Fotón - Fonón

[Guest]

Fotón-Fonón

El fonón, a mi modo de entender es una particular manera de denominar al fotón, para cuando éste transporta energía tan baja, que traspasa el umbral de vibración ultrasónico.

Aquí, se estudia por su vibración de onda en sentido longitudinal por contra de la transversal en los efectos electromagnéticos.

Este umbral límite es el que hace estudiar los efectos bajo prisma distinto. Sin embargo lo que se hace es considerar la amplitud como vibración en el fonón, en tanto que la longitud en el fotón.
Par la transmisión de energía los fotones lo realizan entre valores del orden de 10^-10 eV y los superiores de los rayos gamma.
Los fonones realizan la misma labor entre el límite inferior de los fotones y el mínimo, tendente a cero.

Si a los fotones les concediéramos para definirlos no únicamente la frecuencia y longitud, sino también amplitud, veríamos que los fonones siguen la misma pauta invirtiendo los términos de denominación.
La disminución de sus frecuencias, sigue igualmente relacionada inversamente con la longitud y amplitud de onda.

Ya insinúo el motivo de la carencia de transmisión del sonido en el vacío en el hilo:

viewtopic.php?f=23&t=33043

Saludos del Abuelo.

[rcacho]

Tienes un problema con la distinción de ondas materiales y electromagnéticas, eh?

[Guest]

Y me gustaría que alguien me desmenuzara tal diferencia rcaho. Cuanto más leo artículos de la Red, más me imbuyen en mi obsesión.

Y te aseguro que más variantes del tema parece imposible que puedan darse, obviando en todos ellos la frontera del tránsito por medio cristalino. Solamente en uno se mencionaba de forma solapada.

Para empezar, debería conocer de forma exacta, el valor del umbral. Cual es la vibración mínima de las ondas electromagnéticas, a partir de la cual ya son acústicas.
Diríamos así :
"De N Hz hasta 0 Hz" se estiman los fonones. De N Hz a 10^43 Hz, los fotones".

Y no he visto que a este último enorme abanico de vibraciones, modifiquen para nada la denominación común de fotón.
Al Espectro de ondas Radio-Microondas-Infrarrojos-Visibles-Ultravioletas-X- Gamma interestelar- Gamma extragaláctico, les adjudicamos al mismo portador energético.
¿Por qué motivo el portador ha de cambiar de traje y nombre en las sónicas?.

La razón puede que sea conocida por vosotros y forzosamente, evidente por los científicos que experimentan tanto con fotones como con fonones. Este no es mi caso y si me ayudais a abrir los ojos, estaré eternamente agradecido.

No seais avaros de los conocimientos cuando un colega os los mendiga.

Saludos del Abuelo.

[Alex]

Para empezar, debería conocer de forma exacta, el valor del umbral. Cual es la vibración mínima de las ondas electromagnéticas, a partir de la cual ya son acústicas.
Diríamos así :
"De N Hz hasta 0 Hz" se estiman los fonones. De N Hz a 10^43 Hz, los fotones".

Carlos, un fonón no tien nada que ver con un fotón. Son de naturaleza totalmente ditinta, aunque ambos son cuantos de energía de ONDAS en general, pero el fonón es un cuanto de una onda elastica y el foton de una onda elecromagnetica.

Se da el caso de que existen ondas electromagneticas de 10 a 14 Htz y ondas de sonido tambien de la misma frecuencia, y sin embargo una es transmitida por fotones y la otra por fonones, y para empezar la primera diferencia que encuentras es la velocidad de propagación una va a 300000 km.s^-1 y la otra a 300 m/s. Una se autopropaga mediante la interaccion de los campos magneticos y electrico y la otra por transmisión de la presion en un medio. El fotón es producto de una particula cargada, mientras que el foton es producto de una oscilación de un atomo que se transmite a otro atomo vecino y que ambos forman parte de una red cristalina (en el vacio, el fonon no existiria, porque no se puede propagar). Además tampoco debemos confundir fonones opticos con fotones, porque los fonones opticos son iguales que los acusticos, la diferencia es que unos portan mas energía que los otros y son los responsables de absorber los rayos infrarrojos en los cristales cuando los fotones interactúan con la materia, pero ojo, que los absorban no quiere decir que los reemitan, sino que los transforma en calor que se disipa por la red cristalina.

