Rumus Foton (Kuanta Cahaya) Fisika Contoh Soal dan Jawaban

Pinter Pandai

7 tahun ago

Pengertian Foton

Foton adalah kuanta cahaya, atau partikel dasar yang mentransmisikan gelombang elektromagnetik cahaya. Cahaya yang terlihat merupakan contoh foton yang sangat bagus. Beberapa nilai fisik, termasuk panjang gelombang dan frekuensi (diukur dalam hertz, atau Hz), yang menandai foton.

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 dan interferensi destruktif ketika gelombang terpantulkan saling memusnahkan satu sama lain.

Rumus Foton

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

<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a4a8c83479c76652ec6c8bc1a7cb6b4a7e89c3d0" alt="{\displaystyle E={\frac {hc}{\lambda }}}" width="3468.6" height="2372">

di mana $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b26be3e694314bc90c3215047e4a2010c6ee184a" alt="{\displaystyle h}" width="576.5" height="936.9">$ adalah konstanta Planck, $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/86a67b81c2de995bd608d5b2df50cd8cd7d92455" alt="{\displaystyle c}" width="433.5" height="721.6">$ adalah laju cahaya, dan $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b43d0ea3c9c025af1be9128e62a18fa74bedda2a" alt="{\displaystyle \lambda }" width="583.5" height="936.9">$ 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.

Cara Menghitung Energi Foton

Anda dapat menghitung energi foton, berdasarkan frekuensi atau panjang gelombang, dengan bantuan konstanta fisik mendasar tertentu. Catat nilai konstanta fisik yang diperlukan untuk perhitungan perhitungan energi. Dalam hal ini, mereka adalah:

Kecepatan cahaya (c) = 299,792,458 m / s
Konstanta planck (h) = 4,135667662(25)×10−15 atau 4,135667662(25) E-15

Perhatikan bahwa elektron volt (eV) adalah satuan yang biasa digunakan untuk mengekspresikan energi foton.

Kalikan kecepatan cahaya dan konstanta Planck, dan bagi hasil kalinya dengan panjang gelombang untuk menghitung energi foton. Misalnya, foton cahaya tampak kuning memiliki panjang gelombang sekitar 580 nm atau 5,8E-7 m. Dengan demikian, energinya adalah 299.792.458 m / s x 4.13566733E-15 eV s / 5.8E-7 m = 2.14 eV.

Perhatikan bahwa awalan “nano” (n) menunjukkan 10 pangkat -9.

Pendekatan lain adalah dengan mengalikan frekuensi foton dan konstanta Planck untuk menghitung energi foton. Misalnya, frekuensi foton yang sesuai dengan sinar ultraviolet (UV) adalah 7.8E14 Hz atau 780 Thz; energi foton adalah 7.8E14 Hz x 4.13566733E-15 eV s = 3,23 eV.

Perhatikan bahwa awalan “tera” (T) berarti 10 pangkat 12 ayau E12.

Kalikan energi dalam eV dengan faktor 1.6021765E-19 untuk menghitungnya dalam joule (J), jika perlu. Misalnya, energi 3,23 eV akan dikonversi menjadi 5.18E-19 J.

Foton yang dipancarkan dalam berkas koheren laser. Sumber foto: Wikimedia Commons

Konsep Modern Foton

Konsep modern foton dikembangkan secara berangsur-angsur antara 1905-1917 oleh Albert Einstein 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 dalam kesetimbangan 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.

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

Dalam fisika, foton biasanya dilambangkan oleh simbol γ abjad Yunani gamma. Simbol ini kemungkinan berasal dari sinar gamma, yang ditemukan dan dinamakan oleh Villard, dan dibuktikan sebagai salah satu bentuk radiasi elektromagnetik pada 1914 oleh Ernest Rutherford dan Edward Andrade.

Dalam kimia dan rekayasa optik, foton biasanya dilambangkan oleh $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3cc23768f43b26085f80e1882a94b31d24abd653" alt="{\displaystyle h\nu }" width="1107" height="936.9">$ , energi foton, $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b26be3e694314bc90c3215047e4a2010c6ee184a" alt="{\displaystyle h}" width="576.5" height="936.9">$ adalah konstanta Planck dan abjad Yunani $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c15bbbb971240cf328aba572178f091684585468" alt="{\displaystyle \nu }" width="530.5" height="721.6">$ adalah frekuensi foton. Agak jarang ditemukan adalah foton disimbolkan sebagai hf, fdi sini melambangkan frekuensi.

