Oleh: Dr. Imran Mustafa,
Pensyarah Kanan, Jabatan Fizik, UM.
Mukadimah
Menurut Dewan Bahasa dan Pustaka (Kamus Dewan Edisi Keempat) , terdapat 4 definisi cahaya: (1) pancaran yang datangnya dari objek yang bersinar; (2) kilauan (emas, intan, berlian, dll), (3) seri, kejernihan dan (4) penyuluh (kepada rohani), petunjuk. Daripada 4 definisi ini, maka jelaslah bahawa wujud dua sisi dalam makna ‘cahaya’, iaitu yang fizikal (1 dan 2) dan yang rohani (3 dan 4).
Maka dalam perbahasan berkenaan ‘cahaya’, perlu pertamanya ditetapkan dari sisi manakah yang hendak dibincangkan. Dalam makalah ini, cahaya akan diperihalkan dari sisi fizikal menurut kefahaman terkini sains moden.
Hakikat Cahaya
Cahaya, menurut teori elektrodinamik kuantum, merupakan zarah boson yang membawa daya elektromagnet. Zarah boson ini terhasil akibat interaksi dua atau lebih zarah fermion yang bercas. Secara khususnya, zarah boson yang dinisbahkan kepada cahaya ini dipanggil foton. Zarah boson tersebut adalah sebahagian daripada kumpulan zarah-zarah yang digambarkan dalam Model Piawai Fizik Zarah (Standard Model of Particle Physics) dalam Rajah 1. Terdapat dua jenis foton iaitu zarah nyata dan zarah maya (real and virtual particles). Foton memamerkan sifat kedualan gelombang danzarah, iaitu mempunyai kedua-dua sifat gelombang dan zarah dalam masa yang sama.
Foton bertindak sebagai zarah maya apabila ianya merupakan zarah daya antara dua fermion bercas, seperti digambarkan dalam Rajah 2. Interaksi ini merupakan natijah kepada teori elektrodinamik kuantum, yang menghuraikan interaksi zarah bercas dengan medan elektromagnet. Foton maya ini tidak dapat dicerap secara terus dan hanya dicerap melalui kesannya terhadap zarah-zarah yang lain.
Foton nyata (real photons) pula adalah sejenis zarah boson yang boleh memindahkan tenaga dan boleh diukur secara empirikal. Tenaganya diungkapkan dengan E =h\nu, iaitu masing-masing h dan ν ialah pemalar Plank dan frekuensi foton tersebut. Oleh itu, foton nyata ialah zarah yang terlibat dalam pemindahan tenaga dalam bentuk elektromagnet dan mempunyai tenaga yang bergantung kepada frekuensi gelombang elektromagnetnya. Hubungan frekuensi gelombang elektromagnet dengan panjang gelombangnya diberikan oleh \nu=\frac{c}{\lambda}, iaitu c ialah halaju cahaya dan \lambda ialah panjang gelombang. Oleh sebab gelombang elektromagnet merangkumi satu julat spektrum yang luas, maka secara amnya perkataan ‘cahaya’ merujuk kepada gelombang elektromagnet yang merangkumi sinaran inframerah sehingga ultralembayung, dengan panjang gelombang antara \lambda=400 nm dan \lambda=10\,000 nm, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Gelombang elektromagnet dengan panjang gelombang yang lebih atau kurang daripada julat ini secara amnya tidak dianggap sebagai ‘cahaya’ dalam perbincangan sains.
Gelombang elektromagnet terdiri daripada gelombang medan elektrik dan medan magnetik yang beralun pada arah yang berserenjang antara satu sama lain, dan juga berserenjang dengan arah perambatan, seperti yang ditunjuk dalam Rajah 4. Maka, secara tuntasnya foton ialah zarah yang merambat secara gelombang melalui gelombang elektromagnet.
Penghasilan Cahaya
Penghasilan cahaya boleh dibahagikan kepada 4 proses asas:
1.Proses nuklear
Foton bertenaga tinggi boleh terhasil melalui pereputan radioaktif nukleus atom bertenaga tinggi. Hasil daripada pereputan ini ialah sinaran gamma.
2.Proses pemanasan
Apabila sesuatu objek yang legap dipanaskan, ia akan menghasilkan sinaran elektromagnet yang dikenali sebagai sinaran jasad hitam (blackbody radiation). Sinaran ini disebabkan oleh pergerakan zarah-zarah bercas dalam sesuatu bahan dan merupakan antara masalah asasi yang mencetuskan teori fizik kuantum
3.Proses kimia
Foton boleh terhasil (atau bermula) daripada tindak balas kimia. Contoh mudah adalah apabila sesuatu terbakar: bahan api + oksigen = pembakaran yang menghasilkan foton. Contoh lain adalah apabila kunang-kunang mengeluarkan cahaya melalui proses biopendarcahaya (bioluminescence) dalam tubuhnya.
4.Proses elektronik
Foton juga boleh terhasil daripada pergerakan elektron dalam sesuatu bahan. Proses ini boleh dibahagikan kepada dua pembahagian umum:
a. Elektropendarcahaya (electroluminescence)
Penghasilan foton daripada elektron melalui e.g. penggabungan lohong dan elektron dalam semikonduktor dalam LED
b. Fotopendarcahaya (photoluminescence)
Penghasilan foton daripada foton dengan tenaga yang lebih tinggi, seperti dalam Rajah 5. Fotopendarcahaya berlaku apabila satu foton diserap oleh bahan tersebut dan menyebabkan elektron-elektron bahan tersebut bergerak daripada keadaan asas (ground state) ataupun petala tenaga paling bawah naik ke petala tenaga yang lebih tinggi. Kemudian, sebahagian daripada tenaga tersebut hilang melalui getaran (fonon) menyebabkan elektron tersebut jatuh ke petala tenaga yang rendah sedikit. Akhir sekali, elektron tadi mereput ke petala tenaga paling bawah ataupun keadaan asas dan menghasilkan foton dengan tenaga dan jarak gelombang yang berbeza.
