Apa itu foton

Fizik klasik menganggap cahaya semata-mata sebagai gelombang selanjar. Teori kuantum menambah bahawa tenaga cahaya tidak dihantar secara licin tetapi dalam pakej kecil yang berasingan, setiap satu dipanggil foton atau kuantum cahaya.

Tenaga satu foton bergantung pada frekuensi cahaya sahaja: semakin tinggi frekuensi, semakin banyak tenaga dibawa setiap foton. Jadi foton cahaya ungu membawa lebih banyak tenaga daripada foton cahaya merah, dan foton ultraungu lebih lagi. Menjadikan cahaya lebih cerah tidak menjadikan fotonnya lebih bertenaga; ia hanya menghantar lebih banyak foton sesaat.

Idea ini menjelaskan mengapa frekuensi, bukan kecerahan, menentukan sama ada kesan fotoelektrik berlaku, dan ia mendasari peranti seperti sel suria dan penderia cahaya yang bertindak balas foton demi foton.

Dalam SPM, anda patut memerihalkan foton sebagai kuantum tenaga cahaya yang tenaganya ditetapkan oleh frekuensi, dan mengaitkan cahaya lebih cerah dengan lebih banyak foton dan bukan foton yang lebih besar.

Fizik Kuantum

Fizik di sebaliknya

Fizik klasik menggambarkan cahaya sebagai gelombang selanjar. Teori kuantum menambah bahawa tenaga cahaya tidak tersebar secara licin tetapi tiba dalam paket kecil berasingan, masing-masing dipanggil foton, atau kuantum cahaya.

Foton tiada jisim dan bergerak pada laju cahaya, namun ia membawa jumlah tenaga yang tertentu.

Tenaga itu bergantung hanya pada frekuensi cahaya: E = hf, dengan h ialah pemalar Planck, 6.63 × 10⁻³⁴ J s, dan f ialah frekuensi dalam hertz. Oleh sebab frekuensi dan panjang gelombang dihubungkan oleh c = fλ, dengan c = 3.0 × 10⁸ m s⁻¹, tenaga yang sama boleh ditulis E = hc/λ.

Frekuensi lebih tinggi, atau panjang gelombang lebih pendek, bermakna foton lebih bertenaga.

Baris kerja: bagi cahaya merah berpanjang gelombang λ = 7.0 × 10⁻⁷ m, setiap foton membawa E = hc/λ = (6.63 × 10⁻³⁴ J s × 3.0 × 10⁸ m s⁻¹) ÷ (7.0 × 10⁻⁷ m) = 2.8 × 10⁻¹⁹ J. Foton ungu, berfrekuensi lebih tinggi, membawa beberapa kali lebih banyak.

Lihat dalam kehidupan harian

Tambahkan kecerahan lampu dan warnanya tidak berubah; mentol itu hanya menghantar lebih banyak foton setiap saat, bukan foton yang lebih bertenaga. Inilah sebabnya cahaya merah malap dan cahaya merah cerah adalah warna yang sama: fotonnya membawa tenaga yang sama, cuma bilangannya kurang atau lebih.

Warna itu sendiri ialah petunjuk langsung tenaga foton. Cahaya ungu dan biru terdiri daripada foton bertenaga lebih tinggi berbanding cahaya merah, sebab itu ultraungu, sedikit di luar ungu, membawa tenaga cukup setiap foton untuk merosakkan kulit dan menyebabkan selaran matahari, sedangkan foton cahaya merah nampak yang jauh lebih lemah tidak.

Penderia cahaya dalam kamera dan panel suria bertindak balas foton demi foton, setiap paket yang diserap membebaskan cas. Malah mata manusia, dalam cahaya sangat malap, boleh mengesan ketibaan sebilangan kecil foton individu, menunjukkan cahaya benar-benar datang dalam unit yang boleh dibilang.

Bagaimana ia muncul dalam SPM

Dalam Kertas 2 Fizik SPM (4531), anda diminta menyatakan apa itu foton dan mentakrifkannya sebagai kuantum, atau paket diskret, tenaga cahaya. Kata perintah mengaitkan digunakan untuk menghubungkan tenaga foton dengan frekuensi melalui E = hf, dan anda mungkin diminta menyelesaikan tenaga foton apabila diberi frekuensi atau panjang gelombangnya.

Tugasan berstruktur lazim memberi anda frekuensi atau panjang gelombang sesuatu warna cahaya lalu meminta anda mengira tenaga satu foton, dengan mengekalkan unit dalam joule, hertz dan meter. Anda patut boleh membandingkan tenaga foton bagi warna berbeza dan menerangkan bahawa cahaya lebih cerah bermakna lebih banyak foton, bukan foton lebih besar.

Standard kandungan berjiran meliputi kuantum tenaga, kesan fotoelektrik, serta aplikasi seperti sel suria. Pemeriksa memberi markah untuk penggunaan jelas E = hf dan unit SI yang betul pada setiap baris kerja.

Sumber: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)