Foton

Foton
Pancaran foton dari laser
Komposisi:	Zarah asas
Kumpulan:	Boson tolok
Interaksi:	Elektromagnet, Daya nukleus lemah, Graviti
Pengasas teori:	Albert Einstein (1905) Nama "foton" diistilahkan oleh Gilbert N. Lewis (1926)
Simbol:	γ
Jisim:	0 (nilai teori) < 6982100000000000000♠1×10−18 eV/c2 (had eksperimen)
Masa hayat min:	Stabil
Cas elektrik:	0 < 6946160217648700000♠1×10−35 e
Spin:	1
Pariti:	−1
Pariti-C:	−1
Terkondensasi	I(JPC)=0,1(1−−)

Foton di dalam fizik merujuk kepada zarah asas yang bertanggungjawab terhadap penghasilan semua fenomena elektromagnet. Zarah ini merupakan unit asas cahaya dan semua bentuk sinaran elektromagnet, termasuk sinar gama, sinar X, sinar ultraungu (ultralembayung), cahaya tampak, sinar inframerah, mikrogelombang malah gelombang radio. Zarah ini berbeza jika dibandingkan dengan zarah-zarah yang lain seperti elektron dan kuark dari segi jisim rehatnya, iaitu sifar.

Oleh yang demikian, foton bergerak di dalam vakum dengan kelajuan cahaya, $\,c$. Sama seperti semua kuantum, foton memiliki sifat kedualan zarah-gelombang. Sifat gelombang yang dimiliki foton boleh ditemui dengan mengkaji pembiasan foton oleh kanta dan interferens memusnah apabila gelombang-gelombang yang dipantul saling membatalkan di antara satu sama lain. Sifat foton dari segi zarah pula ialah kebolehannya untuk bersalingtindak dengan jirim melalui pemindahan tenaga. Hal ini disimpulkan melalui persamaan Planck seperti berikut:

$E={\frac {hc}{\lambda }},$

dengan $\,E$ ialah tenaga, $\,h$ ialah pemalar Planck, $\,\lambda$ ialah jarak gelombang. Hal ini amat bertentangan dengan sifat gelombang klasik yang boleh kehilangan tenaga secara rambang. Bagi cahaya tampak, tenaga yang dibawa oleh satu unit foton ialah 4×10^–19 joule. Tenaga ini cukup untuk merangsang satu molekul di dalam sel optik pada bahagian mata sehingga membawa kepada kebolehan melihat.

Selain memiliki tenaga, satu unit foton turut mempunyai momentum dan pengkutuban. Foton mengikut hukum mekanik kuantum yang bererti bahawa semua sifat-sifat ini tidak mempunyai nilai yang jelas bagi satu-satu unit foton. Sebaliknya sifat-sifat ini ditentukan sebagai satu kebarangkalian untuk mengukur pengkutuban, kedudukan mahupun momentum tertentu. Sebagai contoh, walaupun foton boleh merangsang molekul, adalah mustahil untuk meramalkan molekul yang akan dirangsang.

Penghuraian foton di atas sebagai pembawa sinar elektromagnet sering digunakan oleh ahli-ahli fizik. Namun, dalam fizik teori, satu unit foton boleh dianggap sebagai orang tengah bagi semua jenis tindak balas elektromagnet termasuk di dalam medan magnet dan juga penolakan elektrostatik di antara cas-cas yang serupa.