No se si haria falta profundizar en algun aspecto, pero te sugiero que si dispones del libro: Física Cuantica de Carlos Sánchez del Río, te leas el capitulo 29 "Estructura cristalina del estado solido" y siguientes: "Electrones en Sólidos" y "Algunos efectos cuánticos en Sólidos". Seguro que te dan una información mucho mas amplia, completa y eficaz, que cualquier articulo suelto que encuenres por internet, incluida wikypedia y las matematicas te las puedes saltar, aunque son muy fáciles de entender. Te recomiendo esta lectura. Hay algunos libros mas especificos sobre el estado solido, pero son mucho mas complicados de enender si no estamos muy puestos en matematicas y Sanchez del Río toca muy bien el tema de Solidos en los capitulos que te he dicho a pesar de la gran complejidad que presentan los solidos.

Saludos

[Guest]

Eres un buen mentor Alex. Y además veo que te tomas bastantes molestias para satisfacer mis curiosidades. Te diré que en su día me leí "La estructura cristalina del estado sólido", capítulo 29 de Carlos Sánchez del Río.
Es muy probable que ya haya olvidado parte de ello, o bien que cuando lo leí aún no estaba en condiciones de entenderlo. Voy a seguir tu consejo y así luego, continuaremos, pero de momento te diré que lo que me ha llamado la atención de tu mensaje es lo que copio.
........ Además tampoco debemos confundir fonones opticos con fotones, porque los fonones opticos son iguales que los acusticos, la diferencia es que unos portan mas energía que los otros y son los responsables de absorber los rayos infrarrojos en los cristales cuando los fotones interactúan con la materia, pero ojo, que los absorban no quiere decir que los reemitan, sino que los transforma en calor que se disipa por la red cristalina......

Probablemente mi confusión será esta de fonones ópticos , con fonones acústicos.
Pero de todo lo consultado por la Red, nada me ha explicado cuánticamente como funcionan unos u, otros y en este momento que como ves no he repasado el capítulo 29, a falta de explicación ajena, me aferro a la idea que me formé. La energía de fotones y fonones básicamente la componen fotones y que además de diferir en Hz, que como dices hay una franja coincidente, no lo es su intensidad.

Hasta mi nueva ilustración...... Saludos del Abuelo.

[Guest]

La estructura cristalina del estado sólido –J.L.Vicent
Capítulo 29 de
Física Cuántica
Carlos Sánchez del Río

Pag. 727
…….Estos modos de vibración producidos por oscilaciones colectivas de los átomos, que son entidades discretas, se pueden cuantizar, de tal forma que la energía de cada modo está cuantizada, esto es, existe una unidad cuántica de energía, y dado que los modos son ondas elásticas, de hecho hemos cuantizado la energía de las ondas elásticas. Igual que se cuantiza la energía electromagnética y se tienen los fotones, en este caso los cuantos se conocen con el nombre de fonones……
(Aquí, J.L.Vicent, me hubiera gustado que dijera: ¡¡Y no son lo que el Abuelo de AAH imagina!!, pero no lo dice ni tampoco qué es lo que distingue la esencia de ambos bosones.)

…..Cuando no todos los átomos que constituyen el sólido son de la misma naturaleza, se pueden distinguir dos clases fundamentales de oscilaciones, llamadas acústicas y ópticas, que se caracterizan porqué las oscilaciones ocurren en la misma dirección para todos los átomos en general (fonones acústicos), o bien porqué todos los átomos de un tipo oscilan en dirección contraria a los del otro tipo (fonones ópticos). Las primeras excitaciones son de energía más baja que las segundas.
Mientras las acústicas son las responsables de la propagación de sonidos o, ultrasonidos, las ópticas lo son, por ejemplo, de la absorción en el infrarrojo de los haluros alcalinos.
Un fonón con una longitud de onda y una dirección de propagación características puede transportar oscilaciones a lo largo de la dirección de propagación (longitudinales), o perpendicularmente a ella en las dos direcciones posibles (transversales)……..

