Seri Fisika Modern (2): Dualisme Sifat Gelombang dan Partikel dari Cahaya

Salah satu keunikan yang ada dalam fisika kuantum adalah adanya dua sifat berbeda yang dimiliki cahaya. Dua sifat yang dimaksud adalah sifat gelombang dan sifat partikel. Gelombang, seperti yang kita lihat jika kita menjatuhkan sebuah batu ke dalam sebuah kolam, merupakan gangguan yang menyebar ke segala arah dalam sebuah media. Batu yang dijatuhkan ke dalam kolam menghasilkan gangguan bagi air dalam kolam yang semula tenang, gangguan ini menghasilkan kenaikan dan penurunan permukaan air di sekitar tempat batu dijatuhkan. Terlihat seperti rangkaian gunung dan lembah jika kita lihat dari samping. Gangguan ini menyebar ke segala arah dari titik tempat batu dijatuhkan.

Gambar 1. Gelombang (atas) memeiliki karakteristik yang berbeda dengan partikel (bawah). Yang satu tersebar ke segala arah dalam ruang, yang lain terlokalisasi. \lambda adalah panjang gelombang, x adalah ukuran partikel.

Di sisi lain, partikel adalah objek yang yang terlokalisasi dalam sebuah wilayah atau menempati ruang kecil, wilayah ini kita kenal dengan ukuran [1]. Ketika kita melihat sebuah kelerang, kita dapat dengan mudah menentukan di mana posisinya berada karena kelerang memiliki ukuran. Dari sini terlihat jelas bahwa gelombang dan partikel merupakan dua sifat yang berbeda; yang satu tersebar secara sinambung dalam ruang, yang lain terbatas dalam wilayah kecil. Cahaya adalah objek yang memiliki kedua sifat ini, kita akan bahas cahaya ini dalam dua fenomena yang dapat memunculkan salah satu dari kedua sifat ini, difraksi dan interferensi cahaya dan efek fotolistrik.

Difraksi dan interferensi cahaya

Salah satu karakteristik dari gelombang adalah bahwa dua gelombang dapat saling bertemu pada satu waktu dan menghasilkan gangguan yang merupakan gabungan dari dua gelombang. Gangguan gabungan ini bisa lebih besar atau lebih kecil daripada gangguan dari masing-masing gelombang yang menyusunnya. Karakteristik ini disebut superposisi [2].

Superposisi gelombang menghasilkan fenomena gelombang yang disebut difraksi dan interferensi. Kedua fenomena ini dapat teramati dalam eksperimen celah ganda Young. Dalam eksperimen ini, cahaya monokromatik (berwarna tunggal) dilewatkan penghalang dengan dua buah celah sempit (lihat Gambar 2A) . Setelah melewati celah, cahaya yang keluar dari masing-masing celah (s1 dan s2 dalam Gambar 2A) mengalami pelenturan sehingga bentuknya tak mengikuti bentuk celah namun menyebar sehingga mencakup wilayah yang lebih luas dari lebar celah yang dilewatinya.

Gambar 2. A, Illustrasi percobaan celah ganda Young. Cahaya monokromatik dilewatkan penghalang dengan dua celah sempit. Pola gelap dann terang terbentuk di layar yang diletakkan di depan celah ganda. Garis-garis sinambung menunjukkan puncak-puncak gelombang. B, Penampakan melintang dari gelombang cahaya. C, Penggambaran interferensi konstruktif. D, Penggambaran interferensi destruktif.

Cahaya yang keluar dari tiap-tiap celah mengalami superposisi sehingga dihasilkan pola gangguan baru. Pola gangguan ini berupa garis-garis gelap dan terang yang dapat teramati ketika kita menempatkan sebuah layar di depan celah. Pola gelap-gelap terang ini merupakan hasil interferensi dari dua cahaya yang keluar dari masing-masing celah.

