O que é um fóton? Ele tem massa? Caso positivo, como você faria para calculá-la?

Question

Sei que o assunto é controverso e nada ainda foi empiricamente comprovado. Mas parto do pressuposto que o fóton tem massa e que essa massa é calculável a partir de equações e informações relativamente simples, em nível de Ensino Médio. Portanto, pesquisem! Boa sorte!

Ah! E se alguém chegar a uma conclusão convincente de que o fóton não possui massa, por favor: convença-nos com argumentos inteligentes e plausíveis!

Answer 1

Na moderna física, o fóton é a partícula elementar responsável pelo fenômeno eletromagnégtico. Ele media as interações eletromagnéticas e constrói todas as formas de luz. O fóton tem massa invariante nula (mais detalhes a seguir) e viaja, no espaço vazio, à velocidade constante c=299.792.458 m/s. Em presença de matéria, fótons são freiados ou mesmo absorvidos, transferindo energia e momento proporcionais à sua freqüencia. Como qualquer quantidade elementar (quanta), o fóton tem propriedades tanto de onda quanto de partícula.

É melhor subdividir a questão "qual a massa de um fóton?" em duas outras, aqui respondidas separadamente:

1)Dado que o fóton tem energia e energia é equivalente a massa, o fóton tem massa?

Essa questão sempre aparece quando se menciona que o fóton não possui massa, mas possui energia e a famosa equação E = mc² (certamente a equação mais popular de toda a física) informa a relação entre energia e massa.

O problema é que as pessoas usam definições DIFERENTES para massa. É consenso entre os físicos atuais dizer que fótons são partículas sem massa. Entretanto é possível atribuir uma "massa relativística" ao fóton, a qual depende de sua freqüencia. Isto baseia-se num antigo uso da palavra "massa" que, embora não seja de todo errado, caiu em desuso.

A VELHA definição de massa, a "massa relativística", atribui para as partículas uma massa proporcional à sua energia TOTAL, dando a cada objeto uma massa que depende de sua velocidade:

       m = E / c²       (1)

A NOVA, MODERNA definição atribui a cada objeto apenas UMA massa, uma quantidade invariável, que não depende de sua velocidade, dada por:

       m = Eo / c²       (2),

onde Eo é a energia de repouso do objeto.

A primeira definição é freqüentemente utilizada em popularizações e em alguns textos elementares de física. É verdade que já foi utilizada por físicos no passado mas, nas últimas décadas a quase totalidade dos físicos utiliza a segunda definição. Algumas vezes a expressão "massa de repouso" ou "massa invariante" é utilizada, mas apenas para enfatizar: massa é massa! A expressão "massa relativística" não é mais usada, nem nestes casos. Se você vir a expressão "massa relativística" no seu livro do 1° ano de física, RECLAME !!! Não há motivo para ensinar terminologia obsoleta!

Note-se que, usando a moderna definição padrão de massa [equação(2)], a equação "E = mc²" é INCORRETA e precisa ser escrita assim (v e p são respectivamente velocidade e momento):

       E = mc² / √(1 - v²/c²)       (3), ou então assim:

       E² = m²c²c² + p²c²       (4)

É preciso lembrar que "definição" é só uma questão de convenção, mas os físicos usam esta definição de massa porque é mais conveniente. A "massa relativística" de um objeto é, de fato, sua ENERGIA e não há razão para usar outro nome para energia. "Energia" é uma boa palavra. Entretanto, a massa de um objeto é uma propriedade fundamental e invariável do mesmo e precisamos de uma nova palavra: massa.

A "massa relativística" é também confusa, pois leva as pessoas a pensar, ERRONEAMENTE, que ela pode ser utilizada nas relações Newtonianas:

       F = m.a                      (5) e
       F = G m1 m2 / d²       (6)

De fato, não existe uma definição de massa para a qual essas relações sejam corretas relativisticamente: elas precisam ser GENERALIZADAS. E as generalizações são mais diretas se a definição padrão de massa for utilizada.

Ah, voltando aos fótons: as pessoas algumas vezes questionam se faz sentido falar de uma "massa de repouso" para uma partícula que NUNCA está em repouso (rs!). A resposta, novamente, é a mesma: "massa de repouso" é só um NOME, não há necessidade da partícula estar em repouso para tornar válido o conceito de massa. Tecnicamente, a massa de uma partícula é o comprimento invariante de seu quarto momento [Pode-se ver pela equação (4)]. Para TODOS os fótons, vale ZERO.

