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.
