CAHAYA: SEJARAH, SIFAT, PERILAKU, PROPAGASI - FISIK - 2025

The cahaya adalah gelombang elektromagnetik dapat dideteksi dengan indra penglihatan. Ini merupakan bagian dari spektrum elektromagnetik: apa yang dikenal sebagai cahaya tampak. Selama bertahun-tahun, berbagai teori telah diajukan untuk menjelaskan sifatnya.

Misalnya, keyakinan bahwa cahaya terdiri dari aliran partikel yang dipancarkan oleh benda atau oleh mata pengamat sudah lama dipegang. Keyakinan orang Arab dan Yunani kuno ini dianut oleh Isaac Newton (1642-1727) untuk menjelaskan fenomena cahaya.

Gambar 1. Langit menjadi biru berkat hamburan sinar matahari di atmosfer. Sumber: Pixabay.

Meskipun Newton menduga bahwa cahaya memiliki kualitas gelombang dan Christian Huygens (1629-1695) berhasil menjelaskan refraksi dan refleksi dengan teori gelombang, kepercayaan cahaya sebagai partikel tersebar luas di antara semua ilmuwan hingga awal abad ke-19. .

Pada awal abad itu, fisikawan Inggris Thomas Young tanpa ragu menunjukkan bahwa sinar cahaya dapat saling mengganggu, seperti yang dilakukan gelombang mekanis pada string.

Itu hanya bisa berarti bahwa cahaya adalah gelombang dan bukan partikel, meskipun tidak ada yang tahu jenis gelombang itu sampai pada tahun 1873, James Clerk Maxwell mengklaim bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik.

Dengan dukungan hasil eksperimen Heinrich Hertz pada tahun 1887, sifat gelombang cahaya ditetapkan sebagai fakta ilmiah.

Tetapi pada awal abad ke-20, bukti baru muncul tentang sifat korpuskuler cahaya. Sifat ini hadir dalam fenomena emisi dan absorpsi, di mana energi cahaya diangkut dalam paket yang disebut "foton".

Jadi, karena cahaya merambat sebagai gelombang dan berinteraksi dengan materi seperti partikel, sifat ganda saat ini dikenali dalam cahaya: partikel gelombang.

Sifat cahaya

Jelas bahwa sifat cahaya adalah ganda, merambat sebagai gelombang elektromagnetik, yang energinya datang dalam foton.

Ini, yang tidak memiliki massa, bergerak dalam ruang hampa dengan kecepatan konstan 300.000 km / detik. Ini adalah kecepatan cahaya yang diketahui dalam ruang hampa, tetapi cahaya dapat bergerak melalui media lain, meskipun dengan kecepatan yang berbeda.

Saat foton mencapai mata kita, sensor yang mendeteksi keberadaan cahaya diaktifkan. Informasi tersebut dikirim ke otak, dan diinterpretasikan di sana.

Ketika sebuah sumber memancarkan sejumlah besar foton, kita melihatnya sebagai sumber terang. Sebaliknya, jika memancarkan sedikit, itu ditafsirkan sebagai sumber yang tidak jelas. Setiap foton memiliki energi tertentu, yang diinterpretasikan oleh otak sebagai warna. Misalnya foton biru lebih energik daripada foton merah.

Sumber apapun umumnya memancarkan foton dengan energi yang berbeda, oleh karena itu warnanya terlihat.

Jika tidak ada lagi yang memancarkan foton dengan satu jenis energi, itu disebut cahaya monokromatik. Laser adalah contoh cahaya monokromatik yang bagus. Akhirnya, distribusi foton dalam suatu sumber disebut spektrum.

Gelombang juga dicirikan dengan memiliki panjang gelombang tertentu. Seperti yang telah kami katakan, cahaya termasuk dalam spektrum elektromagnetik, yang mencakup rentang panjang gelombang yang sangat luas, dari gelombang radio hingga sinar gamma. Gambar berikut menunjukkan bagaimana seberkas cahaya putih menyebarkan prisma segitiga. Cahaya dipisahkan menjadi panjang gelombang panjang (merah) dan pendek (biru).

Di tengah adalah pita sempit panjang gelombang yang dikenal sebagai spektrum tampak, berkisar dari 400 nanometer (nm) hingga 700 nm.