A "massa relativística" - ENERGIA - de fótons depende de sua freqüencia. Fótons ultra-violeta são mais "massivos" - ENERGÉTICOS - que fótons visíveis.

Se conseguirem encontrar a edição de junho de 1989 da revista Physics Today, leiam um elucidativo artigo escrito por Lev Okun, que inclui um histórico da discussão do conceito de massa na física relativística.



2) Existe alguma evidência experimental de que o fóton tem massa de repouso nula?

Bem, se for encontrada alguma evidência de que o fóton tem massa de repouso, a MAIS BEM SUCEDIDA teoria física, a Eletrodinâmica Quântica, estaria com problemas sérios (rs...), primeiro pela perda da invariância de bósons gauge (mediadores das interações fundamentais da natureza), o que os faria não-renormalizáveis; depois, a conservação de carga não estaria absolutamente garantida, como está com o fóton com massa de repouso nula. Entretanto, não importa o que a teoria diga, é preciso verificar experimentalmente.

Verificar experimentalmente que a massa do fóton é EXATAMENTE ZERO é impossível (ele não pára! rs ...). O melhor que as pessoas podem fazer é estabelecer limites.

Fótons com massa de repouso não-nula levariam a uma pequena mudança na lei de Coulomb (forças eletrostáticas) - haveria um fator que se anularia à medida em as distâncias se tornassem maiores - e o comportamento de campos magnéticos estáticos também se modificaria. Um limite máximo para a massa do fóton pode então ser obtido medindo os campos magnéticos dos planetas. Um limite de 6x10^-16 eV foi obtido assim. Com o uso de uma balança de Cavendish, Roderic Lakes melhorou em 1998 o limite para 7x10^-17 eV. Estudos de campos magnéticos galácticos sugerem um limite muito melhor, menor que 3x10^-27 eV, mas ainda há dúvidas sobre a validade deste método. O valor atual dado pelo PDG ("Particle Data Group") é:

       Massa fóton (partícula γ) < 6x10^-17 eV
   
    

Answer 2

São três perguntas relacionadas à mecânica quântica. É um assunto meio complicado, mas vou tentar responder na medida do possível, haja vista que mecânica quântica não é o forte do pessoal por aqui.

P: O que é um fóton?
R: Fóton é um quantum de energia.

Apesar de correta, essa resposta não é muito elucidativa, portanto vou arriscar explicar:

Tudo começou com o cientista alemão Max Planck que formulou a lei da radiação que fala sobre partículas elementares de energia.

E o que vêm a ser essas partículas?

Bom, faça uma analogia com a matéria. Pegue um pedaço de matéria e a divida em dois. Pege uma dessas metades e a divida novamente. Vá dividindo indefinidamente os pedaços em partes cada vez menores. Vai chegar um momento em que você vai chegar em um átomo. O átomo pode ser dividido em partículas subatômicas (prótons, nêutrons e elétrons). Um próton, por exemplo, pode ser dividido em férmions. É de se supor que em um determinado momento você vai chegar à uma partícula táo pequena que não pode ser mais dividida. Essa será a partícula elementar da matéria.

Pois bem. Max Planck disse que com a energia é a mesma coisa. Se você dividir uma quantidade de energia em partes cada vez menores, vai chegar um momento em que você obterá uma quantidade elementar de energia, que não pode ser mais dividida. Essa quantidade de energia foi chamada de quanta, e equivale a um fóton.

Um fóton se propaga no espaço na forma de uma onda eletromagnética na velocidade da luz. De acordo com Planck, a energia do fóton depende da frequência dessa onda. A fórmula de cálculo dessa energia é:

E=hf

sendo que E é a energia, f é a frequência e h a constante de Planck (6,6260693 x 10e-34)

P: Ele tem massa?
R: Um fóton possui uma massa equivalente.

Da mesma forma que a resposta anterior, essa também não é muito elucidativa, mas a mecânica quântica é meio complicada de se entender (eu mesmo não a conheço muito bem).

