con forza... il fotone può urtare l'elettrone comportandosi come una qualunque particella, mentre la perdita di energia si manifesta come mutamento della frequenza dell'onda luminosa.
Paolo
il fatto di avere una quantità di moto pur avendo massa nulla?
A mio avviso non se si possa definire quantità di moto in senso classico, però se dopo un urto una particella dotata di massa muta il valore della sua Energia cinetica e di conseguenza la sua quantità di moto, nel caso del fotone muta la sua frequenza : "q" = hf/c ed E = hf
Nel caso di un urto, sia la "quantità di moto" totale, sia l'energia totale fotone + elettrone, devono conservarsi.
Paolo
caro Umberto,
direi qualcosa che è l'inverso di quanto hai detto... Se ha una quantità di moto vuol dire che non ha massa nulla, ma come fa ad averla ? Solo e soltanto perché ha questa caratteristica... banalissima...
Scusate, mi sto divertendo un poco: sembra che giriate attorno al topo come tanti gatti, ma non date la zampata finale (almeno quella che vorrei io... ma state dicendo cose giuste, ovviamente, e che dimostrano una volta di più che avete capito molte cose e ne sono contentissimo!
)
Ha un'energia.... vuoi vedere che l'energia è una diversa manifestazione della massa e viceversa?
Paolo
Beh... questa è una verità assoluta. In qualche modo ti assicura la "massa" necessaria alla quantità di moto per non essere uguale a zero. Ma come fa ad avere la massa diversa da zero?
Lo stiamo per imparare.... 
Massa relativistica?
Ricordo che hai fatto qualche accenno in alcuni articoli, ma non ho il tempo in questo momento di andare a cercarli...
esattamente Daniela... è proprio ciò che introdurremo per continuare a conservare la quantità di moto anche nella RR. Il problema è: "come riesce il fotone ad avere quantità di moto se non ha massa?". La risposta è che una certa massa ce l'ha, ma per averla deve fare una certa "cosa" sempre e comunque...
E' instancabile il fotone si muove sempre..... alla stessa velocità.. .. se fosse in salotto a riposare non ci sarebbe quantità di moto, la sua massa relativistica sarebbe a riposo... niente movimento, niente energia, niente frequenza ... mi sa che mi han tagliato la luce..
Paolo
deve "morire" ?!
ma sì... ha ragione Paolo... è inutile continuare a dire la stessa cosa in modi diversi
Il fotone può avere massa relativistica (e quindi energia) solo se non si ferma mai. Il che vuole anche dire che il fotone è un corridore instancabile e non può mai fermarsi.
Insomma la stupida risposta a una stupida domanda era proprio questa: non è tanto il fatto che esso viaggi a una certa velocità insormontabile (anche se è l'unico a poterlo fare) che lo rende veramente unico, ma il fatto che per "esistere" deve sempre correre a quella velocità. Al limite potrebbe anche rallentare in sostanze diverse, ma deve sempre correre come un disperato.
E' un po' come un papalatleta: se si ferma cessa di esistere!
Scusa Enzo io avrei una domanda… è qualcosa che mi sono chiesto più di una volta.... La luce ha una certa velocità costante quando viaggia nel vuoto…
Tale velocità sembra cambiare quando la luce attraversa alcuni materiali o gas….che sembrano rallentarne la corsa. Ma davvero i fotoni rallentano?
Mi spiego meglio cambia davvero anche la velocità dei fotoni, oppure ciò è solo l’effetto delle interazioni che i fotoni sono costretti a compiere interagendo con il mezzo che attraversano, ossia i numerosi fenomeni di scattering, con assorbimento e riemissione dei fotoni allunga il tempo che la luce impiega per attraversare il mezzo?
Io propenderei per questa seconda ipotesi, ma…
Paolo
Paolo, hai perfettamente ragione... come si diceva nella QED (ricordi?). Tuttavia, è del tutto equivalente pensare a un rallentamento, dato che il risultato è lo stesso. Non esageriamo con la pignoleria...
ma allora ha senso dire che ha una massa nulla? Si intende la massa a riposo? Se è in movimento la massa c'è ma siccome non può star fermo come si può parlare di massa a riposo?
Eh sì Umberto,
la sua massa a riposo è nulla (teoricamente), ma non può mai trovarsi. Il fotone si può anche distruggere, ma non si può mai fermare. In altre parole, se fosse fermo non avrebbe energia... Dato che la sua massa è solo una forma di energia, quando non ha energia (fermo) ha massa uguale a zero. Ma questo non può succedere.