CAHAYA: SEJARAH, ALAM, TINGKAH LAKU, PENYEBARAN - FIZIKAL - 2026

Yang cahaya adalah gelombang elektromagnet boleh dikesan oleh deria penglihatan. Ini merupakan bahagian spektrum elektromagnetik: apa yang dikenali sebagai cahaya yang dapat dilihat. Selama bertahun-tahun, pelbagai teori telah dikemukakan untuk menjelaskan sifatnya.

Sebagai contoh, kepercayaan bahawa cahaya terdiri daripada aliran zarah-zarah yang dipancarkan oleh objek atau oleh mata pemerhati telah lama berlaku. Kepercayaan orang Arab dan Yunani kuno ini dikongsi oleh Isaac Newton (1642-1727) untuk menjelaskan fenomena cahaya.

Gambar 1. Langit berwarna biru berkat penyebaran cahaya matahari di atmosfera. Sumber: Pixabay.

Walaupun Newton mengesyaki cahaya mempunyai kualiti gelombang dan Christian Huygens (1629-1695) berjaya menjelaskan pembiasan dan pantulan dengan teori gelombang, kepercayaan cahaya sebagai zarah tersebar luas di kalangan semua saintis hingga awal abad ke-19. .

Pada awal abad itu, ahli fizik Inggeris Thomas Young menunjukkan tanpa keraguan bahawa sinar cahaya dapat mengganggu satu sama lain, sama seperti gelombang mekanikal dalam rentetan.

Itu hanya dapat berarti bahawa cahaya adalah gelombang dan bukan zarah, walaupun tidak ada yang tahu jenis gelombang sampai tahun 1873, James Clerk Maxwell mendakwa bahawa cahaya adalah gelombang elektromagnetik.

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

Tetapi pada awal abad ke-20, bukti baru muncul mengenai sifat cahaya korpuskular. Sifat ini terdapat dalam fenomena pelepasan dan penyerapan, di mana tenaga cahaya diangkut dalam bungkusan yang disebut "foton".

Oleh itu, kerana cahaya menyebar sebagai gelombang dan berinteraksi dengan bahan seperti zarah, sifat ganda kini dikenali dalam cahaya: zarah gelombang.

Alam cahaya

Jelas bahawa sifat cahaya adalah ganda, menyebarkan sebagai gelombang elektromagnetik, yang tenaganya datang dalam foton.

Ini, yang tidak mempunyai jisim, bergerak dalam vakum dengan kelajuan tetap 300,000 km / s. Ini adalah kelajuan cahaya yang diketahui dalam ruang hampa, tetapi cahaya dapat bergerak melalui media lain, walaupun pada kelajuan yang berbeza.

Apabila foton sampai ke mata kita, sensor yang mengesan kehadiran cahaya diaktifkan. Maklumat itu dihantar ke otak, dan ditafsirkan di sana.

Apabila sumber memancarkan sejumlah besar foton, kita melihatnya sebagai sumber terang. Sekiranya, sebaliknya, ia mengeluarkan sedikit, ia ditafsirkan sebagai sumber legap. Setiap foton mempunyai tenaga tertentu, yang ditafsirkan oleh otak sebagai warna. Contohnya foton biru lebih bertenaga daripada foton merah.

Mana-mana sumber secara amnya memancarkan foton tenaga yang berbeza, oleh itu warna yang dilihatnya.

Sekiranya tidak ada yang memancarkan foton dengan satu jenis tenaga, ia dipanggil cahaya monokromatik. Laser adalah contoh cahaya monokromatik yang baik. Akhirnya, pengedaran foton dalam sumber disebut spektrum.

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

Di tengahnya adalah jalur sempit panjang gelombang yang dikenali sebagai spektrum yang dapat dilihat, bermula dari 400 nanometer (nm) hingga 700 nm.

Rajah 2. Spektrum elektromagnetik menunjukkan jarak cahaya yang dapat dilihat. Sumber: Sumber: Wikimedia Commons. Pengarang: Horst Frank.

Kelakuan cahaya

Cahaya mempunyai tingkah laku dwi, ​​gelombang dan zarah seperti yang diperiksa. Cahaya menyebar dengan cara yang sama seperti gelombang elektromagnetik, dan dengan demikian, ia mampu mengangkut tenaga. Tetapi ketika cahaya berinteraksi dengan jirim, ia bertindak seperti pancaran zarah yang disebut foton.

Rajah 4. Penyebaran gelombang elektromagnetik. Sumber: Wikimedia Commons. SuperManu.

Pada tahun 1802, ahli fizik Thomas Young (1773-1829) menunjukkan bahawa cahaya mempunyai tingkah laku gelombang menggunakan eksperimen celah berganda.

Dengan cara ini dia dapat menghasilkan gangguan maksimum dan minimum pada skrin. Tingkah laku ini khas dari gelombang dan oleh itu Young dapat menunjukkan bahawa cahaya adalah gelombang dan juga dapat mengukur panjang gelombang.

