Foton (Kuantisasi): Definisi, Sifat & Dualitas Gelombang-Partikel

Cahaya bisa dibilang salah satu topik paling aneh yang akan dihadapi siswa fisika. Hal tercepat di alam semesta entah bagaimana adalah partikel dan gelombang – dan menunjukkan sifat unik keduanya pada saat yang bersamaan. Tapi apaaku scahaya?

Memahami apafotonadalah dan apa?kuantisasisarana adalah dasar untuk memahami sifat cahaya, fisika kuantum, dan berbagai fenomena terkait.

Foton adalah nama formal untuk partikel cahaya. Mereka dapat terlihat oleh manusia atau tidak, karena di sini istilahnyacahayadigunakan dalam pengertian fisika, yang berarti foton adalah partikel radiasi elektromagnetik pada frekuensi berapa pun pada spektrum, dari gelombang radio hingga sinar gamma.

Foton adalahterkuantisasipartikel. Ini berarti mereka hanya ada dalam jumlah energi yang berbeda, daripada jumlah energi apa pun di antaranya. Ketika mempertimbangkan deskripsi foton yang lebih berorientasi kimia sebagai energi yang dilepaskan ketika elektron jatuh ke tingkat energi yang lebih rendah dalam atom, ini masuk akal: Elektron hanya dapat berada di orbital tertentu, atau energi tingkat. Tidak ada setengah langkah. Jadi, jika foton adalah hasil dari "elektron yang jatuh", foton juga harus datang hanya dalam jumlah energi tertentu, atau kuanta.

Albert Einstein memperkenalkan gagasan kuanta cahaya (foton) dalam makalah tahun 1905. Salah satu dari empat makalah yang dia terbitkan tahun itu yang merevolusi sains, ide inilah yang membuatnya memenangkan Hadiah Nobel.

Seperti disebutkan sebelumnya, cahaya mengacu pada semua jenis radiasi elektromagnetik, jenis yang dibedakan oleh frekuensi yang berbeda (atau panjang gelombang). Kedua ukuran itu menjadi karakteristik gelombang, maka cahaya harus menjadigelombang elektromagnetik.​

Tapi tunggu – di bagian artikel sebelumnya, light diperkenalkan sebagaipartikel, foton, bukan sebagai gelombang. Ini benar. Sifat aneh cahaya ada dalam apa yang disebut dualitas gelombang-partikel:Ini adalah gelombang dan partikel.​

Oleh karena itu baik "gelombang elektromagnetik" dan "foton" adalah deskriptor cahaya yang dapat diterima. Biasanya frasa pertama digunakan untuk menggambarkan cahaya saat itubertindak sebagai gelombangdan istilah terakhir ketika itubertindak sebagai partikel​.

Ini menjadi penting tergantung pada fenomena yang sedang diperiksa oleh fisikawan. Dalam situasi tertentu dan dalam eksperimen tertentu, foton bertindak seperti fisikawan mengharapkan partikel untuk bertindak, misalnya, ketika mengamati efek fotolistrik. Dalam situasi dan eksperimen lain, cahaya bertindak lebih seperti gelombang, seperti ketika memodulasi stasiun radio.

Apa pun yang terbatas pada nilai-nilai diskrit daripada yang ada pada spektrum kontinu sedang menjalani kuantisasi.

Kuantisasi dalam atom menjelaskan bahwa jumlah energi yang dapat dipancarkan dalam bentuk foton hanya akan terjadi dalam kelipatan konstanta Planck satuan dasar,h= 6,6262 x 10 ^-34 joule-detik

Satuan ini, ditemukan oleh Max Planck pada akhir 1800-an, adalah salah satu satuan yang paling aneh dan penting dalam fisika. Ini menggambarkan hubungan antara frekuensi gelombang-partikel dan tingkat energinya, dan dengan demikian menetapkan batas bawah yang lebih rendah pada kepastian yang dengannya kita dapat memahami struktur materi.

Salah satu konsekuensi terbesar dari mengetahui batas ini, yang juga membantu memulai bidang studi yang aneh tapi nyata yang dikenal sebagai fisika kuantum, adalah bahwa pada tingkat sub-atom terkecil posisi partikel hanya dapat digambarkan sebagai kemungkinan. Dengan kata lain, hanya posisi partikel sub-atomataukecepatan dapat diketahui dengan pasti pada waktu tertentu, tetapitidak keduanya​.