Interferensi adalah penggabungan dua atau lebih gelombang. Dua gelombang yang puncak gunungnya bertemu pada waktu yang sama (titik-titik biru dalam Gambar 2A) akan saling menambahkan satu sama lain, menghasilkan puncak gunung yang lebih tinggi; ini disebut interferensi konstruktif (Gambar 2C). Sedangkan jika puncak gunung dari salah satu gelombang bertemu pada waktu yang sama dengan dengan lembah dari gelobang lain (titik-titik merah dalam Gambar2A), mereka akan saling meniadakan satu sama lain; ini disebut interferensi destruktif (Gambar 2D). Pola gelap dan terang pada layar adalah akibat dari interferensi konstruktif dan destruktif dari dua cahaya yang keluar dari kedua celah sempit. Fenomena ini membuktikah bahwa cahaya memiliki sifat gelombang.

Fenomena ini tidak dapat dijelaskan jika cahaya kita anggap sebagai partikel. Jika cahaya adalah partikel, ketika cahaya melewati celah ganda ia harus memilih satu di antara dua celah untuk dilewati. Sulit bagi kita memikirkan sebuah partikel membelah diri untuk kemudian melewati dua celah secara bersamaan. Fenomena yang akan kita bahas berikutnya berkebalikan dengan dengan sifat gelombang; fenomena tersebut bisa dijelaskan jika cahaya kita anggap sebagai partikel, bukan gelombang.

Efek fotolistrik

Efek fotolistrik pertama kali didemonstrasikan oleh Heinrich Hertz pada tahun 1887.  Dalam eksperimen ini, ketika sebuah lempeng logam disinari dengan cahaya, elektron dapat ditendang keluar dari permukaan logam. Elektron yang keluar dari permukaan logam disebut fotoelektron [1].

Ilustrasi eksperimen fotolistrik digambarkan dalam Gambar 3. Terlihat dua buah lempeng logam di dalam sebuah tabung vakum (hampa udara), satu disebut emitor; tempat cahaya menyinari dan elektron keluar darinya. Logam ke dua disebut kolektor; tempat elektron yang keluar dari emitor diterima dan selanjutnya mengalir dalam rangkaian listrik yang terdiri atas Ampere meter and baterai yang dapat diatur beda potensialnya.

Jika cahaya adalah gelombang, semakin terang cahaya, semakin tinggi gaya yang ia hasilkan untuk menendang elektron keluar dari permukaan logam. Ini berlaku secara umum untuk gelombang, tak peduli panjang gelobang atau frekuensi yang dimiliki cahaya.

Akan tetapi, eksperimen menunjukkan bahwa ada kalanya untuk cahaya dengan panjang gelombang atau frekuensi tertentu fotoelektron tidak dihasilkan sama sekali walaupun kecerlangan cahayanya ditingkatkan. Misalnya jika ada cahaya merah dengan kecerlangan tertentu menyinari emitor, fotoelektron tidak dihasilkan (Gambar 3A). Akan tetapi jika cahaya ungu, yang memiliki frekuensi lebih tinggi daripada cahaya merah, dengan kecerlangan yang sama menyinari emitor, fotoelektron dihasilkan (Gambar 3B).

Gambar3. Ilustrasi percobaan efek fotolistrik. Cahaya merah (A) tidak mampu menendang elektron keluar dari permukaan logam di emitor dikarenakan energinya (frekuensinya) yang lebih rendah dari fungsi kerja logam emitor, sedangkan cahaya ungu (B) yang memiliki energi (frekuensi) lebih tinggi daripada fungsi kerja logam emitor.

Permasalahan ini dapat dijelaskan  jika kita menganggap cahaya sebagai partikel dengan energi yang terkuantisasi. Kuantisasi energi telah dijelaskan di seri artikel sebelumnya. Abert Einstein berhasil menjelaskan efek fotolistrik dengan pendekatan kuantum, menggunakan konsep yang sebelumnya digagas oleh Max Planck.

