Foton Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas

Belum Diperiksa

Foton yang dipancarkan dalam berkas koheren laser

Foton adalah partikel elementer dalam fenomena elektromagnetik. Biasanya foton dianggap sebagai

pembawa radiasi elektromagnetik, seperti cahaya, gelombang radio, dan Sinar-X. Foton berbeda dengan

partikel elementer lain seperti elektron dan quark, karena ia tidak bermassa dan dalam ruang vakum foton

selalu bergerak dengan kecepatan cahaya, c. Foton memiliki baik sifat gelombang maupun partikel

("dualisme gelombang-partikel").

Sebagai gelombang, satu foton tunggal tersebar di seluruh ruang dan menunjukkan fenomena gelombang

seperti pembiasan oleh lensa daninterferensi destruktif ketika gelombang terpantulkan saling

memusnahkan satu sama lain.

Sebagai partikel, foton hanya dapat berinteraksi dengan materi dengan memindahkan energi sejumlah:

,

di mana adalah konstanta Planck, adalah laju cahaya, dan adalah panjang gelombangnya.

Selain energi partikel foton juga membawa momentum dan memiliki polarisasi. Foton mematuhi

hukum mekanika kuantum, yang berarti kerap kali besaran-besaran tersebut tidak dapat diukur

dengan cermat. Biasanya besaran-besaran tersebut didefinisikan sebagai probabilitas mengukur

polarisasi, posisi, atau momentum tertentu.

Sebagai contoh, meskipun sebuah foton dapat mengeksitasi satu molekul tertentu, sering tidak

mungkin meramalkan sebelumnya molekul yang mana yang akan tereksitasi.

Deskripsi foton sebagai pembawa radiasi elektromagnetik biasa digunakan oleh para fisikawan.

Namun dalam fisika teoretis sebuah foton dapat dianggap sebagai mediator buat segala jenis interaksi

elektromagnetik, seperti medan magnet dan gaya tolak-menolak antara muatan sejenis.

Konsep modern foton dikembangkan secara berangsur-angsur antara 1905-1917 oleh Albert

Einstein[1][2][3][4]

untuk menjelaskan pengamatan eksperimental yang tidak memenuhi model klasik

untuk cahaya. Model foton khususnya memperhitungkan ketergantungan energi cahaya terhadap

frekuensi, dan menjelaskan kemampuan materi dan radiasi elektromagnetik untuk berada

dalamkesetimbangan termal. Fisikawan lain mencoba menjelaskan anomali pengamatan ini

dengan model semiklasik, yang masih menggunakan persamaan Maxwell untuk mendeskripsikan

cahaya. Namun dalam model ini objek material yang mengemisi dan menyerap cahaya dikuantisasi.

Meskipun model-model semiklasik ini ikut menyumbang dalam pengembangan mekanika kuantum,

percobaan-percobaan lebih lanjut membuktikan hipotesis Einstein bahwa cahaya itu sendirilah yang

terkuantisasi. Kuantum cahaya adalah foton.

Konsep foton telah membawa kemajuan berarti dalam fisika teoretis dan eksperimental,

seperti laser, kondensasi Bose-Einstein, teori medan kuantum dan interpretasi probabilistik dari

mekanika kuantum. Menurut model standar fisika partikel, foton bertanggung jawab dalam

memproduksi semua medan listrik dan medan magnet dan foton sendiri merupakan hasil persyaratan

bahwa hukum-hukum fisika memiliki kesetangkupan pada tiap titik pada ruang-waktu. Sifat-sifat

intrinsik foton seperti muatan listrik, massa dan spin ditentukan dari kesetangkupan gauge ini.

Konsep foton diterapkan dalam banyak area seperti fotokimia, mikroskopi resolusi tinggi dan

pengukuran jarak molekuler. Baru-baru ini foton dipelajari sebagai unsur komputer kuantum dan untuk

aplikasi canggih dalam komunikasi optik seperti kriptografi kuantum

[sunting]Nomenklatur

Foton awalnya dinamakan sebagai kuantum cahaya (das Lichtquant) oleh Albert Einstein.[1]

. Nama

modern "photon" berasal dari kata Bahasa Yunani untuk cahaya φῶς, ditransliterasi sebagai phôs, dan

ditelurkan oleh kimiawan fisik Gilbert N. Lewis, yang menerbitkan teori spekulatif[5]

yang menyebutkan

foton sebagai "tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan". Meskipun teori Lewis ini tidak dapat diterima

karena bertentangan dengan hasil banyak percobaan, nama barunya ini, photon, segera diadopsi oleh

kebanyakan fisikawan. Isaac Asimov menyebut Arthur Compton sebagai orang yang pertama kali

mendefinisikan kuantum cahaya sebagai foton pada tahun 1927 [[6][7]

Dalam fisika, foton biasanya dilambangkan oleh simbol γ abjad Yunani gamma. Simbol ini

kemungkinan berasal dari sinar gamma, yang ditemukan dan dinamakan oleh Villard[8][9]

, dan

dibuktikan sebagai salah satu bentuk radiasi elektromagnetik pada 1914 oleh Ernest

Rutherford dan Edward Andrade.[10]

Dalam kimia dan rekayasa optik, foton biasanya dilambangkan oleh , energi

foton, adalah konstanta Planck dan abjad Yunani adalah frekuensi foton. Agak jarang ditemukan

adalah foton disimbolkan sebagai hf, f di sini melambangkan frekuensi.