Sifat Fisik Foton

Foton tidak bermassa, tidak memiliki muatan listrik, 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 ( $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b43d0ea3c9c025af1be9128e62a18fa74bedda2a" alt="{\displaystyle \lambda }" width="583.5" height="936.9">$ ) dan arah perambatannya. Foton adalah boson gauge untuk elektromagnetisme, dan sebab itu semua bilangan kuantum lainnya seperti bilangan 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 $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/86a67b81c2de995bd608d5b2df50cd8cd7d92455" alt="{\displaystyle c}" width="433.5" height="721.6">$ (laju cahaya). Energinya $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4232c9de2ee3eec0a9c0a19b15ab92daa6223f9b" alt="{\displaystyle E}" width="764.5" height="936.9">$ dan momentum $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/81eac1e205430d1f40810df36a0edffdc367af36" alt="{\displaystyle p}" width="542" height="865.1">$ dihubungkan dalam persamaan $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5498982f39427c7573448da10de26a7b3209e47a" alt="{\displaystyle E=pc}" width="3035.6" height="1080.4">$ , di mana $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/81eac1e205430d1f40810df36a0edffdc367af36" alt="{\displaystyle p}" width="542" height="865.1">$ merupakan nilai momentum. Sebagai perbandingan, persamaan terkait untuk partikel dengan massa $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0a07d98bb302f3856cbabc47b2b9016692e3f7bc" alt="{\displaystyle m}" width="878.5" height="721.6">$ adalah $<img decoding="async" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/aae851121f4b3ae4ccb30ee29b49368703cc15e5" alt="{\displaystyle E^{2}=c^{2}p^{2}+m^{2}c^{4}}" width="7847.9" height="1295.7">$ , sesuai dengan teori relativitas khusus.

Contoh Soal dan Jawaban Foton

Soal Fisika Teori Kuantum Planck SMA XII. Contoh Soal dan Pembahasan tentang Teori Kuantum Planck, Materi Fisika kelas 3 (XII) SMA, dengan kata kunci daya, intensitas, kuanta energi dan jumlah foton. Selihakan dipelajari dan selamat berlatih.Rumus Minimal

Energi Foton
E = hf
E = h( ^c/_λ )Energi Foton Sejumlah n
E = nhf
E = nh( ^c/_λ )

Konversi
1 elektron volt = 1 eV = 1,6 x 10⁻¹⁹ joule
1 angstrom = 1 Å = 10⁻¹⁰ meter
1 nanometer = 1 nm = 10⁻⁹ meter
Daya → Energi tiap sekon
Intensitas → Energi tiap sekon persatuan luas

Contoh Soal dan Pembahasan Teori Kuantum Plank

1. Tentukan kuanta energi yang terkandung dalam sinar dengan panjang gelombang 6600 Å jika kecepatan cahaya adalah 3 x 10⁸ m/s dan tetapan Planck adalah 6,6 x 10⁻³⁴ Js !

Pembahasan:

E = h(^c/_λ)
E = (6,6 x 10⁻³⁴ )( ^{3 x 10⁸}/_{6600 x 10⁻¹⁰} ) = 3 x 10⁻¹⁹ joule

2. Bola lampu mempunyai spesifikasi 132 W/220 V, ketika dinyalakan pada sumber tegangan 110 V memancarkan cahaya dengan panjang gelombang 628 nm. Bila lampu meradiasikan secara seragam ke segala arah, maka jumlah foton yang tiba persatuan waktu persatuan luas di tempat yang berjarak 2,5 m dari lampu adalah … (h =6,6.10⁻³⁴ J s)

(A) 5,33 . 10¹⁸ foton.s m⁻²
(B) 4,33 . 10¹⁸ foton.s m⁻²
(C) 3,33 . 10¹⁸ foton.s m⁻²
(D) 2,33 . 10¹⁸ foton.s m⁻²
(E) 1,33 . 10¹⁸ foton.s m⁻²

Pembahasan:
Daya Lampu yang memiliki spesifikasi 132 W/220 V saat dipasang pada tegangan 110 V dayanya akan turun menjadi :
P₂ =(^V₂/_V1)² x P₁
P₂ =(¹¹⁰/₂₂₀)² x 132 watt = 33 watt

Intensitas (daya persatuan luas) pada jarak 2,5 meter :
I = (^P/_A) dengan A adalah luas permukaan, anggap berbentuk bola (luas bola empat kali luas lingkaran).
I = (^P/_{4π r²})
I = (³³/_{4π (2,5)²}) = 0,42 watt/m²
0,42 watt/m² → Energi tiap sekon persatuan luas adalah 0,42 joule.