Existe um fenômeno denominado dualidade partícula-onda, que é uma característica dos fótons de se comportarem como partículas com massa em determinadas situações.
O mesmo ocorre com partículas de matéria, que se comportam como ondas.
Segundo a teoria da relatividade, a matéria pode se transformar em energia de acordo com a famosa fórmula de EInstein E=mc². Apicando esse conceito à mecânica quântica, chegou-se à conclusão de que o oposto também é verdade, ou seja, um quantum de energia pode se transformar em matéria.

P: Como calcular a massa de um fóton
R: A massa correspondente a um fóton é calculada unindo-se as equações de EInstein e de Planck;
E=mc²
E=hf
portanto mc²=hf

Ou seja, a massa equivalente de um fóton é calculada segundo a equação:

m=hf/c²

Exemplo: Na frequência de 1,24 x 10e20 Hz, (frequência dos raios gama), a massa equivalente é de 9,12 x 10e-31 kg, que é a massa de repouso de um elétron.
Isso significa que se um elétron se transformar em energia, gerará um fóton nessa frequência.

Answer 3

o fóton é um cara estranho na física quantica. ele não tem massa (como já disse o colega ae, quando um átomo emite um fóton sua massa não diminui). Apesar disso, ele tem momento proporcional a sua frequencia. Mas depois de Einstein massa e energia virou a mesma coisa.... O fóton se comporta como particula quando interage com matéria e como onda quando se propaga. Muito estanho.
acho que em nível médio tá bom.

Answer 4

O fóton pode ser interpretado como a menor quantidade em que a luz pode existir.
O fóton não tem dimensões definidas nem massa. Apresenta-se na forma de um campo elétrico associado a um campo magnético com intensidades oscilantes ao longo do tempo, e trafega no espaço à velocidade da luz (geralmente representada pela letra c, sendo c=300.000km/s em relação a qualquer referencial!).

Ele tem sim uma energia, que está armazenada nos campos -elétrico e magnético - que o formam, e é específica para cada freqüência luminosa.

Como disse o Ailton, o fóton pode ser emitido por um elétron na transição deste para um nível de energia mais baixo, como no caso das lâmpadas incandescentes. Podem também ser emitidos nas reações químicas em geral e de fusão e fissão nuclear, como ocorre no Sol. Nestes últimos casos pode de fato haver uma pequena diminuição da massa total da reação.

O Joel mencionou uma coisa interessante "depois de Einstein massa e energia virou a mesma coisa"... Aí entra a famosa fórmula que rege a conversão de massa em energia: E=m.c^2 (E:energia, m:massa, c:velocidade da luz).
O fóton, portanto, não tem massa, mas apresenta uma quantidade de movimento Q=m*.v, onde m* pode ser obtido da equação anterior, valendo m*=E/c^2.
Isto significa que haveria uma certa quantidade de luz - muito muito grande - capaz de te derrubar.

Na verdade, não conseguimos compreender exatamente a natureza destes conceitos (de luz, fóton, campo, massa, velocidade, tempo, etc). Isto porque estes foram formulados de maneira a se explicarem fenômenos específicos da natureza: portanto generalizações poderiam ser inválidas; além é claro de estarem tais formulações sujeitas às restrições do conhecimento e da inteligência humana (as quais obviamente nunca poderemos sondar) .


Ah, a energia do fóton pode ser calculada por E=h.f, onde h:constante de Plank e f:é a freqüência da luz.

Às perguntas do Aílton espero ter respondido ao longo do texto.
Mas ficaria assim:
Não.
Não.
Em certas reações sim.

Answer 5

Vejamos então a definição de fóton:
É a quantidade de energia liberada por um elétron, ao passar de um nível de energia superior, para uma camada de energia infeior, e esta energia é transformada em luz.
Este processo começa com absorção de calor com a finalidade de passar um elétron para uma camada mais exterior e ao cessar essa fonte de calor o elétron retorna ao seu ponto inicial.
Os elétrons perdem massa nesse processo?
Existe diminuição de elétrons?
A massa do átomo diminui?

Answer 6

o foton e uma particula que faz parter do do sisrtema luminoso ele nao tem massa mas sim possui quantum de energia o seu valores encontram se tabelados em tabelas de fisica e quimica

Answer 7

Pergunte ao Einstein