Mendefinisikan kuantumhmenghasilkan persamaan energi foton:

dimana energiEdalam joule (J), konstanta Planckhdalam joule-sekon (Js) dan frekuensifdalam hertz (Hz).

Kebanyakan orang mungkin menganggap partikel sebagai unit materi yang sangat kecil, yang ukurannya sesuai dengan massanya. Hal ini membuat bentuk partikel cahaya menjadi binatang yang sangat aneh karena, sebagai satuan energi murni, sebuah foton memiliki massa nol.

Sifat penting lainnya dari foton adalah bahwa mereka selalu bergerak dengan kecepatan cahaya, ~ 300.000.000 m/s dalam ruang hampa udara. Cahaya dapat bergerak lebih lambat dari itu – setiap kali bertemu dengan materi lain, ia berinteraksi dengannya dan melambat, sehingga semakin padat materi yang dilalui cahaya, semakin lambat kecepatannya. Namun,tidak ada di alam semesta yang dapat melakukan perjalanan lebih cepat dari cahaya. Bukan roket tercepat atau partikel atom yang paling cepat.

• Kecepatan cahaya, ~300.000.000 m/s, adalah yang tercepat yang bisa ditempuh oleh apapun. Inilah sebabnya mengapa ia juga disebut sebagai batas kecepatan alam semesta.

Dengan cara ini, memahami cahaya sangat penting untuk memahami batas dasar alam semesta itu sendiri, dari yang paling besar hingga yang paling kecil.

Meskipun cahaya selalu bergerak pada saat yang samakecepatandalam media tertentu, sebagai bentuk radiasi elektromagnetik, ia dapat memilikifrekuensiataupanjang gelombang. Frekuensi dan panjang gelombang cahaya sebagai gelombang elektromagnetik berubah berbanding terbalik satu sama lain sepanjang spektrum.

Pada panjang gelombang terpanjang dan ujung frekuensi terendah adalah gelombang radio, setelah itu datang gelombang mikro, inframerah, tampak cahaya, ultraviolet, sinar-X, dan sinar gamma berenergi tinggi, masing-masing dengan panjang gelombang yang semakin pendek dan semakin tinggi frekuensi.

Fisikawan pada 1930-an mulai belajar bahwa semua materi di alam semesta terdiri dari beberapa partikel dasar, yang dikenal sebagai partikel elementer, yang semuanya diatur oleh himpunan yang sama kekuatan fundamental. ItuModel Standarfisika partikel adalah seperangkat persamaan yang mencoba menjelaskan secara ringkas bagaimana semua partikel elementer ini dan gaya fundamental berhubungan. Cahaya adalah bagian penting dari deskripsi universal ini.

Dalam pengembangan sejak tahun 1970-an, Model Standar sejauh ini telah memprediksi dengan tepat hasil dari banyak, meskipun tidak semua, eksperimen fisika kuantum. Masalah mencolok yang belum diselesaikan dalam model ini adalah bagaimana memasukkan gravitasi ke dalam himpunan persamaan. Selain itu, ia gagal memberikan jawaban tentang beberapa pertanyaan kosmologis besar, termasuk mencari tahu apa itu materi gelap atau ke mana semua antimateri yang diciptakan dalam Big Bang menghilang. Namun, itu diterima secara luas dan dianggap sebagai teori terbaik untuk menjelaskan sifat dasar keberadaan kita hingga saat ini.

Dalam Model Standar, semua materi terdiri dari kelas partikel elementer yang disebutfermion. Fermion datang dalam dua jenis:quarkataulepton. Masing-masing kategori ini selanjutnya dibagi menjadi enam partikel, terkait berpasangan yang dikenal sebagaigenerasi. Generasi pertama adalah yang paling stabil, dengan partikel yang lebih berat dan kurang stabil ditemukan pada generasi kedua dan ketiga.

Komponen lain dari model standar adalah gaya dan partikel pembawa, yang dikenal sebagaiboson. Masing-masing dari empat gaya fundamental – gravitasi, elektromagnetik, kuat dan lemah – dikaitkan dengan boson yang menyampaikan gaya dalam pertukaran dengan partikel materi.

Fisikawan partikel yang bekerja pada akselerator atau mengamati tabrakan partikel berenergi tinggi dari luar angkasa telah mengidentifikasi boson untuk tiga gaya terakhir.Foton adalah boson yang membawa gaya elektromagnetik di alam semesta, itugluonmencari kekuatan yang kuat danWdanZpartikel membawa gaya lemah. Tapi boson teoretis untuk gravitasi,gravitasi, tetap sulit dipahami.

