¿Cómo se ha demostrado la existencia de fotones?

La prueba original fue el efecto fotoeléctrico. Eso es lo que le dio a Einstein el premio Nobel.

La luz por encima de cierta frecuencia puede eliminar electrones de los metales, sin importar cuán baja sea la intensidad . La luz por debajo de esa frecuencia no puede , no importa cuán alta sea la intensidad .

Si la luz fuera puramente una ola, eso no tendría sentido. El aumento de la intensidad debería aumentar la energía en cada onda al igual que la frecuencia de aumento, lo que le permite empujar la energía por cresta de onda por encima del límite necesario para liberar un electrón. Pero eso no es lo que pasa.

Si, por otro lado, la luz se cuantifica en fotones, entonces tiene mucho sentido. La frecuencia corresponde a la energía por fotón, y la intensidad al número de fotones. La liberación de un electrón requiere que interactúe con un fotón. Si algún fotón es lo suficientemente enérgico, se puede liberar un electrón. Si ningún fotón es lo suficientemente energético, no se pueden liberar electrones, sin importar cuántos fotones arrojes al metal a la vez.

Los fotones se teorizaron primero para explicar la emisión cuántica de energía electromagnética de los átomos, como lo observaron los experimentos sobre el efecto fotoeléctrico.

Entonces sí, esos fotones definitivamente existen. Irrefutablemente.

Pero cómo describimos matemáticamente y conceptualmente esos cambios de emisiones a medida que aprendemos más sobre ellos.

No, no son (solo) partículas. Son paquetes de ondas, una cosa que exhibe el comportamiento de las partículas y las ondas. Esto se ha verificado experimentalmente, aunque todavía aprendemos más sobre lo que eso significa al estudiar el comportamiento de estas y otras partículas subatómicas.

El efecto fotoeléctrico. Cuando los fotones por encima de cierta energía golpean algunos metales, emiten electrones. Esto se ha medido hasta el nivel de fotones individuales.

Desde esta página:

Dualidad onda-partícula

“El análisis de los datos del experimento fotoeléctrico mostró que la energía de los electrones expulsados ​​era proporcional a la frecuencia de la luz de iluminación. Esto mostró que todo lo que estaba apagando los electrones tenía una energía proporcional a la frecuencia de la luz. El hecho notable de que la energía de expulsión era independiente de la energía total de la iluminación, ¡demostró que la interacción debe ser como la de una partícula que le dio toda su energía al electrón! ”

Como dijo Neil deGrasse Tyson: “El universo no tiene la obligación de tener sentido para ti”.

Citas de Neil deGrasse Tyson (Autor de la muerte por Black Hole)

La física sería más simple si no existiera la dualidad onda-partícula. Difícil.

Recuerde también que las partículas como los electrones tienen el mismo comportamiento. Todo está basado en experimentos, me temo. Aún así, explica por qué las partículas se mueven en línea recta.

Como otros han indicado, la existencia de fotones como partículas se ha demostrado definitivamente. Pero parece que su deseo de que ese no sea el caso proviene de la confusión sobre la dualidad de partículas / ondas de los fotones. Tienes razón, es confuso: ¿cómo podría una partícula hacer cosas que solo una ola podría hacer? ¿Cómo puede algo ser tanto una partícula como una onda?

Aquí hay una explicación que podría ayudar: un fotón es una partícula cuya ubicación está definida por una onda de probabilidad. Probablemente haya aprendido que existen limitaciones fundamentales en nuestra capacidad para conocer la ubicación precisa de una partícula subatómica. Entonces, ¿qué podemos saber sobre su ubicación? Bueno, sabemos la probabilidad de su ubicación: puede pensar en esta probabilidad como una nube virtual que indica dónde es probable que esté (y dónde es poco probable que sea). Y sucede que la probabilidad de ubicación de la partícula toma la forma de ola Así es: la función de probabilidad que define la posición de la partícula es una onda. Y esta onda está sujeta a la interferencia de las olas y a todas las demás propiedades de las olas. De esta manera, la partícula “actúa” como una onda, aunque todavía es una partícula.

Este modelo mental resuelve todos los problemas con un fotón que es tanto una partícula como una onda: entonces siempre es una partícula, pero cuya probabilidad de ubicación toma la forma de una onda.