Cahaya (Fisika): Apa Itu & Bagaimana Cara Kerjanya?

Memahami dualitas partikel-gelombang radiasi elektromagnetik (cahaya) adalah dasar untuk memahami teori kuantum dan fenomena lain serta sifat cahaya. Salah satu perkembangan ilmiah terbesar di abad sebelumnya adalah penemuan bahwa benda yang sangat kecil tidak mematuhi aturan yang sama dengan benda sehari-hari.

Dalam istilah sederhana, gelombang elektromagnetik hanya dikenal sebagai cahaya, meskipun istilah cahaya kadang-kadang digunakan untuk menentukan cahaya tampak (yang dapat dideteksi oleh mata), dan waktu lain digunakan secara lebih umum untuk merujuk pada semua bentuk elektromagnetik radiasi.

Untuk memahami sepenuhnya gelombang elektromagnetik, penting untuk memahami pengertian medan dan hubungan antara listrik dan magnet. Hal ini akan dijelaskan lebih detail pada bagian selanjutnya, namun pada intinya gelombang elektromagnetik (gelombang cahaya) terdiri dari gelombang medan listrik yang berosilasi dalam bidang yang tegak lurus (pada sudut kanan) terhadap medan magnet gelombang.

Jika radiasi elektromagnetik bertindak sebagai gelombang, maka setiap gelombang elektromagnetik tertentu akan memiliki frekuensi dan panjang gelombang yang terkait dengannya. Frekuensi adalah jumlah osilasi per detik, diukur dalam hertz (Hz) di mana 1 Hz = 1/s. Panjang gelombang adalah jarak antara puncak gelombang. Produk dari frekuensi dan panjang gelombang memberikan kecepatan gelombang, yang untuk cahaya dalam ruang hampa kira-kira 3 × 10⁸ MS.

Tidak seperti kebanyakan gelombang (seperti gelombang suara, misalnya), gelombang elektromagnetik tidak memerlukan media untuk merambat, dan karenanya dapat melintasi ruang hampa udara, yang mereka lakukan dengan kecepatan cahaya – kecepatan tercepat di dunia. alam semesta!

Bidang dapat dianggap sebagai susunan vektor yang tidak terlihat, satu di setiap titik dalam ruang yang menunjukkan besaran relatif dan arah gaya yang akan dirasakan benda jika ditempatkan pada titik itu. Misalnya, medan gravitasi di dekat permukaan bumi akan terdiri dari sebuah vektor di setiap titik di ruang angkasa yang menunjuk langsung ke pusat bumi. Pada ketinggian yang sama, semua vektor ini akan memiliki besar yang sama.

Jika suatu massa ditempatkan pada suatu titik tertentu, maka gaya gravitasi yang dirasakannya akan bergantung pada massanya dan nilai medan di sana. Medan listrik dan medan magnet bekerja dengan cara yang sama, kecuali mereka menerapkan gaya yang bergantung pada muatan dan momen magnet masing-masing objek, bukan massanya.

Medan listrik dihasilkan langsung dari keberadaan muatan, seperti halnya medan gravitasi dihasilkan langsung dari massa. Sumber magnetisme, bagaimanapun, adalah dari muatan yang bergerak (atau setara, mengubah medan listrik).

Pada tahun 1860-an, fisikawan James Clerk Maxwell mengembangkan satu set empat persamaan yang sepenuhnya menggambarkan hubungan antara listrik dan magnet. Persamaan ini pada dasarnya menunjukkan bagaimana medan listrik dihasilkan oleh muatan, bagaimana tidak ada monopol magnetik fundamental, bagaimana mengubah medan magnet dapat menghasilkan medan listrik, dan bagaimana arus atau perubahan medan listrik dapat menghasilkan magnet bidang.

Tak lama setelah derivasi persamaan ini, solusi ditemukan menggambarkan gelombang elektromagnetik yang merambat sendiri. Gelombang ini diprediksi akan bergerak dengan kecepatan cahaya, dan ternyata benar-benar ringan!

Gelombang elektromagnetik dapat datang dalam banyak panjang gelombang dan frekuensi yang berbeda, asalkan produk dari panjang gelombang dan frekuensi gelombang tertentu sama denganc, kecepatan cahaya. Bentuk-bentuk radiasi elektromagnetik meliputi (dari panjang gelombang yang lebih panjang/energi rendah ke panjang gelombang yang lebih pendek/energi tinggi):

• Gelombang radio (0,187 m - 600 m)
• Gelombang mikro (1 mm - 187 mm)
• Gelombang inframerah (750 nm - 1 mm)
• Cahaya tampak (400 nm - 750 nm; panjang gelombang ini dapat dideteksi oleh mata manusia dan sering dibagi lagi menjadi spektrum yang terlihat)
• Sinar ultraviolet (10 nm - 400 nm)
• Sinar-X (10^-12 m - 10nm)
• Sinar gamma (<10^-12 m)

Foton adalah nama untuk partikel cahaya terkuantisasi atau radiasi elektromagnetik. Albert Einstein memperkenalkan gagasan kuanta cahaya (foton) dalam makalah awal abad ke-20.