Aspek cahaya yang lain adalah zarah, yang diwakili oleh paket tenaga yang disebut foton, yang dalam vakum bergerak dengan kelajuan c = 3 x 10 ⁸ m / s dan tidak mempunyai jisim. Tetapi mereka mempunyai tenaga E:

Dan juga momentum besarnya:

Di mana h adalah pemalar Planck, yang nilainya 6.63 x 10 ^-34 Joule.second dan f adalah frekuensi gelombang. Menggabungkan ungkapan ini:

Dan kerana panjang gelombang λ dan frekuensi dihubungkan oleh c = λ.f, ia tetap:

Prinsip Huygens

Rajah 5. Sinaran gelombang depan dan cahaya membentang dalam garis lurus. Sumber: Serway. R. Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan.

Semasa mengkaji tingkah laku cahaya, ada dua prinsip penting yang harus diambil kira: prinsip Huygens dan prinsip Fermat. Prinsip Huygens menyatakan bahawa:

Mengapa gelombang sfera? Sekiranya kita menganggap bahawa media itu homogen, cahaya yang dipancarkan oleh sumber titik akan menyebarkan ke semua arah secara sama rata. Kita dapat membayangkan cahaya menyebar di tengah-tengah sfera besar dengan sinaran merata. Sesiapa yang melihat cahaya ini melihat bahawa ia bergerak dalam garis lurus ke arah matanya dan bergerak tegak lurus ke arah gelombang.

Sekiranya sinar cahaya datang dari sumber yang sangat jauh, misalnya Matahari, bahagian depan gelombang rata dan sinarnya selari. Inilah yang dimaksudkan dengan pendekatan optik geometri.

Prinsip Fermat

Prinsip Fermat menyatakan bahawa:

Prinsip ini berhutang namanya kepada ahli matematik Perancis Pierre de Fermat (1601-1665), yang pertama kali menetapkannya pada tahun 1662.

Menurut prinsip ini, dalam cahaya medium yang homogen menyebar dengan kelajuan yang tetap, oleh itu ia mempunyai gerakan segiempat yang seragam dan lintasannya adalah garis lurus.

Penyebaran cahaya

Cahaya bergerak seperti gelombang elektromagnetik. Medan elektrik dan medan magnet menghasilkan satu sama lain, membentuk gelombang bergandingan yang berada dalam fasa dan tegak lurus antara satu sama lain dan ke arah perambatan.

Secara amnya, gelombang yang merambat di angkasa boleh digambarkan dari segi gelombang depan. Ini adalah set titik yang mempunyai amplitud dan fasa yang sama. Mengetahui lokasi permukaan gelombang pada waktu tertentu, setiap lokasi seterusnya dapat diketahui, menurut prinsip Huygens.

Difraksi

Laser difraksi oleh celah heksagon. Lienzocian

Gelagat cahaya cahaya dibuktikan dengan jelas oleh dua fenomena penting yang timbul semasa penyebarannya: difraksi dan gangguan. Dalam difraksi, gelombang, sama ada air, suara, atau cahaya, terdistorsi ketika melewati bukaan, melalui rintangan, atau mengelilingi sudut.

Sekiranya bukaan besar berbanding dengan panjang gelombang, maka distorsi tidak terlalu besar, tetapi jika bukaannya kecil, perubahan bentuk gelombang lebih ketara. Difraksi adalah sifat eksklusif gelombang, jadi apabila cahaya menunjukkan difraksi kita tahu bahawa ia mempunyai tingkah laku gelombang.

Gangguan dan polarisasi

Sebaliknya, gangguan cahaya berlaku apabila gelombang elektromagnetik yang menyusunnya bertindih. Apabila melakukannya, mereka ditambahkan secara vektor dan ini boleh menimbulkan dua jenis gangguan:

–Konstruktif, apabila intensiti gelombang yang dihasilkan lebih besar daripada intensiti komponen.

–Memudaratkan jika intensiti kurang daripada komponen.

Gangguan gelombang cahaya berlaku apabila gelombang bersifat monokromatik dan mengekalkan perbezaan fasa yang sama sepanjang masa. Ini dipanggil ketekalan. Cahaya seperti ini boleh datang dari laser misalnya. Sumber biasa seperti lampu pijar tidak menghasilkan cahaya yang koheren kerana cahaya yang dipancarkan oleh berjuta-juta atom dalam filamen sentiasa berubah fasa.

Tetapi jika teduhan legap dengan dua bukaan kecil berdekatan satu sama lain diletakkan pada bola lampu yang sama, cahaya yang keluar dari setiap slot berfungsi sebagai sumber yang koheren.

Akhirnya, apabila ayunan medan elektromagnetik semuanya berada dalam arah yang sama, polarisasi berlaku. Cahaya semula jadi tidak terpolarisasi, karena terdiri dari banyak komponen, masing-masing berayun ke arah yang berbeda.

Percubaan Young

Pada awal abad ke-19, ahli fizik Inggeris Thomas Young adalah yang pertama memperoleh cahaya yang koheren dengan sumber cahaya biasa.

Dalam percubaan double-slitnya yang terkenal, dia melewati celah di layar legap. Menurut prinsip Huygens, dua sumber sekunder dihasilkan, yang seterusnya melewati skrin legap kedua dengan dua celah.

