Pengertian Foton – sifat dan kegunaan

Apa itu foton?

Foton adalah kuantum energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik, yang dipancarkan atau diserap oleh materi. Ini adalah salah satu jenis partikel elementer. Menurut prinsip-prinsip fisika kuantum, itu adalah kuantum medan elektromagnetik. Fotor merupakan partikel pembawa untuk semua bentuk radiasi elektromagnetik, termasuk:

  • Sinar gamma.
  • Sinar X.
  • Sinar UV.
  • Cahaya yang terlihat.
  • Cahaya inframerah.
  • gelombang mikro.
  • Gelombang radio.

Foton memiliki massa nol saat diam. Mereka selalu bergerak dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa.

Foton memiliki spin sama dengan 1, dan karena itu merupakan boson; karena massanya saat diam adalah nol, heliksitas foton hanya bisa 1 atau -1, tetapi tidak 0.

Foton dilambangkan dengan simbol γ.

Apakah foton itu gelombang atau partikel?

Seperti semua partikel elementer, foton dijelaskan dengan mekanika kuantum. Namun, mereka menunjukkan dualitas gelombang-partikel, secara bersamaan menunjukkan sifat gelombang dan partikel.

Ia berperilaku seperti gelombang dalam fenomena seperti pembiasan yang terjadi di lensa, atau pembatalan oleh interferensi destruktif dari gelombang yang dipantulkan; namun, ia berperilaku seperti partikel ketika berinteraksi dengan materi untuk mentransfer sejumlah energi yang tetap. Energi ini berbanding terbalik dengan panjang gelombang.

Misalnya, lensa dapat membiaskan satu foton dan dalam prosesnya berinterferensi dengan dirinya sendiri seolah-olah itu adalah gelombang. Atau, ia dapat bertindak seperti partikel yang memiliki posisi tertentu dan momentum yang terukur.

Pengamatan

Sifat gelombang dan kuantum foton adalah dua aspek yang dapat diamati dari fenomena yang sama.

Sifatnya tidak dapat dijelaskan dalam model mekanika apa pun. Oleh karena itu, representasi sifat ganda cahaya ini, yang mengasumsikan bahwa energi terkonsentrasi pada titik-titik tertentu di muka gelombang, juga tidak mungkin.

Foton dalam fisika partikel

Dalam model standar fisika partikel, foton dan partikel elementer lainnya dijelaskan sebagai konsekuensi penting dari fakta bahwa hukum fisika memiliki simetri tertentu dalam ruang-waktu. Sifat intrinsik partikel, seperti muatan listrik, massa, dan putaran, ditentukan oleh sifat simetri pengukur ini.

Konsep foton telah membawa kemajuan besar dalam fisika teoretis dan eksperimental. Sebagai contoh:

  • Laser
  • Kondensat Bose-Einstein
  • Teori medan kuantum
  • Interpretasi probabilistik mekanika kuantum.

Ini telah diterapkan dalam fotokimia, dalam mikroskop resolusi tinggi dan dalam pengukuran jarak molekuler. Baru-baru ini, foton telah dipelajari sebagai elemen komputer kuantum dan untuk aplikasinya dalam pencitraan optik dan komunikasi optik seperti kriptografi kuantum.

Sifat-sifat proton

Sebuah foton tidak bermassa, tidak memiliki muatan listrik, dan merupakan partikel yang stabil.

Dalam ruang hampa, foton memiliki dua kemungkinan keadaan polarisasi. Foton adalah boson pengukur untuk elektromagnetisme. Oleh karena itu, semua bilangan kuantum lain dalam foton (seperti jumlah lepton, jumlah baryon, dan bilangan kuantum rasa) adalah nol. Juga, foton tidak mematuhi prinsip pengecualian Pauli, melainkan mematuhi statistik Bose-Einstein.

Foton dipancarkan dalam banyak proses alami. Sebagai contoh:

  • Ketika muatan dipercepat, ia memancarkan radiasi sinkrotron.
  • Selama transisi molekuler, atom, atau nuklir pada tingkat energi yang lebih rendah, foton dari berbagai energi akan dipancarkan, mulai dari gelombang radio hingga sinar gamma.
  • Ketika sebuah partikel dan antipartikel yang sesuai memusnahkan (misalnya, pemusnahan elektron-positron).

Untuk apa foton digunakan?

Foton memiliki banyak aplikasi dalam teknologi. Misalnya:

Laser.

Foton individu dapat dideteksi dengan berbagai metode. Tabung photomultiplier klasik memanfaatkan efek fotolistrik: sebuah foton dengan energi yang cukup mengenai pelat logam dan melepaskan elektron, memulai banjir elektron yang semakin melebar.

Chip.

Chip perangkat charge-coupled semikonduktor menggunakan efek yang sama: Sebuah foton insiden menghasilkan muatan pada kapasitor mikroskopis yang dapat dideteksi. Detektor lain, seperti penghitung Geiger, menggunakan kemampuan foton untuk mengionisasi molekul gas yang terkandung dalam perangkat, menyebabkan perubahan yang dapat dideteksi dalam konduktivitas gas.