Tiap logam berbeda memiliki nilai tertentu yang disebut fungsi kerja W. Nilai ini mewakili energi paling kecil yang dibutuhkan untuk melepaskan ikatan elektron pada atom-atom di permuakaan logam. Ketika energi yang dimiliki oleh cahaya, dalam hal ini ditentukan oleh frekuensi atau panjang gelombang dari cahaya E = h \nu, lebih besar dari fungsi kerja, elektron dapat ditendang keluar dari permukaan logam. Selisih energi antara energi cahaya dengan fungsi kerja adalah energi kinetik E_k yang dimiliki elektron yang meluncur dari emitor ke kolektor.

Hanya dibutuhkan satu partikel cahaya (disebut foton) untuk mengeluarkan satu elektron dari logam, asalkan energinya lebih besar dari fungsi kerja logam. Dengan kata lain bisa atau tidaknya fotoelektron keluar dari permukaan logam bergantung pada frekuensi atau panjang gelombang dari cahaya, bukan tingkat kecerlangan cahayanya.

Proses ini dapat diibaratkan seperti ketika kita pergi ke satu toko untuk membeli sebuah barang. Harga jual barang diibaratkan seperti fungsi kerja, uang yang kita punya untuk membeli barang tersebut diibaratkan seperti energi cahaya h \nu. Harga yang kita bayarkan digunakan untuk mengeluarkan barang tersebut dari toko, dan uang kembaliannya adalah energi kinetik yang dimiliki elektron [2].

Dua fenomena yang dibahas dalam artikel ini menunjukkan uniknya sifat cahaya sebagai sebuah objek kuantum. Cahaya terlihat oleh kita memiliki dua sifat yang sama sekali berbeda dan bagaimana cahaya memunculkan sifat-sifatnya tersebut bergantung bagaimana cara kita berinteraksi dengannya. Seolah-olah jika kita bertanya kepada cahaya tentang apa sifatnya, ia akan menjawab tergantung dari pertanyaan yang kita ajukan. Pertanyaan yang berbeda akan dijawab oleh cahaya dengan jawaban yang berbeda.  Fisikawan Werner Heisenber pernah berkata tentang ini, "Kita harus ingat bahwa apa yang teramati oleh kita bukanlah alam yang sebenarnya, akan tetapi alam menampakkan dirinya berdasarkan cara kita bertanya kepadanya."

Referensi

[1] D. Bohm. Quantum theory. New York: Dover Publications, Inc., 1989.

[2] K. S. Krane. Modern physics. John Wiley & Sons, 2019.

Avatar

Dwi Prananto

Menyelesaikan Sarjana Teknik Fisika di ITS (2010), Master bidang Fisika Material Terkondensasi di Tohoku University (2013) dan PhD bidang Ilmu Material di JAIST (2019). Saat ini bekerja sebagai staf peneliti di Niigata University, Jepang.

You may also like...

4 Responses

  1. Avatar Wir says:

    Apkah dualisme ini tdk membentuk suatu mekanisme yg saling berkaitan?

    • Avatar Dwi Prananto says:

      Benar, dua sifat ini: sifat partikel dan gelombang, saling berkaitan satu sama lain dan tak terpisahkan selama pengukuran tidak dilakukan. Ketika pengukuran dilakukan terhadap sebuah objek kuantum salah satu dari dua sifat tersebut akan muncul.

  2. Avatar Pranyoto says:

    Saya mau tanya tentang double slit experiment yang hasilnya bisa dua macem, partikel atau gelombang. Apakah itu bukan kesalahan percobaan ? Sistem pengukuran (detektor) yang ditambahkan mempengaruhi hasil percobaan (interferensi atau sejenisnya) ?

    • Avatar Dwi Prananto says:

      Eksperimen celah ganda tidak memunculkan dua sifat dari cahaya. Hanya sifat gelombang yang akan mucul pada percobaan celah ganda, yang terlihat dari pola gelap-terang pada layar di depan celah ganda.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

CAPTCHA Image

*