Sejarah

Konsep moden foton telah dibangunkan oleh Albert Einstein secara beransur-ansur dari tahun 1905 hingga ke 1917 untuk menjelaskan pemerhatian dalam uji kaji yang tidak padan dengan model cahaya dalam gelombang klasik. Ketidakpadanan ini terhasil terutamanya dalam model foton yang turut mengambil kira kebergantungan tenaga cahaya terhadap frekuensi dan menjelaskan keupayaan jirim dan sinaran untuk berada di dalam keseimbangan terma. Ahli-ahli fizik yang lain turut berusaha untuk menjelaskan pemerhatian janggal dalam model-model separa klasik yang masih menerangkan cahaya menggunakan persamaan Maxwell tetapi objek-objek berjirim yang memancar dan menyerap cahaya adalah boleh dikuantumkan. Walaupun model separa klasik ini menyumbang terhadap perkembangan mekanik kuantum, uji kaji lanjut yang dijalankan telah membuktikan hipotesis Einstein bahawa cahaya itu sendiri telah dikuantumkan dan kuantum-kuantum cahaya ialah foton.

Aplikasi

Konsep foton ini telah membawa kepada penemuan-penemuan menakjubkan di dalam uji kaji dan teori fizik, seperti laser, pemeluwapan Bose-Einstein, teori medan kuantum dan tafsiran kebarangkalian bagi mekanik kuantum. Menurut model piawai dalam fizik zarah, foton bertanggungjawab menghasilkan semua medan elektrik dan magnetik dan foton itu sendiri terhasil daripada hukum fizik yang memerlukan simetri tertentu pada setiap titik dalam ruangmasa. Sifat intrinsik foton seperti cas, jisim dan putaran adalah ditentukan oleh sifat ukuran simetri ini. Konsep foton digunapakai di dalam pelbagai bidang seperti fotokimia, mikroskopi berpeleraian tinggi dan pengukuran jarak di antara molekul. Kebelakangan ini, foton telah dikaji sebagai unsur di dalam komputer kuantum dan juga perhubungan optik seperti kriptografi kuantum.

Tatanama

Foton pada asalnya dipanggil "kuantum cahaya" (Bahasa Jerman: das Lichtquant) oleh Albert Einstein. Nama moden foton berasal dari perkataan Yunani untuk cahaya, φῶςcode: grc is deprecated , (disebut phôs), dan direka pada tahun 1926 oleh ahli kimia fizikal Gilbert N. Lewis yang menerbitkan satu teori spekulatif yang mengatakan bahawa foton "tidak tercipta dan tidak termusnah". Walau bagaimanapun, teori beliau tidak diterima kerana bercanggah dengan banyak ujikaji seterusnya, nama barunya itu kekal digunapakai oleh banyak ahli fizik yang lain. Isaac Asimov menyatakan bahawa Arthur Compton ialah orang yang bertanggungjawab mentakrif kuantum cahaya sebagai foton pada tahun 1927.

Foton sering ditulis menggunakan simbol $\,\gamma$ (gama). Di dalam fizik bertenaga tinggi simbol ini selalunya digunakan untuk foton daripada sinar gama yang memiliki tenaga tinggi (kuantum gama) manakala foton Rontgen di dalam cabang fizik ini diberikan simbol X (b. Inggeris: X-ray). Foton turut ditakrif melalui tenaga yang dimilikinya dengan simbol $h\,\nu$ atau $\hbar \omega$. Di sini $\,h$ ialah pemalar Planck dan $\,\nu$ ialah frekuensi cahaya, manakala dalam takrif kedua $\hbar =h/(2\pi )$ dan $\,\omega =2\pi \nu$, iaitu frekuensi sudut.

Sifat fizikal

Sebuah gambarajah Feynman yang menunjukkan pertukaran satu foton maya (dilambangkan sebagai garis berombak dan satu gama, $\,\gamma$) di antara satu positron dan satu elektron.

Foton tidak mempunyai jisim, tidak mempunyai cas elektrik dan tidak reput secara spontan di dalam ruang kosong. Satu foton berkemungkinan memiliki dua keadaan pengkutuban dan diterangkan dengan tiga batas yang berterusan, iaitu komponen-komponen vektor gelombangnya yang menentukan jarak gelombang, $\,\lambda$ dan arah perambatannya. Foton juga merupakan tolok boson bagi keelektromagnetan. Maka, semua nombor-nombor kuantum seperti nombor lepton, nombor barion dan keanehan adalah sifar.

