Foton adalah jenis partikel dasar yang membentuk unit dasar radiasi elektromagnetik, yang meliputi gelombang radio, inframerah, cahaya tampak, ultraviolet, sinar-X, dan sinar gamma. Foton tidak memiliki massa, tidak ada muatan listrik, dan berjalan dengan kecepatan cahaya. Tidak seperti beberapa partikel, seperti proton dan neutron, mereka tidak dianggap terdiri dari komponen yang lebih kecil. Foton termasuk ke dalam kelas partikel yang bertanggung jawab atas gaya dasar alam, dan membawa gaya elektromagnetik. Menurut teori elektrodinamika kuantum, cara partikel bermuatan listrik bersikap terhadap satu sama lain dapat digambarkan dalam hal foton.
Foton adalah unit dasar dari radiasi elektromagnetik, spektrum yang meliputi cahaya tampak.
Percobaan yang dilakukan di abad ke-19 tampaknya membuktikan bahwa cahaya terdiri dari gelombang. Namun, pada awal abad ke-20, percobaan lainnya menunjukkan bahwa itu terdiri dari partikel-partikel. Meskipun tampaknya bertentangan, cahaya dan bentuk lain dari radiasi elektromagnetik sebenarnya berperilaku baik sebagai bentuk. Foton adalah partikel cahaya, tetapi mereka juga memiliki sifat seperti gelombang, seperti panjang gelombang dan frekuensi.
Materi dapat berinteraksi dengan partikel cahaya dalam beberapa cara. Sebuah elektron dalam sebuah atom, misalnya, dapat menyerap foton, menyebabkan ia melompat ke tingkat energi yang lebih tinggi. Seiring waktu, elektron dapat kembali ke tingkat energi yang lebih rendah, memancarkan energi ekstra sebagai sebuah foton. Mata mampu mendeteksi cahaya karena molekul tertentu dalam retina menyerap energi dari foton dalam kisaran cahaya tampak frekuensi. Energi ini diubah menjadi impuls listrik yang berjalan di sepanjang saraf optik keotak.
Dalam beberapa kasus, elektron dapat menyerap relatif partikel energi tinggi sinar ultraviolet kemudian memancarkan energi foton dengan panjang gelombang yang lebih panjang dari cahaya tampak, sebuah fenomena yang dikenal sebagai fluoresensi. Molekul dapat menyerap energi pada frekuensi inframerah, yang menyebabkan mereka untuk bergerak lebih, sehingga terjadi peningkatan suhu; ini adalah mengapa benda dapat dipanaskan oleh sinar matahari atau pemanas listrik. Foton dengan yang berenergi tinggi, seperti sinar-X dan sinar gamma, dapat memiliki efek merusak pada materi. Mereka memiliki energi yang cukup untuk menghilangkan elektron dari atom, membentuk ion bermuatan positif, dan untuk memecah ikatan kimia. Efek ini menyebabkan perubahan kimia yang bisa sangat merusak organisme hidup.
Penemuan
Konsep dan penemuan foton terkait erat dengan perkembangan teori kuantum. Sekitar tahun 1900, fisikawan teoritis Max Planck menemukan solusi untuk masalah yang dihadapi ilmuwan dalam beberapa waktu, yang melibatkan frekuensi radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda pada berbagai suhu. Ia mengusulkan bahwa energi datang sebagai unit kecil, yang terpisahkan, yang disebutnya quanta. Karya Albert Einstein pada efek fotolistrik pada tahun 1905 memberikan bukti eksperimental yang kuat bahwa kuanta adalah nyata. Ia tidak sampai tahun 1926, istilah “foton” pertama kali digunakan – oleh kimiawan Gilbert N. Lewis – untuk menggambarkan kuanta cahaya.
Energi dan Frekuensi
Planck menunjukkan bagaimana energi kuantum cahaya yang terkait terkait dengan frekuensi. Ia mendefinisikan sebuah konstanta, yang dikenal sebagai konstanta Planck, yang bila dikalikan dengan frekuensi kuantum cahaya, memberikan energi. Foton dengan frekuensi tinggi, seperti sinar-X, karena itu memiliki lebih banyak energi daripada frekuensi rendah, seperti gelombang radio. Konstanta Planck sangat kecil; Namun, sebagian besar sumber cahaya menghasilkan sejumlah besar partikel-partikel ini, sehingga total energi mungkin cukup.
