¿Cómo pierde energía un fotón?

Hasta ahora ha habido muchas respuestas, y todas son correctas. Pero, tal vez la respuesta que estaba buscando es: depende de la energía del fotón. Para fotones de alta energía (> ~ 1 MeV), “pierde energía” por la producción de pares cuando interactúa con un núcleo cercano. Puse una cita alrededor de “pierde energía”, porque no hay más fotones en el estado final, pero ese es el destino del fotón. El estado final del proceso de creación de pares tiene dos partículas (principalmente electrón-positrón). Y esa multiplicación de partículas puede dar origen a una lluvia electromagnética.

Para fotones de baja energía, el mecanismo principal para “perder energía” es el efecto fotoeléctrico con algún átomo cercano. Esta vez, no hay multiplicación de partículas. Aparece un fotón, sale un electrón. Eso es básicamente lo que sucede al final de las duchas electromagnéticas.

Un fotón perderá energía debido a la absorción o dispersión inelástica. Los electrones pueden absorber los fotones en niveles atómicos (lo que resulta en un aumento en la energía de estos últimos). Este proceso es similar a hacer desaparecer los fotones.

La dispersión inelástica hará que los fotones pierdan (parte de) su energía en otras partículas. Para los fotones incidentes, esto suele ser dispersión Raman. La dispersión de Stokes implica la pérdida de energía de un fotón (desplazando hacia el rojo su longitud de onda). La dispersión inelástica que ocurre entre un electrón y un fotón se denomina dispersión de Compton (el fotón pierde parte de su energía al electrón), y dispersión inversa de Compton (el electrón transfiere parte de su energía al fotón).

La expansión del universo provoca un desplazamiento rojo de los fotones que viajan a través del espacio. Este cambio rojo da como resultado un fotón de menor energía.

Redshift en Wikipedia.