Gambar 2. Spektrum elektromagnetik menunjukkan kisaran cahaya tampak. Sumber: Sumber: Wikimedia Commons. Penulis: Horst Frank.

Perilaku cahaya

Cahaya memiliki perilaku ganda, gelombang dan partikel sebagaimana yang diperiksa. Cahaya merambat dengan cara yang sama seperti gelombang elektromagnetik, dan dengan demikian, ia mampu mengangkut energi. Tetapi ketika cahaya berinteraksi dengan materi, ia berperilaku seperti berkas partikel yang disebut foton.

Gambar 4. Propagasi gelombang elektromagnetik. Sumber: Wikimedia Commons. SuperManu.

Pada tahun 1802, fisikawan Thomas Young (1773-1829) mendemonstrasikan bahwa cahaya memiliki perilaku gelombang menggunakan percobaan celah ganda.

Dengan cara ini dia mampu menghasilkan interferensi maksimum dan minimum pada sebuah layar. Perilaku ini khas gelombang dan dengan demikian Young mampu menunjukkan bahwa cahaya adalah gelombang dan juga mampu mengukur panjang gelombangnya.

Aspek lain dari cahaya adalah partikel, yang diwakili oleh paket energi yang disebut foton, yang dalam ruang hampa bergerak dengan kecepatan c = 3 x 10 ⁸ m / s dan tidak memiliki massa. Tetapi mereka memiliki energi E:

Dan juga momentum besarnya:

Di mana h adalah konstanta Planck yang nilainya 6,63 x 10 ^-34 Joule. Detik dan f adalah frekuensi gelombang. Menggabungkan ekspresi ini:

Dan karena panjang gelombang λ dan frekuensinya dihubungkan oleh c = λ.f, maka tetap:

Prinsip Huygens

Gambar 5. Gelombang depan dan sinar cahaya merambat dalam garis lurus. Sumber: Serway. R. Fisika untuk Sains dan Teknik.

Saat mempelajari perilaku cahaya, ada dua prinsip penting yang harus diperhatikan: prinsip Huygens dan prinsip Fermat. Prinsip Huygens menyatakan bahwa:

Mengapa gelombang berbentuk bola? Jika kita mengasumsikan bahwa medianya homogen, cahaya yang dipancarkan oleh sumber titik akan merambat ke semua arah secara merata. Kita bisa membayangkan cahaya merambat di tengah sebuah bola besar dengan sinarnya tersebar merata. Siapapun yang mengamati cahaya ini akan merasakan bahwa ia bergerak dalam garis lurus menuju matanya dan bergerak tegak lurus ke depan gelombang.

Jika sinar cahaya datang dari sumber yang sangat jauh, misalnya Matahari, muka gelombangnya datar dan sinarnya sejajar. Inilah yang dimaksud dengan pendekatan optik geometris.

Prinsip Fermat

Prinsip Fermat menyatakan bahwa:

Prinsip ini berutang namanya kepada ahli matematika Prancis Pierre de Fermat (1601-1665), yang pertama kali mendirikannya pada tahun 1662.

Menurut prinsip ini, dalam medium homogen cahaya merambat dengan kecepatan konstan, oleh karena itu gerak bujursangkar seragam dan lintasannya garis lurus.

Propagasi cahaya

Cahaya bergerak seperti gelombang elektromagnetik. Baik medan listrik dan medan magnet saling membangkitkan, membentuk gelombang gabungan yang berada dalam fase dan tegak lurus satu sama lain dan terhadap arah rambat.

Secara umum, gelombang yang merambat di ruang angkasa dapat digambarkan dalam istilah muka gelombang. Ini adalah kumpulan titik yang memiliki amplitudo dan fase yang sama. Mengetahui lokasi muka gelombang pada saat tertentu, lokasi selanjutnya dapat diketahui, sesuai dengan prinsip Huygens.

Difraksi

Laser terdifraksi oleh celah heksagonal. Lienzocian

Perilaku gelombang cahaya secara jelas dimanifestasikan dalam dua fenomena penting yang muncul selama perambatannya: difraksi dan interferensi. Dalam difraksi, gelombang, baik itu air, suara atau cahaya, terdistorsi ketika melewati celah, melewati rintangan, atau melewati sudut.