Elektrodinamika Quantum
Saat teori kuantum dikembangkan, menjadi jelas bahwa kekuatan alam harus dilakukan dalam beberapa cara oleh agen yang tidak bisa melakukan perjalanan lebih cepat dari cahaya, dan bahwa agen ini harus “terkuantisasi”: mereka bisa eksis hanya sebagai kelipatan unit terpisahkan. Hubungan antara cahaya, listrik, dan magnet sudah dibuat jelas di abad ke-19. Pada saat itu, cahaya dan bentuk lain dari radiasi elektromagnetik diasumsikan terdiri dari gelombang. Menyusul penemuan foton, sebuah teori baru yang disebut elektrodinamika kuantum dikembangkan, yang menjelaskan bagaimana foton membawa gaya elektromagnetik.
Kecepatan Cahaya
Foton selalu bergerak dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa, yang kira-kira 186.000 mil (300.000 kilometer) per detik. Menurut Teori Relativitas khusus Einstein, tidak mungkin untuk setiap objek material untuk mencapai kecepatan ini, dengan meningkatnya massa dengan kecepatan, sehingga dibutuhkan lebih banyak energi untuk meningkatkan kecepatan. Foton bergerak pada kecepatan cahaya karena mereka tidak memiliki massa.
Cahaya dapat memperlambat, ketika melewati kaca, misalnya, tetapi partikel cahaya individu tidak melambat. Mereka diserap oleh atom, yang sementara mendapatkan energi, cepat melepaskan lagi dalam bentuk foton lain dengan frekuensi yang sama. Hal ini terjadi berkali-kali ketika cahaya melewati kaca (atau beberapa zat lain), dan sedikit jeda antara penyerapan dan pelepasan energi berarti bahwa partikel memakan waktu lebih lama untuk melewati mereka akan melewati udara atau ruang hampa. Setiap foton, bagaimanapun, selalu bergerak pada kecepatan cahaya.
Mata mengubah energi dari foton menjadi impuls listrik.
Relativitas khusus menunjukkan bahwa perjalanan mendekati kecepatan cahaya memiliki beberapa konsekuensi yang aneh. Misalnya, waktu yang melambat dibandingkan dengan benda-benda yang tidak bergerak, efek yang dikenal sebagai dilatasi waktu. Jika astronot bergerak dipercepat menjauh dari Bumi hanya sedikit di bawah kecepatan cahaya kemudian kembali setahun kemudian – menurut kalender – ia mungkin menemukan bahwa sepuluh tahun telah berlalu di Bumi. Hal ini tidak mungkin bagi astronot untuk mencapai kecepatan cahaya, tetapi banyak orang telah berspekulasi tentang apa dilatasi waktu akan berarti untuk foton. Menurut relativitas khusus, waktu harus berhenti sama sekali.
Galaksi Andromeda dikatakan 2,2 juta tahun cahaya dari Bumi karena dibutuhkan 2,2 juta tahun untuk foton dari itu untuk mencapai Bumi.
Seorang manusia melihat Galaksi Andromeda, yang berjarak 2,2 juta tahun cahaya, adalah melihat foton yang – dari sudut pandang – telah melakukan perjalanan 2,2 juta tahun cahaya dan memakan 2,2 juta tahun untuk melakukannya. Bagaimanapun, dapat dikatakan, bahwa dari sudut pandang ‘foton, perjalanan tidak mengambil waktu sama sekali dan bahwa jarak yang ditempuh sebenarnya nol. Karena setiap partikel cahaya “lahir” dalam sebuah bintang dan ada sampai mengenai retina astronom, bisa juga dikatakan bahwa dari sudut pandang sendiri, foton ada untuk waktu nol, dan karena itu tidak ada sama sekali. Bagaimanapun, konsensus di antara para ilmuwan, adalah bahwa hal itu sama sekali tidak masuk akal untuk berpikir tentang partikel cahaya sebagai memiliki sudut pandang atau “mengalami” apa-apa.