[sunting]Sifat-sifat fisik

Diagram Feynman pertukaran foton virtual (dilambangkan oleh garis gelombang dan

gamma, ) antara sebutir positron danelektron.

Foton tidak bermassa,[11]

tidak memiliki muatan listrik,[12]

dan tidak meluruh secara spontan di ruang

hampa. Sebuah foton memiliki dua keadaan polarisasi yang dimungkinkan, dan dapat dideskripsikan

dengn tiga parameter kontinu: komponen-komponen vektor gelombang, yang menentukan panjang

gelombangnya ( ) dan arah perambatannya. Foton adalah boson gauge untuk elektromagnetisme,

dan sebab itu semua bilangan kuantum lainnya sepertibilangan lepton, bilangan

baryon atau strangeness bernilai persis nol.

Foton diemisikan dalam banyak proses alamiah, contohnya ketika muatan dipercepat, saat transisi

molekuler, atomik atau nuklir ke tingkat energi yang lebih rendah, atau ketika sebuah partikel

dan antipartikel bertumbukan dan saling memusnahkan. Foton diserap dalam proses dengan waktu

mundur (time-reversed) yang berkaitan dengan yang sudah disebut di atas: contohnya dalam produksi

pasangan partikel-antipartikel, atau dalam transisi molekuler, atomik atau nuklir ke tingkat energi yang

lebih tinggi.

Dalam ruang hampa foton bergerak dengan laju (laju cahaya).

Energinya dan momentum dihubungkan dalam persamaan , di mana merupakan

nilai momentum. Sebagai perbandingan, persamaan terkait untuk partikel dengan

massa adalah , sesuai denganteori relativitas khusus.

Fonon dalam fisika adalah kuantum kuantum moda vibrasi pada kisi kristal tegar,

seperti kisi kristal pada zat padat. Kristal dapat dibentuk dari larutan, uap, lelehan atau

gabungan dari ketiganya. Pembentukan kristal sangat dipengaruhi oleh laju nukleasi

dan pertumbuhan. Bila pertumbuhan lambat, kristal yang terbentuk akan cukup besar,

disertai dengan penataan atom–atom atau molekul-molekul secara teratur dengan

berulang sehingga sehingga energi potensialnya minimum. Fisika zat padat sangat

berkaitan erat dengan kristal dan elektron di dalamnya.

Fisika zat padat mengalami perkembangan pesat setelah ditemukan Sinar-X dan

keberhasilan di dalam memodelkan susunan atom dalam kristal. Atom-atom atau

molekul–molekul dapat berbentuk kisi kristal melalui gaya tarik menarik (gaya coulomb).

Kisi–kisi tersebut tersusun secara priodik membentuk kristal. Atom–atom yang

menyusun zat padat bervibrasi terhadap posisi keseimbanganya sehingga kisi–kisi

kristal pun ikut bervibrasi. Fenomena yang muncul dari kuantisasi sistem fisika zat padat

tetapi memiliki perbedaan energi dengan panjang gelombang lebih panjang dibanding

gelombang elektromagnetik disebut fonon. Energi kuantum dari vibrasi gerak dalam

medan gelombang elastis dapat dianalogikan seperti dalam foton dalam gelombang

elektromagnetik.

[sunting]Pembahasan

Persamaan gelombang elastis :

E=1/2 KA2...................................................................(1)

Persamaan gel elektromagnetik adalah

E = hυ..................................................................................(2)

Hal ini berarti bahwa fonon berkaitan dengan transisi panjang gelombang yang lebih

panjang. Perambatan kisi vibrasi kristal dapat dinyatakan sebagai gelombang suara dan

kecepatan perambatannya identik dengan kecepatan suara dalam zat padat.

Gelombang suara merupakan gelombang transversal :

λn= 2L/n....................................................................(3)

n = 3 → λ3 = 2L/3 n = 2 → λ2 = 2L/2 n = 1 → λ1 = 2L/1=2L

Energi phonon

E=hυ E=hvs E=hvsn/2L....................................................................(4)

Vs = kecepatan suara dalam zat padat

[sunting]Vibrasi kristal monoatomik

Terdapat dua mode vibrasi dari atom dalam kristal :

1. Vibrasi logitudinal merupakan mode vibrasi yang arah vibrasinya searah dengan

arah rambatan.

2. Vibrasi transversal merupakan mode vibrasi yang arah vibrasinya tegak lurus arah

rambatan

Sebuah kristal kubus sederhana monoatomik [100], [110], dan [111] yang bervibrasi

mempunyai frekuensi gelombang elastis, ditinjau dari segi vektor gelombang akan

merambat secara pararel dan tegak lurus terhadap arah vektor gelombang. Setiap

perpindahan bidang (S) dari posisi keseimbangannya akan mempunyai vekktor

gelombang dengan tiga bentuk mode: satu polarisasi longitudinal dan dua polarisasi

transversal.

