Foton adalah jenis partikel elementer yang membentuk unit dasar radiasi elektromagnetik, yang meliputi gelombang radio, inframerah, cahaya tampak, ultraviolet, sinar-X, dan sinar gamma. Foton tidak memiliki massa, tidak bermuatan listrik, dan bergerak dengan kecepatan cahaya. Tidak seperti beberapa partikel, seperti proton dan neutron, mereka tidak dianggap terdiri dari komponen yang lebih kecil. Mereka termasuk dalam kelas partikel yang bertanggung jawab atas gaya fundamental alam, dan membawa gaya elektromagnetik. Menurut teori elektrodinamika kuantum, cara partikel bermuatan listrik berperilaku terhadap satu sama lain dapat dijelaskan dalam bentuk foton.
Eksperimen yang dilakukan pada abad ke-19 tampaknya membuktikan bahwa cahaya terdiri dari gelombang. Namun, pada awal abad ke-20, eksperimen lain menunjukkan bahwa itu terdiri dari partikel. Meskipun tampak kontradiktif, cahaya dan bentuk lain dari radiasi elektromagnetik sebenarnya berperilaku sebagai kedua bentuk. Foton adalah partikel cahaya, tetapi mereka juga memiliki sifat seperti gelombang, seperti panjang gelombang dan frekuensi.
Foton dan Materi
Materi dapat berinteraksi dengan partikel cahaya dalam beberapa cara. Sebuah elektron dalam sebuah atom, misalnya, dapat menyerap foton, menyebabkannya melompat ke tingkat energi yang lebih tinggi. Pada waktunya, elektron dapat kembali ke tingkat energi yang lebih rendah, memancarkan energi ekstra sebagai foton. Mata mampu mendeteksi cahaya karena molekul tertentu di retina menyerap energi dari foton dalam rentang frekuensi cahaya tampak. Energi ini diubah menjadi impuls listrik yang berjalan di sepanjang saraf optik ke otak.
Dalam beberapa kasus, elektron dapat menyerap partikel sinar ultraviolet dengan energi yang relatif tinggi kemudian memancarkan energi sebagai 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 bergerak lebih banyak, menghasilkan peningkatan suhu; inilah mengapa benda dapat dipanaskan dengan sinar matahari atau dengan pemanas listrik. Foton berenergi sangat 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 memutuskan ikatan kimia. Efek ini menyebabkan perubahan kimia yang dapat sangat merusak organisme hidup.
penemuan
Konsep dan penemuan foton terkait erat dengan perkembangan teori kuantum. Sekitar tahun 1900, fisikawan teoretis Max Planck menemukan solusi untuk masalah yang telah mengganggu para ilmuwan selama beberapa waktu, yang melibatkan frekuensi radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu objek pada berbagai suhu. Dia mengusulkan bahwa energi datang dalam unit kecil yang tidak dapat dibagi, yang dia sebut kuanta. Karya Albert Einstein tentang efek fotolistrik pada tahun 1905 memberikan bukti eksperimental yang kuat bahwa kuanta adalah nyata. Namun, baru pada tahun 1926, istilah “foton” pertama kali digunakan – oleh ahli kimia Gilbert N. Lewis – untuk menggambarkan kuanta cahaya.
Energi dan Frekuensi
Planck menunjukkan bagaimana energi kuantum cahaya terkait dengan frekuensinya. Dia mendefinisikan konstanta, yang dikenal sebagai konstanta Planck, yang bila dikalikan dengan frekuensi kuantum cahaya, memberikan energinya. Oleh karena itu, foton frekuensi tinggi, seperti sinar-X, memiliki lebih banyak energi daripada foton frekuensi rendah, seperti gelombang radio. Konstanta Planck sangat kecil; namun, sebagian besar sumber cahaya menghasilkan partikel-partikel ini dalam jumlah yang sangat besar, sehingga energi totalnya mungkin cukup besar.
Elektrodinamika kuantum
Seiring berkembangnya teori kuantum, menjadi jelas bahwa gaya-gaya alam harus dibawa dalam beberapa cara oleh agen-agen yang tidak dapat berjalan lebih cepat dari cahaya, dan bahwa agen-agen ini harus “terkuantisasi”: mereka hanya bisa eksis sebagai kelipatan unit yang tidak dapat dibagi. Hubungan antara cahaya, listrik, dan magnet telah dibuat jelas pada abad ke-19. Namun, pada saat itu, cahaya dan bentuk radiasi elektromagnetik lainnya dianggap terdiri dari gelombang. Setelah 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, yaitu sekitar 186,000 mil (300,000 kilometer) per detik. Menurut Teori Relativitas Khusus Einstein, tidak mungkin benda material apa pun mencapai kecepatan ini, karena massa bertambah dengan kecepatan, sehingga dibutuhkan lebih banyak energi untuk meningkatkan kecepatan. Foton bergerak dengan kecepatan cahaya karena tidak memiliki massa.
Cahaya dapat melambat, ketika melewati kaca, misalnya, tetapi partikel cahaya individu tidak diperlambat. Mereka diserap oleh atom, yang untuk sementara memperoleh energi, dengan cepat melepaskannya kembali dalam bentuk foton lain dengan frekuensi yang sama. Ini terjadi berkali-kali ketika cahaya melewati kaca (atau beberapa zat lain), dan sedikit penundaan antara penyerapan dan pelepasan energi berarti bahwa partikel membutuhkan waktu lebih lama untuk melewati daripada melewati udara atau ruang hampa. Namun, setiap foton selalu bergerak dengan kecepatan cahaya.
Relativitas khusus menunjukkan bahwa bepergian dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya memiliki beberapa konsekuensi yang aneh. Misalnya, waktu melambat relatif terhadap objek yang tidak bergerak, efek yang dikenal sebagai dilatasi waktu. Jika seorang astronot berakselerasi menjauh dari Bumi hingga tepat di bawah kecepatan cahaya kemudian kembali setahun kemudian — menurut kalendernya — ia mungkin menemukan bahwa sepuluh tahun telah berlalu di Bumi. Tidak mungkin seorang astronot mencapai kecepatan cahaya, tetapi banyak orang berspekulasi tentang apa arti pelebaran waktu bagi foton. Menurut relativitas khusus, waktu harus berhenti sama sekali.
Seorang manusia yang melihat Galaksi Andromeda, yang berjarak 2.2 juta tahun cahaya, melihat foton yang — dari sudut pandangnya — telah menempuh perjalanan 2.2 juta tahun cahaya dan membutuhkan waktu 2.2 juta tahun untuk melakukannya. Akan tetapi, dapat dikatakan bahwa dari sudut pandang foton, perjalanan tidak memakan waktu sama sekali dan jarak yang ditempuh sebenarnya nol. Karena setiap partikel cahaya “lahir” di sebuah bintang dan ada sampai mengenai retina astronom, dapat juga dikatakan bahwa dari sudut pandangnya sendiri, sebuah foton ada untuk waktu nol, dan karena itu tidak ada sama sekali. Konsensus di antara para ilmuwan, bagaimanapun, adalah bahwa tidak masuk akal untuk menganggap partikel cahaya memiliki sudut pandang atau “mengalami” apa pun.