No sigo copiando, por cuanto mi miopía en ningún momento me permite deducir lo contrario a lo que llevo exponiendo hasta ahora.
¿Hace falta que detalle nuevamente la diferencia que veo yo entre el Fotón y el Fonón? Como supongo sería excesiva reiteración, me queda aguardar por parte vuestra:

-1- ¿Es el fonón, otro bosón a sumar a los estudiados cómo fundamentales transmisores de energía?.

-2- ¿Dónde se explica su distinta naturaleza?. ¿Alguna página web, o Wikipedia?.

¡¡Cómo deseo entender lo que vosotros!!. ¿Porqué, no sé explicar la diferencia dimensional de la longitud y amplitud de la onda?.

Saludos del Abuelo.

Nota: este mensaje lo puse también en el hilo "Paradojas de la Expansión"

[Guest]

Desarrollo teórico de Debye

http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_de_Debye


La energía de un fonón es

donde h es la constante de Planck y νn es la frecuencia del fonón. Hacemos la aproximación de que la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda, de lo que resulta:

donde cs es la velocidad del sonido en el sólido. En tres dimensiones emplearemos:

La aproximación de la frecuencia como inversamente proporcional a la longitud de onda (para una velocidad del sonido fija) funciona para fonones de baja energía, pero no para fonones de alta energía (véase el artículo sobre fonones ). Esta es una de las limitaciones del modelo, y corresponde a un fallo de las predicciones para temperaturas intermedias, mientras que tanto para bajas como para altas temperaturas son exactas.

Siento que las fórmulas no aparezcan. Sería bonito contar con LaTeX. De todos modos, he copiado aquí otra explicación, que tampoco me demuestra la diferencia entre Fotón y Fonón.
El enlace es bastante completo.

Saludos del Abuelo.

[Alex]

Esto es la leche! antes de tu mensaje, escribi un post ¡que no veo! no se donde se habrá metido... en fin, intentare reproducirlo.

-2- ¿Dónde se explica su distinta naturaleza?. ¿Alguna página web, o Wikipedia?.

Vamos a ver Carlos, un FOTON es el cuanto de la radiación electromagnetica cuya onda electromagnetica se propaga por el vacío por interacción de los campos electricos y magneticos, a una velocidad de 300.000 km/s. Son además ondas transversales, es decir la oscilacion es perpendicular a la dirección. Los FOTONES son producidos por la aceleración de particulas cargadas, o por reacciones nucleares. Aui no hay ninguún proceso mecanico para generar fotones ni ondas electromagneticas

De esto se desprende, que un foton no puede propagarse a 100 km/h ni a ninguna otra velocidad, unicamente existe a velocidad c!! Esto ya se ha dicho hasta la saciedad. Si ves una particula a velocidad no igual a la de la luz, lo unico que puedes asegurar es que no es un FOTON

Las demás ondas, cuyo origen no sea electrico o magnetico, NO SON ELECTROMAGNETICAS y enestas otras ondas, se encuentra una que se produce por la vibración de los atomos que coponen una Red Cristalina (RC) o un solido en general.

Los atomos de una RC, estan dispuestos y "fijados" en una estructura geometrica y simetrica a lo largo de toda la red, a la misma dstancia unos de otros y en todas direcciones... es como si vieras un gran desfile militar desde un helicoptero.