Ada juga beberapa proses-proses lain seperti pendarfosfor (phosphorescence), elektrokimiapendarcahaya (electrochemiluminescence) dan proses optik tak linear yang juga boleh menghasilkan foton. Selain optik tak linear, proses-proses lain boleh dianggap seperti campuran 4 proses asas diatas.
Interaksi Dengan Bahan
Terdapat 5 proses asas yang berlaku apabila cahaya berinteraksi dengan bahan seperti yang digambarkan dalam Rajah 6. Proses tersebut ialahpantulan, penghantaran, serakan, penyerapan dan pembiasan. Hanya pantulan dan penyerapan cahaya berlaku untuk bahan yang legap yang akan menghasilkan warna tampak objek tersebut.Penghantaran cahaya hanya boleh berlaku untuk objek lutsinar ataupun lutcahaya. Serakan juga boleh berlaku ketika proses penghant.aran Serakan ialah proses penyerakan foton cahayaoleh struktur molekul, hablur ataupun susunan molekul dalam bahan tersebut. Sekiranya cahaya tersebut hampir dengan jalur serapan optik (lihat, sebagai contoh, Rajah 5), maka akan ada sebahagian daripada cahaya tersebut yang akan diserap.
Proses pembiasan pula ialah hasil interaksi gelombang elektromagnet dengan zarah bercas dalam atom dan molekul bahan, iaitu elektron dan proton. Apabila zarah bercas dikenakan medan elektrik, ianya akan merasai daya elektromagnet yang akan menolak/menarik zarah tersebut mengikut arah medan elektrik tersebut, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7.
Oleh kerana gelombang elektromagnet merupakan gelombang medan elektrik dan magnetik, elektron dan proton dalam bahan tersebut akan bergerak pada arah yang berbeza (kerana perbezaan cas elektrik) apabila gelombang tersebut melaluinya, menghasilkan sistem dwikutub elektrik (Rajah 8 kanan), yang berayun mengikut ayunan gelombang elektromagnet tersebut. Secara klasiknya, ayunan tersebut mempunyai model seperti jisim pada spring (Rajah 8 kiri) yang diberi daya oleh gelombang elektromagnet, dimana hanya elektron sahaja yang akan bergerak kerana ianya jauh lebih ringan daripada nukleus.
Model yang sebegini membolehkan pergerakan elektron bahan tersebut diperihalkan secara matematik, dan kemudiannya berkaitan secara langsung dengan pemalar dielektrik (\epsilon) bahan tersebut. Pemalar dielektrik sesuatu bahan biasanya ditulis sebagai,
\epsilon =\epsilon_{\text{real}}+\epsilon_{\text{image}}
dimana \epsilon_{\text{real}} dan \epsilon_{\text{image}} merupakan bahagian yang nyata dan maya pemalar dielektrik tersebut. Ini berkait terus dengan indeks pembiasan sesuatu bahan, diberi oleh n^{*}=\sqrt{\epsilon} untuk bahan tidak magnetik. Terdapat dua natijah daripada perbincangan diatas:
- Indeks pembiasan merupakan hasil interaksi antara gelombang elektromagnet dengan zarah bercas bahan tersebut.
- Indeks pembiasan merupakan satu kuantiti kompleks (n^{*}=n+ik). Indeks pembiasan yang nyata (n) dan maya (k) adalah berkaitan terus dengan pemalar dielektrik. Indeks pembiasan maya juga berkait terus dengan penyerapan gelombang elektromagnet dalam bahan tersebut. Perkaitan antara indeks pembiasan nyata dan maya diberikan secara formal oleh Hubungan Kramers-Kronig.
Perlu ditegaskan disini bahawa oleh kerana wujud frekuensi resonans untuk spring yang digunakan sebagai asas model seperti dalam Rajah 8, tindak balas bahan tersebut kepada frekuensi cahaya yang berbeza. Ini dimanifestasi sebagai perbezaan dalam halaju ‘warna’ cahaya tersebut dalam sesuatu bahan, kerana indeks pembiasan benar merupakan nisbah halaju cahaya dalam sesuatu bahan kepada halaju cahaya dalam vakum (n=\dfrac{v_{c}}{c}, v_{c} adalah halaju cahaya dalam bahan). Ini adalah asal usul serakan (dispersion) cahaya dalam sesuatu bahan, dimana indeks pembiasan berubah dengan panjang gelombang/warna cahaya tersebut seperti dalam Rajah 9, dan membolehkan fenomena seperti pelangi terhasil.
Penutup
Makalah ini menjelaskan secara ringkas gambaran cahaya seperti yang difahami dalam fizik moden. Perbincangan bermula dengan gambaran asas cahaya daripada teori elektrodinamik kuantum, dimana cahaya merupakan boson tolok yang membawa daya elektromagnet. Kemudian, sifat kedualan cahaya diperihalkan dan membawa gambaran cahaya kepada gambaran gelombang elektromagnet. Seterusnya, 4 proses asas penghasilan cahaya diperihalkan. Akhir sekali interaksi cahaya dengan bahan dijelaskan.
Semoga pembaca mendapat manfaat daripada makalah ringkas ini.
Daftar Istilah
Boson tolok – gauge boson
Foton – photon
Foton nyata – real photon
Foton maya – virtual photon
