Cahaya
Gelombang elektromagnetik dapat
digambarkan sebagai dua buah gelombang yang merambat secara transversal pada
dua buah bidang tegak lurus yaitu medan magnetik dan medan listrik. Merambatnya
gelombang magnet akan mendorong gelombang listrik, dan sebaliknya, saat
merambat, gelombang listrik akan mendorong gelombang magnet. Diagram di atas
menunjukkan gelombang cahaya yang merambat dari kiri ke kanan dengan medan
listrik pada bidang vertikal dan medan magnet pada bidang horizontal.
Cahaya adalah energi berbentuk
gelombang elekromagnetik yang kasat mata dengan panjang gelombang sekitar
380–750 nm. Pada bidang fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan
panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak.
Cahaya adalah paket partikel yang disebut foton.
Kedua definisi di atas adalah
sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan sehingga disebut "dualisme
gelombang-partikel". Paket cahaya yang disebut spektrum kemudian
dipersepsikan secara visual oleh indera penglihatan sebagai warna. Bidang studi
cahaya dikenal dengan sebutan optika, merupakan area riset yang penting pada
fisika modern.
Studi mengenai cahaya dimulai
dengan munculnya era optika klasik yang mempelajari besaran optik seperti:
intensitas, frekuensi atau panjang gelombang, polarisasi dan fase cahaya.
Sifat-sifat cahaya dan interaksinya terhadap sekitar dilakukan dengan
pendekatan paraksial geometris seperti refleksi dan refraksi, dan pendekatan
sifat optik fisisnya yaitu: interferensi, difraksi, dispersi, polarisasi.
Masing-masing studi optika klasik ini disebut dengan optika geometris
(en:geometrical optics) dan optika fisis (en:physical optics).
Pada puncak optika klasik,
cahaya didefinisikan sebagai gelombang elektromagnetik dan memicu serangkaian
penemuan dan pemikiran, sejak tahun 1838 oleh Michael Faraday dengan penemuan
sinar katode, tahun 1859 dengan teori radiasi massa hitam oleh Gustav
Kirchhoff, tahun 1877 Ludwig Boltzmann mengatakan bahwa status energi sistem
fisik dapat menjadi diskrit, teori kuantum sebagai model dari teori radiasi
massa hitam oleh Max Planck pada tahun 1899 dengan hipotesa bahwa energi yang
teradiasi dan terserap dapat terbagi menjadi jumlahan diskrit yang disebut
elemen energi, E. Pada tahun 1905, Albert Einstein membuat percobaan efek
fotoelektrik, cahaya yang menyinari atom mengeksitasi elektron untuk melejit
keluar dari orbitnya. Pada pada tahun 1924 percobaan oleh Louis de Broglie
menunjukkan elektron mempunyai sifat dualitas partikel-gelombang, hingga
tercetus teori dualitas partikel-gelombang. Albert Einstein kemudian pada tahun
1926 membuat postulat berdasarkan efek fotolistrik, bahwa cahaya tersusun dari
kuanta yang disebut foton yang mempunyai sifat dualitas yang sama. Karya Albert
Einstein dan Max Planck mendapatkan penghargaan Nobel masing-masing pada tahun
1921 dan 1918 dan menjadi dasar teori kuantum mekanik yang dikembangkan oleh
banyak ilmuwan, termasuk Werner Heisenberg, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Max
Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, David Hilbert, Roy J.
Glauber dan lain-lain.
Era ini kemudian disebut era
optika modern dan cahaya didefinisikan sebagai dualisme gelombang transversal
elektromagnetik dan aliran partikel yang disebut foton. Pengembangan lebih
lanjut terjadi pada tahun 1953 dengan ditemukannya sinar maser, dan sinar laser
pada tahun 1960. Era optika modern tidak serta merta mengakhiri era optika klasik, tetapi
memperkenalkan sifat-sifat cahaya yang lain yaitu difusi dan hamburan.
Salah
satu cara untuk melihatnya adalah karena perubahan medan listrik dan magnetik
yang merambat melalui ruang, membentuk gelombang elektromagnetik. Gelombang ini
memiliki amplitudo cahaya dan panjang gelombang (yang merupakan warna cahaya)
dan sudut di mana ia bergetar, yang disebut polarisasi. Ini adalah penafsiran
klasik, yang berujung menjadi Persamaan Maxwell. Dalam teori kuantum modern,
radiasi elektromagnetik terdiri dari partikel yang disebut foton, yakni paket
("kuanta") energi yang bergerak pada kecepatan cahaya. Dalam
pandangan partikel cahaya, berkas cahaya adalah jumlah foton, warna cahaya
adalah energi yang terkandung dalam setiap foton.
