¿Qué es un fotón? Una partícula fundamental para la energía solar

La energía solar fotovoltaica es uno de los tipos de energía renovable que más potencial tiene en la actualidad. Se puede utilizar en todo el mundo y, después de la inversión inicial, los costes de operación y mantenimiento son bajos, lo cual aumenta su rentabilidad.

¿Cómo son de importantes los fotones para el tránsito de la radiación solar en la Tierra? En este post de Svea Solar te explicaremos no sólo que son los fotones, sino también te hablaremos sobre su importancia para la tecnología solar fotovoltaica.

¿Qué es un fotón?

Según la física cuántica, un fotón es una partícula elemental que compone la luz y el quantum de energía en forma de radiación electromagnética, emitido o absorbido por la materia.

También se define como una partícula indivisible que se mueve a la velocidad de la luz. La luz viene en paquetes a los que se les llama fotones. Sin embargo, no se puede detectar su estructura a simple vista.

Albert Einstein le daba al fotón la denominación de “cuanto de luz”. Fue el físico estadounidense Gilbert Newton Lewis quien acuñó el nombre moderno de fotón, que significa luz en griego.

Los fotones son las partículas portadoras de las formas de radiación electromagnética, no sólo de la luz. En ellas se incluyen los rayos X, los rayos gamma, la luz ultravioleta, la luz infrarroja, la luz visible, las microondas y las ondas de radio.

La idea de la luz como partícula retornó con el concepto moderno de fotón. Los fotones viajan en el vacío a velocidad constante y carecen de masa. Tampoco tienen carga eléctrica, pero presentan propiedades de ondas y de partículas como todos los cuantos.

Un fotón puede comportarse como una onda en fenómenos como la refracción, que ocurre por ejemplo en los lentes. También se comporta como una partícula cuando interactúa con la materia para transferir una cantidad determinada de energía, que es inversamente proporcional a la longitud de la onda.

El aspecto de la partícula de un fotón se correlaciona con la expresión de un momento angular constante y cuantificado. Se expresa en la constante de Planck y su energía se obtiene por el producto de esta constante, de momento angular por un término de frecuencia.

Para que el ojo reciba suficiente estimulación y pueda ver la luz, se requiere que la energía de un fotón sea alrededor de 4x1019 julios. Además de la energía, los fotones también están asociados a una cantidad de momento lineal y a una polarización.

Propiedades de los fotones

Como habíamos comentado previamente, la masa de un fotón es igual a cero, lo que implica que no tiene masa ni tampoco carga eléctrica. Los fotones, como partículas estables que son, constan de varias propiedades físicas:

Emisión

Se emiten en varios procesos naturales. Por ejemplo, cuando una carga se acelera, se emite radiación sincrotrón. Durante una transición molecular, atómica o nuclear a un nivel de energía más bajo, se emitirán fotones de varias energías o cuando se aniquila una partícula con su antipartícula.

Absorción

Los fotones se absorben en los procesos de reversión temporal. Por ejemplo, en la producción de pares partícula – antipartícula o en las transiciones moleculares, atómicas o nucleares a un nivel más alto.

Energía y movimiento

Se mueven a la velocidad de la luz en el espacio vacío. La energía del fotón y su movimiento lineal dependen de su frecuencia, la cual es equivalente a su longitud de onda.

¿Para qué se usan los fotones?

Son muchas las aplicaciones que tienen los fotones hoy en día, sobre todo en tecnología. El estudio de los fotones ha conducido a avances importantes, tanto en la física teórica como en la experimental. Los ejemplos los encontramos con los láseres, la teoría cuántica de campos, el condensado de Bose – Einstein, entre otros.

También se han utilizado en la fotoquímica, en la microscopía de alta resolución y en la medida de distancias moleculares. Estas son algunas de sus aplicaciones:

Ingeniería y química

Los ingenieros y químicos suelen utilizar la fórmula de la energía de Planck en diseño. Esto se utiliza para calcular el cambio de energía resultante de una absorción de fotones y para determinar la frecuencia de la luz emitida por una emisión de fotones.

El espectro de la emisión de una lámpara fluorescente puede diseñarse utilizando moléculas de gas con diferentes niveles de energía eléctrica. También se ajusta la energía con la cual un electrón choca con las moléculas de gas en el interior de la lámpara.

También bajo ciertas condiciones, se puede excitar una transición de energía por medio de dos fotones. Esto permitirá microscopios con mayores resoluciones que ocasionarán menor daño a la muestra, ya que tienen menos energía.

Biología

La energía de un fotón puede ser utilizada en biología molecular para estudiar la interacción de proteínas adecuadas y para medir distancias moleculares. Se aplica la técnica de transferencia de energía por resonancia entre moléculas fluorescentes.

Informática

Una de las formas que han conseguido los científicos para generar fotones es por medio de chips aislados, gracias a recientes investigaciones de la Universidad de Bristol y otras instituciones. Además, se ha progresado en la generación de varios fotones en un solo chip.

La computación cuántica sigue avanzando y pronto acercará a la humanidad a una nueva era de la informática donde, gracias al uso de fotones, la capacidad de procesamiento de datos de computadores y smartphones será inimaginablemente rápida.

Investigación reciente sobre fotones

Hoy en día se reconoce que los fotones son los responsables de generar la totalidad de los campos magnéticos y eléctricos, así como comprender teóricamente su naturaleza.

También se investiga las posibles aplicaciones de los fotones en óptica cuántica y comunicación óptica, especialmente en criptografía cuántica. La utilización de fotones en ordenadores cuánticos también forma parte de un importante campo de investigación actual.

Muchos expertos aseguran que el siglo XXI será el siglo de la fotónica, con aplicaciones en muchos campos como la biofotónica y el uso médico de la luz. Sin embargo, para llegar allí, aún faltan avances que permitan controlar los fotones de la misma forma que los electrones.

Los fotones en la energía solar

La energía solar es una energía renovable que aprovecha la radiación electromagnética procedente del sol. ¿Cómo viaja la radiación solar hacia la tierra? ¡Por medio de los fotones!

Algunos de estos fotones que no fueron absorbidos por la atmósfera, impactan sobre la primera superficie de las celdas solares, las penetran y los materiales semiconductores que se encuentran dentro de las placas solares fotovoltaicas las absorben.

Cuando los fotones golpean los electrones presentes en los átomos de los semiconductores, los electrones se liberan de sus átomos. Luego, estos electrones liberados viajan por un conductor y generan la electricidad.

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