Jika apertur lebih besar dibandingkan dengan panjang gelombang, distorsi tidak terlalu besar, tetapi jika apertur kecil, perubahan bentuk gelombang lebih terlihat. Difraksi adalah properti eksklusif gelombang, jadi ketika cahaya menunjukkan difraksi kita tahu bahwa ia memiliki perilaku gelombang.

Interferensi dan polarisasi

Pada bagiannya, gangguan cahaya terjadi ketika gelombang elektromagnetik yang menyusunnya tumpang tindih. Saat melakukannya, mereka ditambahkan secara vektor dan ini dapat menimbulkan dua jenis interferensi:

–Konstruktif, ketika intensitas gelombang yang dihasilkan lebih besar daripada intensitas komponennya.

–Rusak jika intensitas kurang dari komponen.

Gangguan gelombang cahaya terjadi jika gelombangnya monokromatik dan mempertahankan perbedaan fasa yang sama sepanjang waktu. Ini disebut konsistensi. Cahaya seperti ini bisa berasal dari laser misalnya. Sumber umum seperti bola lampu pijar tidak menghasilkan cahaya yang koheren karena cahaya yang dipancarkan jutaan atom di filamen terus berubah fasa.

Tetapi jika naungan buram dengan dua bukaan kecil yang berdekatan ditempatkan pada bola lampu yang sama, cahaya yang keluar dari setiap slot bertindak sebagai sumber yang koheren.

Akhirnya, ketika osilasi medan elektromagnetik semua dalam arah yang sama, polarisasi terjadi. Cahaya alami tidak terpolarisasi, karena terdiri dari banyak komponen, masing-masing berosilasi ke arah yang berbeda.

Eksperimen Young

Pada awal abad ke-19, fisikawan Inggris Thomas Young adalah orang pertama yang memperoleh cahaya koheren dengan sumber cahaya biasa.

Dalam eksperimen celah ganda yang terkenal, dia melewatkan cahaya melalui celah di layar buram. Menurut prinsip Huygens, dua sumber sekunder dihasilkan, yang pada gilirannya melewati layar buram kedua dengan dua celah.

Gambar 6. Animasi percobaan celah ganda Young. Sumber: Wikimedia Commons.

Cahaya yang diperoleh menerangi dinding di ruangan gelap. Apa yang terlihat adalah pola yang terdiri dari area terang dan gelap yang bergantian. Adanya pola ini dijelaskan oleh fenomena interferensi yang dijelaskan di atas.

Eksperimen Young sangat penting karena mengungkapkan sifat gelombang cahaya. Selanjutnya percobaan telah dilakukan dengan partikel fundamental seperti elektron, neutron dan proton, dengan hasil yang serupa.

Fenomena cahaya

Refleksi

Refleksi cahaya di dalam air

Ketika seberkas cahaya mengenai suatu permukaan, sebagian cahaya dapat dipantulkan dan sebagian lagi diserap. Jika itu adalah media transparan, sebagian cahaya terus melewatinya.

Selain itu, permukaannya bisa licin, seperti cermin, atau kasar dan tidak rata. Pantulan yang terjadi pada permukaan yang halus disebut pantulan spekular, selain itu pantulan difus atau pantulan tidak teratur. Permukaan yang sangat halus, seperti cermin, dapat memantulkan hingga 95% cahaya datang.

Refleksi specular

Gambar tersebut menunjukkan seberkas cahaya yang merambat dalam medium, yang mungkin berupa udara. Itu jatuh pada sudut θ ₁ pada permukaan spekuler bidang dan dipantulkan pada sudut θ ₂ . Garis yang dilambangkan normal tegak lurus dengan permukaan.

Sudut datang sama dengan sudut refleksi. Sumber: Serway. R. Fisika untuk Sains dan Teknik.

Baik insiden dan sinar yang dipantulkan dan normal ke permukaan specular berada di bidang yang sama. Orang Yunani kuno telah mengamati bahwa sudut datang sama dengan sudut refleksi:

Ekspresi matematis ini adalah hukum pantulan cahaya. Namun, gelombang lain seperti suara misalnya, juga mampu memantulkan cahaya.

Sebagian besar permukaan kasar, dan karena itu pantulan cahaya menyebar. Dengan cara ini cahaya yang dipantulkan dikirim ke segala arah, sehingga objek dapat dilihat dari mana saja.

Karena beberapa panjang gelombang dipantulkan lebih dari yang lain, objek memiliki warna yang berbeda.