Berdasarkan perhitungan yang telah
dilakukan oleh Maxwell, kecepatan gelombang elektromagnetik di ruang hampa
adalah sebesar 3 × 108 m/s, yang nilainya sama dengan laju cahaya terukur. Hal
ini membuktikan bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Pernyataan
Maxwell diperkuat oleh Heinrich Hertz (1857 -1894).
Dalam eksperimennya, Hertz
menggunakan perangkat celah bunga api di mana muatan digerakkan bolak-balik
dalam waktu singkat, membangkitkan gelombang berfrekuensi sekitar 109 Hz. Ia
mendeteksi gelombang tersebut dari jarak tertentu dengan menggunakan loop kawat
yang bisa membangkitkan ggl jika terjadi perubahan medan
magnet. Gelombang ini dibuktikan merambat dengan laju 3 × 108 m/s, dan
menunjukkan seluruh karakteristik cahaya (pemantulan, pembiasan, dan
interferensi).
Panjang gelombang cahaya tampak mempunyai rentang antara 4,0
× 10-7 m hingga 7,5 × 10-7 m (atau 400 nm hingga 750 nm). Frekuensi cahaya
tampak dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut ini.
c = f.λ atau f = c
/λ
dengan:
f = frekuensi gelombang (Hz)
λ = panjang gelombang (m)
c = laju cahaya ( ≈ 3 × 108 m/s)
Berdasarkan persamaan diatas dapat menentukan frekuensi
cahaya tampak bernilai antara 4,0 × 1014 Hz hingga 7,5 × 1014 Hz.
Cahaya tampak hanyalah salah satu
jenis gelombang elektromagnetik yang terdeteksi dalam interval yang lebar, dan
dikelompokkan dalam spektrum
elektromagnetik, yaitu daerah jangkauan panjang gelombang yang merupakan
bentangan radiasi elektromagnetik. Gelombang radio dan gelombang mikro dapat
dibuat di laboratorium menggunakan peralatan elektronik.
Gelombang elektromagnetik dengan frekuensi yang lebih tinggi
sangat sulit dibuat secara elektronik. Gelombang elektromagnetik dapat
terbentuk secara alamiah, seperti pancaran dari atom, molekul, dan inti atom.
Misalnya, sinar-X dihasilkan oleh elektron berkecepatan tinggi yang diperlambat
secara mendadak ketika menumbuk logam. Cahaya tampak yang dihasilkan melalui
suatu pijaran juga disebabkan karena elektron yang mengalami percepatan di
dalam filamen panas.
Radiasi inframerah memegang peranan
penting pada efek pemanasan Matahari. Matahari tidak hanya memancarkan cahaya
tampak, tetapi juga inframerah (IR) dan ultraviolet (UV) dalam jumlah yang
tetap. Manusia menerima gelombang elektromagnetik dengan cara yang berbeda-beda
tergantung pada panjang gelombangnya. Mata hanya bisa mendeteksi panjang
gelombang antara 4 × 10-7 m sampai 7 × 10-7 m (cahaya
tampak), sedangkan kulit mendeteksi panjang gelombang yang lebih besar. Banyak
gelombang elektromagnetik yang tidak dapat kita deteksi secara langsung.
Gelombang radio terdiri atas osilasi
(getaran) cepat pada medan elektrik dan magnetik. Berdasarkan lebar
frekuensinya, gelombang radio dibedakan menjadi Low Frequency (LF),
Medium Frequency (MF), High Frequency (HF), Very High
Frequency (VHF), Ultra High Frequency (UHF), dan Super High
Frequency (SHF).
Gelombang radio MF dan
HF dapat mencapai tempat yang jauh di permukaan bumi karena gelombang ini dapat
dipantulkan oleh lapisan ionosfer. Gelombang LF diserap oleh ionosfer, sedang
gelombang VHF dan UHF menembus ionosfer, sehingga dapat digunakan untuk
komunikasi dengan satelit.
Gelombang mikro merupakan
gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang dalam selang antara 10-3
dan 0,03 m. Gelombang mikro dihasilkan oleh peralatan elektronik khusus,
misalnya dalam tabung Klystron. Gelombang ini dimanfaatkan dalam alat microwave,
sistem komunikasi radar, dan analisis struktur molekul dan atomik.