Foton-foton dipancar di dalam pelbagai proses semulajadi. Sebagai contoh, ketika cas dipecut, sewaktu perpindahan dari tahap molekul, atom mahupun nuklear ke tahap tenaga rendah, atau semasa zarah dan anti-zarah dimusnah. Foton diserap di dalam proses masa terbalik yang bersangkutan dengan proses-proses yang dinyatakan sebelum ini. Sebagai contoh, pengeluaran pasangan zarah-anti-zarah atau pemindahan dari tahap molekul, atom dan nuklear ke tahap tenaga yang lebih tinggi.

Di dalam ruang kosong, foton bergerak dengan kelajuan cahaya, $\,c$ momentum $\,p$ dan tenaga $\,E$ dan boleh diterangkan dengan persamaan $E=cp$. Sebagai perbandingan, persamaan yang sepadan dengannya untuk zarah-zarah dengan jisim $\,m$ ialah

$E^{2}=c^{2}p^{2}+m^{2}c^{4}$

seperti yang digambarkan di dalam teori relativiti khas.

Tenaga dan momentum satu foton bergantung bukan sahaja pada frekuensinya $\,\nu$ atau setara dengannya, iaitu jarak gelombangnya $\,\lambda$

$E=\hbar \omega =h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}$

$\mathbf {p} =\hbar \mathbf {k}$

dan akibatnya, magnitud momentum itu ialah

$p=\hbar k={\frac {h}{\lambda }}={\frac {h\nu }{c}}$

dengan $\,\hbar =h/2\pi \!$ (yang dikenali dengan nama pemalar Dirac atau pemalar terkurang Planck), $\,k$ ialah vektor gelombang (dengan nombor gelombang $\,k=2\pi /\lambda$ seperti magnitudnya) dan $\,\omega =2\pi \nu$ ialah frekuensi sudutnya. $\,k$ di sini merujuk kepada arah perambatan foton. Foton turut membawa momentum sudut bagi spinnya yang tidak bergantung dengan frekuensinya. Magnitud spinnya ialah$\,{\sqrt {2}}\hbar$ dan komponen itu diukur sepanjang arah pergerakannya, iaitu keheliksannya, ialah $\,\pm \hbar$. Kedua-dua keheliksan ini secocok dengan dua keadaan pengkutuban membulat (tangan kanan dan kiri) foton itu.

Untuk menggambarkan kepentingan rumus-rumus ini, pemusnahan zarah dan anti-zarah harus mengakibatkan terciptanya sekurang-kurangnya dua foton di atas sebab-sebab berikut. Di dalam rangka pusat jisim, anti-zarah-anti-zarah yang berlanggar tidak memiliki momentum bersih, manakala satu foton sentiasa memiliki momentum. Maka, keabadian momentum memerlukan sekurang-kurangnya dua foton dicipta dengan nilai momentum bersih ialah sifar. Tenaga kedua-dua foton ini, atau pada masa yang sama frekuensinya, boleh ditentukan daripada keabadian momentum tersebut. Dilihat dari sudut lain, foton boleh dianggap sebagai anti-zarahnya sendiri. Satu proses yang terbalik, iaitu pengeluaran pasangan, ialah satu mekanisme, yang menonjol, yang menyebabkan foton-foton bertenaga tinggi seperti sinar gama kehilangan tenaga sewaktu melepasi jirim.

Rumus-rumus klasik tenaga dan momentum sinaran elektromagnet juga boleh dijelaskan dengan mengunakan acara-acara foton. Sebagai contoh, tekanan sinar daripada sinar elektromagnet ke atas satu objek sebenarnya berasal daripada perpindahan momentum foton seunit masa dan seunit luas objek tersebut, memandangkan tekanan ialah daya se unit luas dan daya itu sendiri ialah perubahan momentum seunit masa.

Lihat juga

• Cahaya
• Fotonik
• Optoelektronik