Sifat Dasar Cahaya

Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik yang kasat mata dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nm. Pada bidang fisika, cahaya adalah :

1.   Cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak.

2.   Cahaya adalah paket partikel yang disebut foton.

Kedua definisi di atas adalah sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan sehingga disebut "dualisme gelombang-partikel".

1.        Pancaran Cahaya

Atom adalah suatu satuan dasar materi, yang terdiri atas inti atom serta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya pada tingkat energy (orbit) tertentu. Inti atom terdiri atas proton yang bermuatan positif, dan neutron yang bermuatan netral. Elektron-elektron pada sebuah atom terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik.

Pada tahun 1913 fisikawan Niels Bohr mengkaji ulang model atom Rutherford dan mengajukan pendapat bahwa elektron-elektron terletak pada orbit-orbit yang terkuantisasi dapat meloncat dari satu orbit ke orbit lainnya, meskipun tidak dapat dengan bebas berputar spiral ke dalam maupun keluar dalam keadaan transisi. Suatu elektron haruslah menyerap ataupun memancarkan sejumlah energi tertentu untuk dapat melakukan transisi antara orbit-orbit yang tetap ini. Dan elektron memancarkan apa?

Ya, elektron memancarkan energi dalam bentuk radiasi gelombang elektronmagnetik (cahaya). Pancaran cahaya yang dipancarkan oleh elektron-elektron tersebut memiliki energi yang tergantung pada orbit electron tersebut. Sifat cahaya yang dipancarkan oleh sebuah atom disebut spektrum atom.

2.        Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik merupakan gelombang yang dapat merambat walau tanpa adanya medium. Gelombang electromagnet adalah rambatan perubahan medan listrik dan medan magnet. Energi elektromagnetik dapat diukur, yaitu panjangnya, frekuensinya, amplitude, dan kecepatannya. Energi ini dapat dipancarkan atau dilepaskan oleh semua masa di alam semesta dengan level berbeda, dimana semakin tinggi level energinya semakin rendah panjang gelombangnya, dan begitu pula sebaliknya.

Gelombang elektromagnetik memiliki kecepatan rambat yang sama pada ruang hampa, yaitu sekitar 3 x 10⁸ m/s. Ciri-ciri dari Gelombang Elektromagnet yaitu :

·         Vektor perubahan medan listrik tegak lurus vector perubahan medan magnet.

·         Menunjukkan gejala : pemantulan, pembiasan, difraksi, dan polarisasi.

·         Diserap oleh konduktor dan diteruskan oleh isolator.

Bagaimana dengan cahaya? Cahaya adalah gelombang elektromagnetik yang dipancarkan dalam berbagai panjang gelombang dan frekuensi yang disebut cahay polikromatik (contohnya cahaya matahari). Cahaya yang hanya terdiri dari satu panjang gelombang dan frekuansi disebut cahaya monokromatik, contohnya laser.

Hubungan panjang gelombang dan frekuensi sebuah gelombang elektromagnetik dapat dinyatakan dengan :

v = F

Dengan : v = laju cahaya (m/s)

                  = panjang gelombang (m)

                F = frekuensi (Hz)

 

3.        Foton

Foton adalah partikel elementer dalam fenomena elektromagnetik, atau merupakan paket-paket energi cahaya atau energi yang dibangkitkan oleh gerakan muatan-muatan listrik (radiasi gelombang elektromagnet 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.

Sebagai partikel, foton diasumsikan sebagai sebuah partikel dasar yang tidak dapat dibagi menjadi sesuatu yang lebih kecil, hanya dapat berinteraksi dengan materi dengan memindahkan energi sejumlah :

  Dengan  h = konstanta Planck, c = laju cahaya,  = panjang gelombang.

Selain itu, foton merupakan partikel-partikel yang tidak bermuatan dan tidak bermassa, tapi memiliki energy, momentum, dan polarisasi. Foton bergerak pada kecepatan cahaya, yaitu sekitar 300.000 km/s atau 3 x 10⁸ m/s.

Benda- benda bermassa tidak dapat bergerak melebihi kecepatan cahaya, sehingga tidak ada benda yang dapat melebihi kcepatan cahaya. Energi Foton dapat dinyatakan dengan :

E = h f

Dengan : E = energy foton (J).

                h = konstanta Planck (6,63 x 10^-34 Js)

                f = frekuensi (Hz)

Satuan energy foton juga sering dinyatakan dalam electron volt (eV), dengan :

1 Ev = 1,6  10^-19 J

4.        Interaksi Cahaya dengan Bahan

Interaksi cahaya dengan bahan dapat terjadi jika cahaya mengenai suatu bahan dan menyebabkan elektron-elektronnya bergetar dengan kekuatan yang tergantung pada frekuensi cahaya dan struktur atom bahan. Cahaya yang mengenai bahan akan mengalami proses berupa dipantulkan, diteruskan, atau diserap oleh bahan. Berdasarkan kemampuan proses itu, bahan terbagi atas :

·         Bahan tembus cahaya yaitu bahan yang dapat meneruskan cahaya yang menubruknya, contohnya udara, lensa, air, kaca, dan sebagian plastik bening.

·         Bahan tak tembus cahaya yaitu bahan yang dapat memantulkan cahaya dan menyerapnya tanpa meneruskannya. Sebagian besar bahan alam termasuk di dalamnya, seperti plastik hitam.

·         Bahan buram yaitu bahan yang meneruskan sebagian cahay yang mengenainya dan memantulkan atau menyerap sebagian yang lain. Contohnya air keruh.