Misalnya, daun pohon memantulkan cahaya yang kira-kira berada di tengah spektrum tampak, yang sesuai dengan warna hijau. Sisa panjang gelombang yang terlihat diserap: dari ultraviolet mendekati biru (350-450 nm) dan cahaya merah (650-700 nm).

Pembiasan

Fenomena refraksi. Josell7

Pembiasan cahaya terjadi karena cahaya bergerak pada kecepatan yang berbeda tergantung pada medianya. Dalam ruang hampa, kecepatan cahaya adalah c = 3 x 10 ⁸ m / s, tetapi ketika cahaya mencapai medium material, timbul proses absorpsi dan emisi yang menyebabkan energi berkurang, dan dengan itu terjadi kecepatan.

Misalnya, saat bergerak di udara, cahaya bergerak dengan kecepatan yang hampir sama dengan c, tetapi di air, cahaya bergerak dengan kecepatan tiga perempat c, sedangkan di kaca bergerak dengan kecepatan sekitar dua pertiga c.

Indeks bias

Indeks bias dilambangkan dengan n dan didefinisikan sebagai hasil bagi antara kecepatan cahaya dalam ruang hampa c dan kecepatannya dalam media v:

Indeks bias selalu lebih besar dari 1, karena kecepatan cahaya dalam ruang hampa selalu lebih besar daripada di media material. Beberapa nilai khas n adalah:

-Air: 1.0003

-Air: 1.33

-Kaca: 1.5

-Diamond: 2.42

Hukum Snell

Ketika seberkas cahaya menghantam batas antara dua media secara miring, seperti udara dan kaca misalnya, sebagian cahaya dipantulkan dan sebagian lainnya terus masuk ke dalam kaca.

Dalam hal ini, panjang gelombang dan kecepatan mengalami variasi ketika berpindah dari satu medium ke medium lain, tetapi tidak frekuensinya. Karena v = c / n = λ.f dan juga dalam ruang hampa c = λo. f, maka kami memiliki:

Artinya, panjang gelombang dalam medium tertentu selalu lebih kecil dari panjang gelombang dalam vakum λo.

Gambar 8. Hukum Snell. Sumber: Gambar kiri: diagram pembiasan cahaya. Rex, A. Dasar-dasar Fisika. Gambar kanan: Wikimedia Commons. Josell7.

Perhatikan segitiga yang memiliki sisi miring berwarna merah. Di setiap media, ukuran hipotenusa λ ₁ / sin θ ₁ dan λ ₂ / sin θ ₂ berturut-turut, karena λ dan v proporsional, oleh karena itu:

Karena λ = λ _o / n kita memiliki:

Yang dapat dinyatakan sebagai:

Ini adalah rumus hukum Snell, untuk menghormati matematikawan Belanda Willebrord Snell (1580-1626), yang menurunkannya secara eksperimental dengan mengamati cahaya yang lewat dari udara ke air dan kaca.

Sebagai alternatif, hukum Snell dituliskan dalam istilah kecepatan cahaya di setiap medium, dengan menggunakan definisi indeks bias: n = c / v:

Penyebaran

Seperti dijelaskan di atas, cahaya terdiri dari foton dengan energi berbeda, dan setiap energi dianggap sebagai warna. Cahaya putih mengandung foton dari semua energi dan karena itu dapat dipecah menjadi cahaya berwarna berbeda. Ini adalah hamburan cahaya, yang telah dipelajari oleh Newton.

Tetesan air di atmosfer berperilaku seperti prisma kecil. Sumber: Pixabay.

Newton mengambil prisma optik, melewatkan seberkas cahaya putih melaluinya, dan memperoleh garis-garis berwarna mulai dari merah hingga ungu. Pinggiran ini adalah spektrum cahaya tampak yang terlihat pada Gambar 2.

Hamburan cahaya adalah fenomena alam, keindahan yang kita kagumi di langit saat pelangi terbentuk. Sinar matahari jatuh pada tetesan air di atmosfer, yang bertindak seperti prisma kecil mirip Newton, sehingga menyebarkan cahaya.

Warna biru yang kita lihat di langit juga merupakan konsekuensi dari penyebaran. Kaya akan nitrogen dan oksigen, atmosfer menyebarkan warna biru dan ungu, tetapi mata manusia lebih sensitif terhadap biru dan oleh karena itu kita melihat langit dengan warna ini.

