1.8: Fotones y Ondas Electromagnéticas

La mayoría de las veces no es necesario considerar la naturaleza cuántica de las ondas de radio. Considerar los campos eléctricos y magnéticos, y las ecuaciones de Maxwell, es suficiente para entender los sistemas de radio. Aún así, la física subyacente es que las corrientes en los circuitos derivan del movimiento de las partículas cuánticas, aquí los electrones, y las señales EM propagadoras son transportadas por fotones, también partículas cuánticas.

En un sistema receptor, la información es traducida por una antena metálica desde los fotones propagantes a cargas móviles en un conductor. Esta transferencia de información es a través de la interacción de un fotón con portadores de carga. Por lo que la transferencia de información se basa en la energía cuantificada de un fotón y es posible que los efectos cuánticos puedan ser importantes. El nivel relativo de la energía fotónica y la energía cinética aleatoria de un electrón es importante para determinar si se deben considerar los efectos cuánticos.

Con toda la radiación EM, la información es transportada por fotones y la energía de un fotón se expresa convencionalmente en términos de electrón voltios (\(\text{eV}\)). Un electrón voltio es la energía ganada por un electrón cuando se mueve a través de un potencial eléctrico de\(1\text{ V}\) y\(1\text{ eV} = 1.602\times 10^{−19}\text{ J}\) (\(1\text{ J}=6.241509\times 10^{18}\text{ eV}\)). La energía de un fotón es\(E = h\nu = hf\), donde\(h = 6.6260693\times 10^{−34}\text{ J}\cdot\text{s}\) está la constante de Plank\(\nu\) y y\(f\) son frecuencia, con el símbolo\(\nu\) preferido por los físicos y\(f\) preferido por los ingenieros. Entonces la energía de un fotón es proporcional a su frecuencia. A frecuencias de microondas, la energía de un fotón de microondas varía de\(1.24\:\mu\text{eV}\) at\(300\text{ MHz}\) a\(1.24\text{ meV}\) at\(300\text{ GHz}\). Esta es una cantidad muy pequeña de energía.

Nota

Físicamente\(kT\) es la cantidad de energía requerida para aumentar la entropía (correspondiente al movimiento) de los electrones en un factor de\(e\) [12].

La energía térmica de un electrón en julios es\(E|\text{J} = kT\) donde\(k = 1.3806505\times 10^{−23}\text{ J/K}\) está la constante de Boltzmann y\(T\) es la temperatura en kelvin. Esto se aplica a un electrón que se mueve en un grupo de electrones, digamos en un plasma, en equilibrio termodinámico. Los electrones libremente conductores en un conductor están en un plasma. La energía térmica de tal electrón es su energía cinética aleatoria con\(kT =\frac{1}{2}mv^{2}\) donde\(m\) está la masa del electrón y\(v\) es su velocidad. (La energía térmica de un electrón aislado, es decir, en un gas de electrones que no interactúa, es\(\frac{3}{2}kT\), pero esa no es la situación con los circuitos de microondas). A temperatura ambiente (\(T = 298\text{ K}\)) la energía térmica de un electrón conductor en un metal es\(kT = 25.7\text{ meV}\). Esto es mucho más que la energía de un fotón de microondas (\(1.24\:\mu\text{eV}\)to\(1.24\text{ meV}\)). Por lo tanto, a temperatura ambiente los efectos cuánticos discretos no son evidentes para las señales de microondas y, por lo tanto, la radiación de microondas (a temperatura ambiente) puede tratarse como un efecto continuo.

Un fotón tiene una naturaleza dual, como partícula y como onda EM. El punto de ruptura en cuanto a qué naturaleza ayuda más en la comprensión del comportamiento depende de la energía del fotón versus la energía térmica de un electrón. Cuando un fotón de microondas es capturado en un metal a temperatura ambiente tiene poco sentido hablar del fotón como el aumento del estado energético de un electrón individual. En cambio, lo mejor es pensar en el fotón como una onda EM con un campo eléctrico que acelera un conjunto de electrones libres (en la banda de conducción). Así, la energía de un fotón se transfiere a un grupo de electrones como electrones que se mueven más rápido pero con el aumento de energía siendo tan pequeño en relación con la energía térmica que un efecto cuantificado no es aparente. Sin embargo, incluso una señal de microondas de muy baja potencia tiene una enorme cantidad de fotones (una\(1\text{ pW}\)\(300\text{ GHz}\) señal tiene\(5\times 10^{9}\) fotones por segundo) y cada fotón acelera un poco los electrones libres con el efecto combinado de que el campo eléctrico de la señal de microondas da como resultado apreciable actual. Esta es la visión que utilizamos con circuitos de temperatura ambiente y antenas a frecuencias de microondas; la señal EM (en lugar de fotones discretos) interactúa con los electrones libres en un conductor y produce corriente. Los efectos cuánticos deben considerarse cuando la temperatura es muy baja (digamos a continuación\(4\text{ K}\)) o la frecuencia es muy alta, por ejemplo, las energías de fotones para la luz roja (\(400\text{ THz}\)) es\(1.7\text{ eV}\).