Jumlah foton (n) :
n = 0,42 : (^hc/_λ) = [ 0,42 ] : [ ^{( 6,6 x 10−34 )( 3 x 108 )}/_{( 628 x 10⁻⁹ )} ] = ( 0,42 ) : (3,15 x 10⁻¹⁹ )
n = 1,33 x 10¹⁸ foton

3. Panjang gelombang cahaya yang dipancarkan oleh lampu monokromatis 100 watt adalah 5,5.10⁻⁷ m. Cacah foton (partikel cahaya) per sekon yang dipancarkan sekitar….

A. 2,8 x 10²² /s
B. 2,0 x 10²² /s
C. 2,6 x 10²⁰ /s
D. 2,8 x 10²⁰ /s
E. 2,0 x 10²⁰ /s

Pembahasan:
Data:
P = 100 watt → Energi yang dipancarkan tiap sekon adalah 100 joule.

Energi 1 foton
E = h(^c/_λ)
E = (6,6 x 10⁻³⁴ )( ^{3 x 10⁸}/_{5,5 x 10⁻⁷} ) joule

Jumlah foton (n)
n = 100 joule : [ (6,6 x 10⁻³⁴ )( ^{3 x 10⁸}/_{5,5 x 10⁻⁷} ) joule] = 2,8 x 10²⁰ foton.

4. Intensitas radiasi yang diterima pada dinding dari tungku pemanas ruangan adalah 66,3 W.m⁻².
Jika tungku ruangan dianggap benda hitam dan radiasi gelombang elektromagnetik pada panjang gelombang 600 nm, maka jumlah foton yang mengenai dinding persatuan luas persatuan waktu adalah ….(h = 6,63 x10^{− 34} J.s, c = 3 x 10⁸ m.s^{− 1})

A. 1 x 10¹⁹ foton
B. 2 x 10¹⁹ foton
C. 2 x 10²⁰ foton
D. 5 x 10²⁰ foton
E. 5 x 10²¹ foton

Pembahasan:
Data :
I = 66,3 W.m⁻² → Energi yang diterima tiap sekon tiap meter persegi adalah 66,3 joule.

Energi 1 foton
E = h(^c/_λ)
E = (6,63 x 10⁻³⁴ )( ^{3 x 10⁸}/_{600 x 10⁻⁹} ) joule

Jumlah foton tiap sekon tiap satuan luas adalah:
n = 66,3 joule : [ (6,63 x 10⁻³⁴ )( ^{3 x 10⁸}/_{600 x 10⁻⁹} ) joule] = 2 x 10²⁰ foton

5. Tentukan perbandingan kuanta energi yang terkandung dalam sinar dengan panjang gelombang 6000 Å dan sinar dengan panjang gelombang 4000 Å !

Pemnahasan:

Data :
λ₁ = 6000 Å
λ₂ = 4000 Å

E = h(^c/_λ)
^E₁/_E₂ = λ₂ : λ₁ = 4000 : 6000 = 2 : 3

6. Energi foton sinar gamma adalah 10⁸ eV. Jika h = 6,6 x 10⁻³⁴ Js dan c = 3 x 10⁸ m/s, tentukan panjang gelombang sinar gamma tersebut dalam satuan angstrom!

Pemhasan:

Data:
E = 10⁸ eV = 10⁸ x (1,6 x 10⁻¹⁹) joule = 1,6 x 10⁻¹¹ joule
h = 6,6 x 10⁻³⁴ Js
c = 3 x 10⁸ m/s
λ = …?

λ = ^hc / _E
λ = ^{( 6,6 x 10⁻³⁴)(3 x 10⁸)} / _{(1,6 x 10⁻¹¹)}
λ = 12,375 x 10⁻¹⁵ meter =12,375 x 10⁻¹⁵ x 10¹⁰ Å = 12,375 x 10⁻⁵ Å

Bacaan Lainnya

Unduh / Download Aplikasi HP Pinter Pandai

Respons “Ooo begitu ya…” akan lebih sering terdengar jika Anda mengunduh aplikasi kita!

Siapa bilang mau pintar harus bayar? Aplikasi Ilmu pengetahuan dan informasi yang membuat Anda menjadi lebih smart!

Sumber bacaan: Study