Radiasi inframerah
merupakan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang lebih panjang daripada panjang gelombang cahaya
merah, namun lebih pendek daripada panjang gelombang radio. Dengan kata lain
radiasi pada selang panjang gelombang 0,7 μm hingga 1 mm. Sinar inframerah dapat dimanfaatkan dalam
fotografi inframerah untuk keperluan pemetaan sumber alam dan diagnosis penyakit.
Cahaya tampak merupakan
radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat dideteksi oleh mata manusia.
Cahaya tampak memiliki kisaran panjang gelombang antara 4×10-7 m
hingga 7×10-7 m.
Gelombang ultraviolet
mempunyai panjang gelombang yang pendek. Matahari merupakan pemancar radiasi ultraviolet
yang kuat, dan membawa lebih banyak energy daripada gelombang cahaya yang lain.
Karena inilah gelombang ultraviolet itu dapat masuk dan membakar kulit. Kulit manusia sensitif
terhadap sinar ultraviolet matahari. Meskipun begitu, atmosfer bumi dapat
menghambat sebagian sinar ultraviolet yang merugikan itu. Terbakar sinar
matahari juga merupakan risiko yang dapat menimbulkan kanker kulit.
Sinar-X merupakan
radiasi elekromagnetik yang dihasilkan dari penembakan atom-atom dengan
partikelpartikel yang memiliki energi kuantum tinggi. Panjang gelombang sinar-X
berkisar antara 10-11 m hingga 10-9 m. Sinar-X dihasilkan oleh
elektron-elektron yang berada di
bagian dalam kulit elektron atom, atau pancaran
yang terjadi karena elektron dengan kelajuan besar menumbuk logam. Sinar-X
dapat melintas melalui banyak materi sehingga digunakan dalam bidang medis dan industry
untuk menelaah struktur bagian dalam. Sinar-X dapat dideteksi oleh film
fotografik, karena itu digunakan untuk menghasilkan gambar benda yang biasanya
tidak dapat dilihat, misalnya patah tulang.
Sinar atau gelombang
gamma, yang merupakan bentuk radioaktif yang dikeluarkan oleh inti-inti atom tertentu,
mempunyai panjang gelombang yang sangat pendek. Sinar ini membawa energi dalam
jumlah besar dan dapat menembus logam dan beton. Sinar ini sangat berbahaya dan
dapat membunuh sel hidup, terutama sinar gamma tingkat tinggi yang dilepaskan
oleh reaksi nuklir, seperti ledakan bom nuklir.
Sifat-sifat cahaya
Didalam
ruang hampa, sinar merambat dengan kecepatan c = 3 x 108 m/s.
Dalam medium lain, sinar merambat dengan kecepatan yang lebih rendah. Sinar
merambat menurut lintasan garis lurus, kecuali jika dibelokkan oleh karena
memasuki medium yang berbeda.
Dispersi
Dispersi adalah peristiwa penguraian
cahaya putih (polikromatik) menjadi komponen-komponennya karena pembiasan.
Komponen-komponen warna yang terbentuk yaitu merah, jingga, kuning, hijau,
biru, nila, dan ungu. Dispersi terjadi akibat adanya perbedaan deviasi untuk
setiap panjang gelombang, yang disebabkan oleh perbedaan
kelajuan masing-masing gelombang
pada saat melewati medium pembias.
Gambar . 1. Dispersi cahaya
Difraksi
Difraksi cahaya adalah peristiwa
penyebaran atau pembelokan gelombang oleh celah sempit sebagai penghalang.
Gelombang terdifraksi selanjutnya berinterferensi satu sama lain sehingga
menghasilkan daerah penguatan dan pelemahan.
Polarisasi
Polarisasi adalah proses pembatasan
gelombang vector yang membentuk suatu gelombang transversal sehingga menjadi
satu arah. Tidak seperti interferensi dan difraksi yang dapat terjadi pada
gelombang transversal dan longitudinal, efek polarisasi hanya dialami oleh
gelombang transversal. Cahaya dapat mengalami polarisasi menunjukkan bahwa
cahaya termasuk gelombang transversal. Pada cahaya tidak terpolarisasi, medan
listrik bergetar ke segala arah, tegak lurus arah rambat gelombang. Setelah
mengalami pemantulan atau diteruskan melalui bahan tertentu, medan listrik
terbatasi pada satu arah. Polarisasi dapat terjadi karena pemantulan pada
cermin datar, absorpsi selektif dari bahan polaroid, dan bias kembar oleh
kristal.
No comments:
Post a Comment