Teknik dan kimia.

Insinyur dan ahli kimia sering menggunakannya dalam desain. Mereka digunakan baik untuk menghitung perubahan energi yang dihasilkan dari penyerapan foton dan untuk menentukan frekuensi cahaya yang dipancarkan oleh emisi foton tertentu.

Misalnya, spektrum emisi lampu pelepasan gas dapat diubah dengan mengisinya dengan (campuran) gas dengan konfigurasi elektron tingkat energi yang berbeda.

Dalam beberapa kondisi, “transisi energi” dapat dirangsang oleh “dua” foton yang secara individual tidak akan cukup. Hal ini memungkinkan untuk mikroskop resolusi yang lebih tinggi, karena sampel menyerap energi hanya dalam spektrum di mana dua berkas berwarna berbeda tumpang tindih secara signifikan, yang dapat dibuat jauh lebih kecil daripada volume eksitasi dari satu berkas (lihat dua berkas mikroskop eksitasi). Juga, foton ini menyebabkan lebih sedikit kerusakan pada sampel, karena energinya lebih rendah.

Biologi molekuler.

Dalam beberapa kasus, dua transisi energi dapat digabungkan sehingga ketika satu sistem menyerap foton, sistem lain di dekatnya “mencuri” energinya dan memancarkan kembali foton dengan frekuensi yang berbeda. Ini adalah dasar dari transfer energi resonansi fluoresensi, teknik yang digunakan dalam biologi molekuler untuk mempelajari interaksi protein yang sesuai.

Pembuatan angka acak.

Beberapa jenis generator nomor acak perangkat keras melibatkan deteksi foton individu.

Dalam satu contoh, untuk setiap bit dalam urutan acak yang akan diproduksi, sebuah foton dikirim ke beam splitter. Dalam situasi seperti itu, ada dua kemungkinan hasil dengan probabilitas yang sama. Hasil aktual digunakan untuk menentukan apakah bit berikutnya dalam urutan adalah “0” atau “1”.

Kapan konsep foton pertama kali muncul?

Dalam kebanyakan teori sampai abad ketujuh belas dan kedelapan belas, cahaya dianggap terdiri dari partikel. Fakta bahwa model partikel tidak dapat menjelaskan fenomena seperti difraksi, refraksi atau birefringence cahaya membuat René Descartes, Robert Hooke dan Christian Huygens mengajukan teori gelombang untuk cahaya. Namun, model partikel tetap berlaku, terutama karena pengaruh Isaac Newton.

Albert Einstein

Konsep modern foton dikembangkan secara bertahap oleh Albert Einstein pada awal abad ke-20. Konsep ini digunakan untuk menjelaskan pengamatan eksperimental yang tidak sesuai dengan model klasik cahaya sebagai gelombang elektromagnetik.

Model foton dikuadratkan dengan fakta bahwa energi cahaya bergantung pada frekuensinya. Ini menjelaskan kemampuan materi dan radiasi elektromagnetik untuk berada dalam kesetimbangan termal. Selanjutnya, model foton juga menjelaskan pengamatan anomali tertentu seperti radiasi benda hitam yang coba dijelaskan oleh fisikawan lain menggunakan model semi-klasik. Misal seperti Max Planck.

Model Planck

Dalam model Planck, cahaya dijelaskan dengan persamaan Maxwell, tetapi objek material yang memancarkan dan menyerap cahaya melakukannya dalam paket energi yang terpisah. Meskipun model semi-klasik ini berkontribusi pada pengembangan mekanika kuantum, beberapa eksperimen berikutnya memvalidasi hipotesis Einstein bahwa cahaya itu sendiri terkuantisasi. Dimulai dengan efek Compton.

Penerimaan istilah

Pada tahun 1926 fisikawan optik Frithiof Wolfers dan kimiawan Gilbert N. Lewis menciptakan istilah “foton” untuk partikel-partikel ini.

Setelah Arthur H. Compton memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 1927 untuk studi hamburannya, sebagian besar ilmuwan menerima bahwa kuanta cahaya memiliki keberadaan independen, dan nama foton diterima untuk kuanta ini.

Apa hubungan foton dengan energi surya fotovoltaik?

Energi surya fotovoltaik terdiri dari mengubah radiasi matahari menjadi listrik. Radiasi matahari merambat dari matahari ke bumi melalui foton.

Beberapa foton menghantam permukaan pertama panel surya. Mereka menembus ke dalamnya. Bahan semikonduktor dari panel fotovoltaik menyerapnya.

Foton menabrak elektron yang ada dalam atom semikonduktor. Dengan cara ini, elektron dilepaskan dari atomnya. Elektron bebas dapat melakukan perjalanan melalui konduktor dan menghasilkan arus listrik. Ini adalah listrik.

Baca Juga

© 2022 Sridianti.com