5.        Interferensi, Difraksi, dan Polarisasi

a)   Interferensi

               Interferensi adalah interaksi antar gelombang di dalam suatu daerah atau peristiwa saat 2 gelombang bertemu pada saat bergerak dalam medium yang sama. Interferensi gelombang dapat bersifat membangun ataupun merusak, sehingga terbagi atas :

·          

·         Interferensi Konstruktif yaitu interferensi yang terjadi ketika 2 gelombang yang berinterferensi berpindah dengan arah yang sama dan puncak yang bertemu menghasilkan sebuah puncak gelombang yang lebih besar. Dengan kata lain, bersifat membangun jika beda fase kedua gelombang sama sehingga gelombang baru yang terbentuk adalah penjumlahan dari kedua gelombang tersebut.

·         Interferensi Destruktif yaitu interferensi yang terjadi ketika dua buah gelombang berpindah dengan arah yang berlawanan, dan puncak yang bertemu saling meniadakan atau melemahkan. Dengan kata lain, bersifat merusak jika beda fasenya adalah 180 derajat, sehingga kedua gelombang saling menghilangkan.

b)  Difraksi

Difraksi ialah penyebaran atau pembelokan gelombang, contohnya cahaya, karena adanya halangan. Semakin kecil halangan, penyebaran gelombang semakin besar. Hal ini bisa diterangkan oleh prinsip Huygens.

c)    Polarisasi

Polarisasi cahaya atau polarisasi optik adalah salah satu sifat cahaya yang bergerak secara oscillasi dan menuju arah tertentu. Karena cahaya termasuk gelombang elektromagnetik, maka cahaya ini mempunyai medan listrik, E dan juga medan magnet, H yang keduanya saling beroscilasi dan saling tegak lurus satu sama lain, serta tegak lurus terhadap arah rambatan.

Suatu cahaya dikatakan terpolarisasi apabila cahaya itu bergerak merambat ke arah tertentu. Arah polarisasi gelombang ini dicirikan oleh arah vektor bidang medan listrik gelombang tersebut serta arah vektor bidang medan magnetnya.

Beberapa macam / jenis polarisasi: polarisasi linear, polarisasi melingkar, polarisasi elips. Gelombang dengan polarisasi melingkar dan polarisasi elips dapat diuraikan menjadi dua gelombang dengan polarisasi tegak lurus. Polarisasi linear terjadi ketika cahaya merambat hanya dengan satu arah yang tegak lurus terhadap arah rambatan atau bidang medan listriknya.

6.        Perkembangan Teori-teori Cahaya

Teori-teori yang terkait adalah :

1)      Teori Impuls Cahaya oleh Rene Descartes (1596-1650)

Menyatakan bahwa cahaya adalah impuls yang merambat dengan cepat dari suatu tempat ke tempat lainnya.

2)      Teori Emisi oleh Sir Isac Newton (1642-1722)

Menurutnya benda bersinar mengeluarkan partikel-partikel secara tetap ke segala arah dengan lurus. Ia menyatakan bahwa sumber-sumber cahaya memancarkan elemen-elemen sangat halus yang mengenai mata kita sehingga memberikan kesan cahaya. Teori ini juga menyatakan bahwa laju cahaya semakin cepat saat memasuki media yang lebih rapat.

3)      Teori Gelombang oleh Christian Huygens (1629-1695)

Menyatakan bahwa setiap titik pada muka gelombang dapat dipandang sebagai sebuah sumber titik yang menghasilkan gelombang sekunder yang memancar dari pusatnya denganfrekuensi, kecepatan, dan panjang gelombang yang sam seperti gelombang sumbernya.

4)      Percobaan Thomas Young (1773-1829) dan Agustin Fresnel (1788-1827)

Mereka mengadakan percobaan dua gelombang dan dari percobaan itu, mereka menyimpulkan bahwa cahaya dapat melentur dan berinterferensi, dan peristiwa ini tidak dapat diterangkan oleh teori emisi Newton.

5)      Teori Gelombang Elektromagnetik oleh James Clerk Maxwell (1831-1879)

Menurut teori maxwell tentang gelombang elektromagnetik bahwa cahaya adalah suatu bentuk radiasi gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik dihasilkan oleh muatan yang dipercepat terdiri dari medan magnet B dan medan listrik E yang bergetar saling tegak lurus serta keduanya tegak lurus arah perambatan gelombang. Sehingga gelombang elektromagnetik temasuk gelombang transversal dan cahaya termasuk ke dalam gelombang elketromagnetik. Ia juga menemukan bahwa :

Keterangan :

• C  = cepat rambat gelombang elektromagnetik, 2,99792 x 10⁸ m/s  3 x 10⁸ m/s
• μ_o = permeabilitas ruang hampa = 4π x 10^-7Wb/Am
• E_o = permitivitas ruang hampa = 8,85418 x 10^-12C²/N m²

6)      Teori Kuantum oleh Max Planck (1858-1947)

Max Planck mengajukan gagasan bahwa radiasi elektromagnet bersifat diskret (suatu benda hanya dapat memancarkan atau menyerap radiasi elektromagnet dalam ukuran atau partikel-partikel kecil dengan nilai tertentu). Partikel energi itu dinamakan kuantum. Kemudian Einstein membuktikan teori tersebut dengan menyatakan bahwa radiasi elektromagnet mempunyai sifat partikel dan berhasil menjelaskan peristiwa efek foto listrik. Partikel ini dinamakan foton.