Como también sabes cuando un atomo se calenta (mas de 0 K) se mueven, pero los atomos de una red no pueden desplazarse de su sitio por mor de los enlaces, por lo que solamente oscilan desde su posicion de equilibrio (es como si estuviesen cogidos por muelles). Esta oscilación genera una onda, que es mecanica, porque no tine ningun campo electromagnetico que la sustente, ni se desplaza a 300.000 km/s ni es generada por particulas cargadas ni por ninguna reacción nuclear. Esta onda se genera simplemente golpeando o calentando una RC. La onda transmite la oscilacion de un atomo a otro atomo vecino y asi hasta que todos los atomos oscilan al mismo tiempo y en la misma dirección, es la onda mas simple que te puedes echar a la cara. Es longitudinal y el cuanto de esa onda es el FONON. Para colmo, nosotros podemos crear todos los fonones que queramos, con tan solo variar la temperatura de la RC. ¿No te parece que estas ondas son de distinta naturaleza?

Ahora bien, tanto una onda como la otra, responden a la ecuación de ondas, como es de esperar. Esto es lo unico que tienen en común.

Diríamos así :
"De N Hz hasta 0 Hz" se estiman los fonones. De N Hz a 10^43 Hz, los fotones".

Todavia no puedo creer que precisamente tu plantees esta cuestión!! UN FOTON no puede transformarse en ninguna otra paricula, ni reducir su velocidad ni perder ninguna de sus propiedades ¡es el cuanto de la radiación electromagnetica! y una radiacion electromagnetica, seguira siempre siendo una radiacion electromagnetica. Despues de lo dicho no puede concebirse que un foton se convierta de pronto en un fonon, y ojo! no quiero decir que no pueda interferir con un fonon siempre que se den las condiciones necesarias, pero esto es otra historia, entre otras explica la absorción de los infrarrojos por el cristal.

En cuanto a Debye, si que es una pena esto del LATEX, que unido a la misteriosa desparicion de los post, desmotiva la participacion en el foro, pero bueno todo sea por conservar la antiguedad, que como en la mili siempre es un rango!! jajajaja.

Pero bueno, tanto Debye como el mismisimo Einstein, desarrollan unas matematicas para poder estudiar mas que estas ondas las propiedades de los solidos .. y gracias a ellos hoy se pueden producir vidrios de primerisima calidad para nuestros telescopios!!!! . Si hace falta usaremos el Mathtype, sacaremos una foto y a lo mjor la podemos poner como una imagen.

Esperoque hydabe se acuerde de aquello de "Es muy sencillo, este fin de semana lo teneis puesto!"

Bueno carlos piensa un poco en esto y trata de exponer CLARA Y CONISAMENTE tu opinión. Saludos

[Guest]

He estado haciendo cálculos teniendo en cuenta la transmisión del fonón por medio intraatómico.
Según mi criterio, la debilidad energética le impide lograr saltos orbitales de los electrones. Éstos no los absorben pero los fotones (fonones) ahí están. Se encuentran con un núcleo (diferente masa a tenor del número atómico considerado) y con él interactúan de diversas maneras. Veamos la que produce vibración.

Según la igualdad Einsteniana, de la masa por el cuadrado de la velocidad, establezco correlación entre la del fotón de partícula luz (con masa en reposo de 4,416*10^-33 g a velocidad lumínica al cuadrado) y la de la masa del núcleo en cuestión a la velocidad distinta al cuadrado.

No hay más energía llegada al interior del sistema cristalino. Luego suponiendo el caso ideal de que toda la energía recibida se absorbe por el núcleo, éste es muy másico, como por ejemplo el Carbono 1,98*10^-23 g . Evidentemente no es lo mismo mover a una considerable masa, con su capacidad de reacción, que a un electrón para cambiar de orbital, o simplemente al fotón por el Vacío.

Con esta simple ecuación y con valores aproximados que he utilizado, la velocidad del fonón en el cristal C me sale 4,479 Km/s y consultando tablas experimentales, dan el valor de 5 Km/s.

He aplicado la fórmula en varios elementos y evidentemente, la velocidad disminuye cuando el número atómico crece, pero no linealmente, ya que faltan más consideraciones a tener en cuenta a esta simplicidad. La tensión molecular y los enlaces atómicos, contribuyen a desvirtuar tal simplicidad, pero la idea, parece buena.

