El electrón es una partícula cargada, lo que significa que se acopla al campo electromagnético. El campo electromagnético se cuantifica en sí mismo, y la excitación más pequeña se denomina “fotón”. La energía E [matemática] E [/ matemática] de un solo fotón es proporcional a su frecuencia ω [matemática] ω [/ matemática],
E = ℏω [matemáticas] E = ℏω [/ matemáticas]
donde ℏ [matemáticas] ℏ [/ matemáticas] es una constante de proporcionalidad conocida como la constante de Planck. La energía de un fotón solo depende de su frecuencia, pero el estado físico de un fotón se describe más completamente por su vector de onda k [matemáticas] k [/ matemáticas]. La magnitud del vector de onda es solo | k | = 2π / λ [matemática] | k | = 2π / λ [/ matemática] donde λ [matemática] λ [/ matemática] es su longitud de onda, y también está relacionada con la frecuencia como ω (k) = c | k | [matemática] ω (k) = c | k | [/ matemática] donde c [matemática] c [/ matemática] es la velocidad de la luz. La dirección del vector k [matemáticas] k [/ matemáticas] es la dirección en la que se propaga el fotón. Más importante aún, el vector de onda está relacionado con el impulso del fotón,
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p = ℏk [matemáticas] p = ℏk [/ matemáticas]
Además de la energía y el momento, cada fotón también lleva espín, que es una forma de momento angular. Específicamente, el fotón es una partícula spin-1, por lo que su momento angular de giro es ± ℏ [matemática] ± ℏ [/ matemática].
Cuando un electrón absorbe un fotón, el fotón desaparece del universo. Esto significa que el campo electromagnético pierde la energía transportada por ese fotón. Pero, la energía total, el momento total y el momento angular total de cualquier sistema son cantidades conservadas (es decir, son independientes del tiempo). Entonces, cuando el fotón desaparece, el electrón gana su energía (ℏω [matemática] ℏω [/ matemática]), momento (ℏk [matemática] ℏk [/ matemática]) y momento angular de giro (± ℏ [matemática] ± ℏ [/ matemáticas]).