​Radiasi benda hitam.Benda hitam adalah jenis objek hipotetis (yang sempurna tidak ada di alam) yang menyerap semua radiasi elektromagnetik yang mengenai mereka. Intinya, setiap radiasi elektromagnetik yang mengenai benda hitam berfungsi untuk memanaskannya dan radiasi yang dikeluarkannya saat pendinginan oleh karena itu berhubungan langsung dengan suhunya. Fisikawan dapat menggunakan pendekatan ini untuk menyimpulkan sifat-sifat benda hitam yang hampir sempurna di alam semesta, seperti bintang dan lubang hitam.

Sementara sifat gelombang cahaya membantu menggambarkan frekuensi radiasi benda hitam yang akan diserap dan dipancarkan oleh suatu benda, sifat partikel sebagai foton juga membantu menggambarkannya secara matematis, karena energi yang dapat dikandung benda hitam terkuantisasi. Max Planck termasuk orang pertama yang menyelidiki fenomena ini.

​Eksperimen celah ganda.Prinsip utama fisika kuantum, eksperimen celah ganda menunjukkan bagaimana menyorotkan cahaya pada penghalang dengan dua bukaan sempit menghasilkan pola bayangan terang dan gelap yang khas yang dikenal sebagaipola interferensi gelombang​.

Bagian yang aneh dari ini adalah bahwa satu foton yang ditampilkan melalui bukaan akan tetap berperilaku seolah-olah itu mengganggu foton lain, meskipun sendirian dan tidak dapat dibagi. Ini untuk mengatakan bahwa pola cahaya yang diamati dalam percobaan tidak dapat dijelaskan dengan memperlakukan cahaya hanya sebagai foton atau gelombang; itu harus dipertimbangkan keduanya. Eksperimen ini sering dikutip dalam menjelaskan apa yang dimaksud dengan gagasan dualitas gelombang-partikel.

​Efek Compton.Efek Compton adalah contoh lain yang dapat diamati dari interaksi antara gelombang cahaya dan sifat partikel. Ini menjelaskan bagaimana energi dan momentum dilestarikan ketika foton bertabrakan dengan elektron stasioner. Menggabungkan persamaan jumlah energi foton dengan persamaan kekekalan momentum menunjukkan bahwa the panjang gelombang foton yang keluar (elektron mula-mula diam) dapat diprediksi dengan panjang gelombang foton masuk yang memberikan itu energi.

​Spektroskopi.Teknik spektroskopi memungkinkan fisikawan, kimiawan, astronom, dan ilmuwan lain untuk menyelidiki susunan material suatu objek, termasuk bintang yang jauh, hanya dengan menganalisis pola yang dihasilkan dari pemisahan cahaya yang masuk dari objek tersebut dengan a prisma. Karena elemen yang berbeda menyerap dan memancarkan foton dalam kuanta diskrit, panjang gelombang elektromagnetik yang diamati jatuh ke dalam segmen diskrit tergantung pada elemen apa yang dikandung objek.

​Kesetaraan massa-energi.Banyak anak dapat melafalkan persamaan Einstein yang terkenalE = mc². Singkat dan manis, implikasi sebenarnya dari persamaan ini sangat dalam:Massasayadan energiEsetaradan dapat dikonversi satu sama lain menggunakan kecepatan cahaya dalam ruang hampa,c, kuadrat. Hal ini penting menyiratkan bahwa suatu benda yang tidak bergerak masih memiliki energi; dalam hal ini adalahmassa istirahatdikatakan sama denganenergi istirahat​.

Fisikawan partikel menggunakan kesetaraan massa-energi untuk menentukan satuan yang lebih sederhana untuk beberapa pengukurannya. Misalnya, fisikawan kuantum mencari massa fermion atau boson dengan mempercepat partikel subatomik seperti proton dan elektron ke kecepatan mendekati cahaya di akselerator raksasa dan menghancurkannya bersama-sama, dan kemudian menganalisis efek dari "puing-puing" di listrik yang sangat sensitif array.

Namun, alih-alih memberikan massa dalam kilogram, cara umum untuk melaporkan massa partikel adalah dalam giga-elektron-volt, atau GeV, satuan energi. Untuk mengembalikan nilai ini ke massa dalam satuan SI kilogram, mereka dapat menggunakan hubungan sederhana ini: 1 GeV/c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.