(Y la lección del capítulo 29, sirve para tener una idea de la complejidad a la que me refiero).

En este párrafo defiendo únicamente lo que proclamas de la velocidad c para el electromagnetismo. Ya ves que la conservo, pero el medio no es el vacío sino el núcleo del cristal. Las ondas de rango superior, al llegar al cristal interactúan con los electrones, pero estas tan débiles lo hacen con los protones. Y un protón o grupo de nucleones, no pueden vibrar a c. Desaparece el fotón y ahora le llaman fonón.

Se me ha ocurrido que un experimento, serviría para dilucidad de una vez la procedencia del fonón.

A un dispositivo preparado para resistir vibraciones entre 5000 Hz y 1 MHz, se le activa para esta inicial vibración, como un diapasón. Lo oiríamos. Modificando su longitud, lograríamos agudizar el sonido, hasta hacerlo imperceptible por pasar a ser ultrasonido.

Si a partir de aquí, el artilugio vibrando hasta 1 MHz, lo captamos por VL y Radio, quedaría probado que la diferencia son las vibraciones.

Y ya hablaremos de la diferencia entre elásticas y no. Una cosa son los efectos manifestados y otra es lo que los causa.

Saludos del Abuelo.

[Alex]

Las ondas de rango superior, al llegar al cristal interactúan con los electrones, pero estas tan débiles lo hacen con los protones. Y un protón o grupo de nucleones, no pueden vibrar a c. Desaparece el fotón y ahora le llaman fonón.

Creo que estas hablando deotra cosa distinta. Cuando un a onda electromagnetica (foton) interactua con los átomos de una RC. pueden suceder varias cosasa dependiendo de la energía que porta el fotón. Si la energía es igual a la del átomo, el fotón sera absorbido por el mismo y esa energía es utilizada para excitar a un elecrón que emitirá un nuevo fotón. Esto es el proceso de absorción y emisión de un fotón, tan visto ya en multitud de post. Supongamos ahora que la energía del fotón es mucho menor que la del átomo, en este caso el fotón no es absorbido, este fotón chocara con un átomo y producira un choque elastico, en el cual e fotón se desviará de su dirección (dispersión) y el átomo al ser mucho mas masivo sufrira un incremento de la oscilación que momentos antes del choque tenía. Este incremento de la oscilación será transmitido al resto de átomos, mediante el correspondiente fonon y todos los átomos vibraran igual un instate despues.

El caso más extrema, es cuando el fotón no es absorbido por el átmo (en cuyo caso desaparecería y se emitiría uno nuevo como ya heos dicho) pero le counica al atomo por el choque, una gran catidad de energía. En este caso el atomo oscilara al maximo permitido por la RC y puede ser que este exceso sea todavia absorbido por el átomo y se produzca una cierta xcitación de un electron, en cuyo caso se emitiría un nuevo fotón (resonancia). La fuerte oscilacion del atomo provocara la creación de nuevos fonones que se encargarian de transmitirla a todos los atoms de la RC.

Como ves, en ningún caso el foton se transforma en un fonon. O se absorbe y se emite uno nuevo o se produce un choque elastico que provocara mas fonones puesto que el atomo modifica su nivel de oscilaciones y por tanto ls ondas generadas por la vibración seran distintas unas de otras (diferentes modos de vibración, que corresponderá con las diferentes energás el choque elastico) o por resonancia se emitirá un fotón (siempre que haya energía suficiente despues del choque comopara excitar a un electrón).

Todas estas interacciones están plasmadas en leyes cuyas matematicas son muy sencillas y´tremendamnte útiles para el estudio de los solidos, pero que no podemos verlas ni explicarlas porque seguimos sin LATEX. Espero que algún dia se percaten de lo que ganrían estos foros, de contar con esta herramienta.

Saludos, e intentaré comprobar los datos que aportas por mi cuenta.