Ketika Matahari lebih rendah di cakrawala, saat matahari terbit atau terbenam, langit berubah menjadi oranye berkat fakta bahwa sinar cahaya harus melewati lapisan atmosfer yang lebih tebal. Rona kemerahan pada frekuensi yang lebih rendah kurang berinteraksi dengan elemen atmosfer dan memanfaatkannya untuk mencapai permukaan secara langsung.

Atmosfer yang berlimpah debu dan polusi, seperti di beberapa kota besar, memiliki langit keabu-abuan akibat penyebaran frekuensi rendah.

Teori tentang cahaya

Cahaya dianggap terutama sebagai partikel atau gelombang. Teori sel yang dipertahankan Newton, menganggap cahaya sebagai berkas partikel. Sedangkan refleksi dan refraksi dapat dijelaskan secara memadai dengan mengasumsikan bahwa cahaya adalah gelombang, seperti pendapat Huygens.

Tapi jauh sebelum ilmuwan luar biasa ini, orang sudah berspekulasi tentang sifat cahaya. Di antara mereka, filsuf Yunani Aristoteles tidak bisa absen. Berikut rangkuman singkat teori-teori cahaya dari waktu ke waktu:

Teori Aristoteles

2.500 tahun yang lalu Aristoteles menyatakan bahwa cahaya muncul dari mata pengamat, menyinari objek, dan kembali dengan cara tertentu dengan gambar sehingga dapat diapresiasi oleh orang tersebut.

Teori sel Newton

Newton memegang keyakinan bahwa cahaya terdiri dari partikel-partikel kecil yang merambat dalam garis lurus ke segala arah. Ketika mencapai mata, mereka mencatat sensasi itu sebagai cahaya.

Teori gelombang Huygens

Huygens menerbitkan sebuah karya berjudul Treatise on light di mana ia mengusulkan bahwa ini adalah gangguan medium yang mirip dengan gelombang suara.

Teori elektromagnetik Maxwell

Meskipun eksperimen celah ganda tidak meninggalkan keraguan tentang sifat gelombang cahaya, selama sebagian besar abad kesembilan belas ada spekulasi tentang jenis gelombang itu, sampai Maxwell menyatakan dalam teori elektromagnetiknya bahwa cahaya terdiri dari gelombang. propagasi medan elektromagnetik.

Cahaya sebagai gelombang elektromagnetik menjelaskan fenomena perambatan cahaya seperti yang dijelaskan pada bagian sebelumnya dan merupakan konsep yang diterima oleh fisika arus, seperti sifat korpuskuler cahaya.

Teori sel darah Einstein

Menurut konsepsi modern tentang cahaya, ia terdiri dari partikel tak bermassa dan tak bermuatan yang disebut foton. Meski tidak bermassa, mereka memiliki momentum dan energi, seperti yang telah dijelaskan di atas. Teori ini berhasil menjelaskan cara cahaya berinteraksi dengan materi, dengan menukar energi dalam jumlah diskrit (terkuantisasi).

Keberadaan kuanta cahaya dikemukakan oleh Albert Einstein untuk menjelaskan efek fotolistrik yang ditemukan oleh Heinrich Hertz beberapa tahun sebelumnya. Efek fotolistrik terdiri dari emisi elektron oleh zat di mana beberapa jenis radiasi elektromagnetik telah dilanggar, hampir selalu dalam kisaran dari ultraviolet hingga cahaya tampak.

Referensi

1. Figueroa, D. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 7. Gelombang dan Fisika Kuantum. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Fisika. Teori Cahaya. Diperoleh dari: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Aplikasi. 6. Ed Prentice Hall.
4. Gerakan gelombang. Prinsip Fermat. Diperoleh dari: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. Dasar-dasar Fisika. Pearson.
6. Romero, O. 2009. Fisika. Santillana Hypertext.
7. Serway, R. 2019. Fisika untuk Sains dan Teknik. 10. Edisi. Volume 2. Pertengkaran.
8. Shipman, J. 2009. Pengantar Ilmu Fisika. Edisi kedua belas. Brooks / Cole, Edisi Cengage.
9. Wikipedia. Cahaya. Diperoleh dari: es.wikipedia.org.