Terdapat dua jenis fonon dalam kisi kristal:

1. optikal

2. akustik

Respon elastis yang terjadi merupakan fungsi linear dari gaya, yang ekivalen dengan

energi, sebagai fungsi kuadrat dari perpindahan di antara dua titik dalam kristal. Energi

saat keseimbangan mencapai minimum. Gaya pada bidang S disebabkan oleh

perpindahan bidang S + P, sehingga terdapat selisih Us+ p – Us. Interaksi antara dua

tetangga terdekat (P = ± 1), sehingga total gaya :

Fs = C(Us+1-Us)+(Us-1–Us)........(5)

Pernyataan di atas identik dengan Hukum Law. Harga konstanta C akan berbeda untuk

gelombang longitudinal dan tranversal. Persamaan gerak untuk bidang s adalah :

M.d2Us/dt

2=C(Us+1+Us-1-2Us).........................................................................(6)

Persamaan gerak di atas terbentuk pada waktu exp(-iωt)

d2Us/dt

2= -ω2Us.............(7)

Sehingga persamaan(5)menjadi :

-Mω2Us = C(Us+1+Us-1-2Us)........(8)

Dengan asumsi gelombang merupakan gelombang berjalan:

Us±1= U exp(isKa)exp(±iKa.)............................(9)

Dimana :

a = jarak antara bidang

K = vektor gelombang

Subtitusi persamaan (6) dan (7) diperoleh:

-ω2MUexp(isKa) = Cu{exp[i(s+1)Ka]+exp[i(s-1)Ka]-2exp[isKa]} ω

2M= -

C[exp(iKa)+exp(-iKa)-2................................................(10)

Karena, 2cosKa=exp(iKa)+exp(-iKa), maka diperoleh hubungan ω dan k:

ω2=(2C/M)(1-cosKa)..........................................................(11)

Batas daerah Brillouin pertama terletak pada K=±π/a, Kemiringan ω terhadap K

adalah nol pada zone batas,sehingga:

dω2/dK=(2C/M)sinKa = 0

Akan diperoleh:

Sin ka = sin(±π)= 0

Melalui identitas trigonometri persamaan (11) dapat ditulis menjadi :

ω2=(4C/M)sin21/2Ka.............................................(12)

Jika ω diturunkan terhadap akan diperoleh :

dω/dK = Vg.................................................................(13)

dimana : Vg = kecepatan kelompok

[sunting]Vibrasi kristal sederhana diatomik

Penyebaran fonon untuk kristal sederhana diatomik atau lebih akan memberikan

arah penyebaran yang berbeda dibanding kristal monoatomik. Tiap polarisasi

akan memberikan arah hubungan penyebaran ω terhadap k dengan pola dua

cabang : akustik dan optikal. Sehingga akan diperoleh LA dan TA (longitudinal

acoustic dan transversal acoustic),serta LO dan TO (longitudinal optik dan

tranversal optik)

Sel sederhana dengan P atom mempunyai 3P cabang dengan 3 cabang

acoustic 3P-3 cabang optikal, jumlah cabang selanjutnya disebut derajat

kebebasan. Untuk kristal kubus diatomik dengan masa M1 dan M2 yang berbeda.

Persamaan gerak dengan anggapan tiap bidang berinteraksi hanya dengan

atom tetangga terdekat dan konstanta gaya sama, diperoleh :

M1 . d2Us/dt

2 = C(sup>Vs< + Vs-1 - 2Us..............................................................(14)

M2 . d2Vs/dt

2 = C(Us+1 + Us - 2Vs........................................................(14)

Persamaan di atas dapat diselesaikan dalam bentuk gelombang berjalan yang

amplitudo keduanya berskala U dan V :

Us = U exp(iska)exp(-iωt)...................................................(15) Vs = V

exp(iska)exp(-iωt)...................................................(15)

Dengan substitusi persamaan 14 dengan 15 akan diperoleh :

-ω2M1.U= CV[1 + exp(-iKa)- 2 CU............(16)

-ω2M2.V= CU[1 + exp(iKa+1)- 2 CV...........(16)

Persamaan di atas diselesaikan jika koefisien determinan yang tidak diketahui U

dan V direduksi sehingga akan diperoleh matriks : 2C – M1ω2 -C[1 + exp(-ika)] -

C(1 + exp(ika) 2C– M2ω2

Atau :

M1M2ω4 – 2c (M1 + M2)ω

2 + 2C

2(1–cosKa) =

0 ......................................................(17)

Jika Ka << 1 dan Ka = ±π pada daerah batas, sehingga :

cos Ka ≈ 1 - 1/2 K2a

2

Akan diperoleh persamaan :

ω2≈ 2C(1/M1 + 1/M2) (cabang optik).................(18)

ω2≈ ((1/2)C/(M1 + M2))) K

2a

2 (cabang

acoustic)..................................................................(19)