Foton tidak bermassa, dan mereka tidak mematuhi hukum kekekalan bilangan (artinya mereka dapat diciptakan dan dimusnahkan). Namun, mereka mematuhi konservasi energi.

Faktanya, foton dianggap berada dalam kelas partikel yang merupakan pembawa gaya. Foton adalah mediator gaya elektromagnetik dan bertindak sebagai paket energi yang dapat ditransfer dari satu tempat ke tempat lain.

Anda mungkin berpikir bahwa agak aneh tiba-tiba berbicara tentang gelombang elektromagnetik sebagai partikel, karena gelombang dan partikel tampak seperti dua konstruksi yang berbeda secara fundamental. Memang, hal semacam inilah yang membuat fisika yang sangat kecil menjadi begitu aneh. Dalam beberapa bagian berikutnya, pengertian kuantisasi dan dualitas gelombang partikel dibahas secara lebih rinci.

Gelombang elektromagnetik dihasilkan dari osilasi dalam medan listrik dan magnet. Jika muatan bergerak bolak-balik di sepanjang kawat, itu menciptakan medan listrik yang berubah, yang pada gilirannya menciptakan medan magnet yang berubah, yang kemudian merambat sendiri.

Atom dan molekul, yang mengandung muatan bergerak dalam bentuk awan elektron, dapat berinteraksi dengan radiasi elektromagnetik dengan cara yang menarik. Dalam sebuah atom, elektron hanya diperbolehkan ada dalam keadaan energi terkuantisasi yang sangat spesifik.

Jika sebuah elektron ingin berada dalam keadaan energi yang lebih rendah, ia dapat melakukannya dengan memancarkan paket radiasi elektromagnetik diskrit untuk membawa energi. Sebaliknya, untuk melompat ke keadaan energi lain, elektron yang sama juga harus menyerap paket energi diskrit yang sangat spesifik.

Energi yang terkait dengan gelombang elektromagnetik tergantung pada frekuensi gelombang. Dengan demikian, atom hanya dapat menyerap dan memancarkan frekuensi yang sangat spesifik dari radiasi elektromagnetik yang konsisten dengan tingkat energi terkuantisasi yang terkait. Paket energi ini disebutfoton​.

​kuantisasimengacu pada sesuatu yang dibatasi untuk nilai-nilai diskrit ayat spektrum kontinu. Ketika atom menyerap atau memancarkan satu foton, mereka melakukannya hanya pada nilai energi terkuantisasi yang sangat spesifik yang dijelaskan oleh mekanika kuantum. "Foton tunggal" ini benar-benar dapat dianggap sebagai "paket" gelombang diskrit.

Sejumlah energi hanya dapat dipancarkan dalam kelipatan satuan dasar (konstanta Planckh). Persamaan yang menghubungkan energiEfoton dengan frekuensinya adalah:

Dimanaν(huruf Yunani nu) adalah frekuensi foton dan konstanta Planckh​ = 6.62607015 × 10^-34 Js.

Anda akan mendengar orang menggunakan kata-katafotondanradiasi elektromagnetikbergantian, meskipun sepertinya mereka adalah hal yang berbeda. Ketika berbicara tentang foton, orang biasanya berbicara tentang sifat partikel dari fenomena ini, sedangkan ketika mereka berbicara tentang gelombang elektromagnetik atau radiasi, mereka berbicara tentang gelombang properti.

Foton atau radiasi elektromagnetik menunjukkan apa yang disebut dualitas gelombang partikel. Dalam situasi tertentu dan dalam eksperimen tertentu, foton menunjukkan perilaku seperti partikel. Salah satu contohnya adalah dalam efek fotolistrik, di mana berkas cahaya yang mengenai permukaan menyebabkan pelepasan elektron. Spesifik dari efek ini hanya dapat dipahami jika cahaya diperlakukan sebagai paket diskrit yang harus diserap elektron agar dapat dipancarkan.

Dalam situasi dan eksperimen lain, mereka bertindak lebih seperti gelombang. Contoh utama dari hal ini adalah pola interferensi yang diamati dalam eksperimen celah tunggal atau ganda. Dalam eksperimen ini, cahaya merambat melalui celah sempit yang berjarak dekat, yang bertindak seperti beberapa fase sumber cahaya, dan sebagai hasilnya, menghasilkan pola interferensi yang konsisten dengan apa yang akan Anda lihat di a gelombang.

Lebih aneh lagi, foton bukan satu-satunya yang menunjukkan dualitas ini. Memang, semua partikel fundamental, bahkan elektron dan proton, tampaknya berperilaku seperti ini. Semakin besar partikel, semakin pendek panjang gelombangnya, dan semakin sedikit dualitas ini akan muncul. Inilah sebabnya mengapa Anda tidak memperhatikan hal seperti ini dalam kehidupan sehari-hari.