Rajah 6. Animasi percubaan slit berganda Young. Sumber: Wikimedia Commons.

Dengan demikian cahaya yang diterangi menerangi dinding di sebuah ruangan yang gelap. Apa yang kelihatan ialah corak yang terdiri daripada kawasan cahaya dan gelap yang bergantian. Kewujudan corak ini dijelaskan oleh fenomena gangguan yang dijelaskan di atas.

Eksperimen Young sangat penting kerana ia mengungkapkan sifat gelombang cahaya. Selepas itu eksperimen telah dilakukan dengan zarah-zarah asas seperti elektron, neutron dan proton, dengan hasil yang serupa.

Fenomena cahaya

Refleksi

Pantulan cahaya di dalam air

Apabila sinar cahaya menyentuh permukaan, sebahagian cahaya dapat dipantulkan dan sebahagiannya menyerap. Sekiranya ia adalah medium lutsinar, sebahagian cahaya terus menerus melaluinya.

Permukaannya juga licin, seperti cermin, atau kasar dan tidak rata. Pantulan yang berlaku pada permukaan halus disebut pantulan spekular, jika tidak, pantulan meresap atau pantulan tidak teratur. Permukaan yang sangat digilap, seperti cermin, dapat memantulkan hingga 95% cahaya kejadian.

Refleksi khas

Gambar menunjukkan sinar cahaya bergerak dalam medium, yang mungkin udara. Kejadian pada sudut θ ₁ pada permukaan satah spekular dan dipantulkan pada sudut θ ₂ . Garis yang dilambangkan normal adalah tegak lurus ke permukaan.

Sudut tuju sama dengan sudut pantulan. Sumber: Serway. R. Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan.

Kejadian dan sinar pantulan dan permukaan normal ke spekular berada dalam satah yang sama. Orang Yunani kuno telah memperhatikan bahawa sudut kejadian sama dengan sudut pantulan:

Ungkapan matematik ini adalah hukum pantulan cahaya. Walau bagaimanapun, gelombang lain seperti suara misalnya, juga mampu dipantulkan.

Sebilangan besar permukaannya kasar, dan oleh itu pantulan cahaya tersebar. Dengan cara ini cahaya yang dipantulkannya dihantar ke semua arah, sehingga objek dapat dilihat dari mana saja.

Oleh kerana beberapa panjang gelombang dipantulkan lebih banyak daripada yang lain, objek mempunyai warna yang berbeza.

Contohnya, daun pokok memantulkan cahaya yang berada di tengah-tengah spektrum yang dapat dilihat, yang sesuai dengan warna hijau. Panjang gelombang yang selebihnya dapat dilihat diserap: dari ultraviolet dekat dengan biru (350-450 nm) dan cahaya merah (650-700 nm).

Refraksi

Fenomena pembiasan. Josell7

Pembiasan cahaya berlaku kerana cahaya bergerak pada kelajuan yang berbeza bergantung pada medium. Dalam vakum, kecepatan cahaya adalah c = 3 x 10 ⁸ m / s, tetapi ketika cahaya mencapai medium material, proses penyerapan dan pelepasan timbul yang menyebabkan tenaga menurun, dan dengan itu kecepatannya.

Sebagai contoh, ketika bergerak di udara, cahaya bergerak dengan kelajuan yang hampir sama dengan c, tetapi di air, cahaya bergerak pada tiga perempat c, sementara di kaca bergerak pada kira-kira dua pertiga c.

Indeks biasan

Indeks biasan dilambangkan n dan ditakrifkan sebagai hasil antara kelajuan cahaya dalam vakum c dan kelajuannya dalam medium tersebut v:

Indeks biasan selalu lebih besar daripada 1, kerana kecepatan cahaya dalam vakum selalu lebih besar daripada pada medium bahan. Beberapa nilai khas n adalah:

-Air: 1.0003

-Air: 1.33

-Gelas: 1.5

-Diamond: 2.42

Undang-undang Snell

Apabila sinar cahaya menyerang perbatasan antara dua media secara serentak, seperti udara dan kaca misalnya, sebahagian cahaya dipantulkan dan bahagian lain terus masuk ke dalam kaca.

Dalam kes ini, panjang gelombang dan kelajuan mengalami variasi ketika melalui satu medium ke medium yang lain, tetapi bukan frekuensi. Oleh kerana v = c / n = λ.f dan juga dalam vakum c = λo. f, maka kita mempunyai:

Maksudnya, panjang gelombang dalam medium yang diberikan selalu kurang daripada panjang gelombang dalam vakum λo.

Gambar 8. Hukum Snell. Sumber: Gambar kiri: rajah pembiasan cahaya. Rex, A. Asas Fizik. Gambar kanan: Wikimedia Commons. Josell7.

Perhatikan segitiga yang mempunyai hipotenus biasa berwarna merah. Dalam setiap medium, hipotenuse mengukur λ ₁ / sin θ ₁ dan λ ₂ / sin θ ₂ masing-masing, kerana λ dan v adalah berkadar, oleh itu:

Oleh kerana λ = λ _o / n kita mempunyai:

Yang boleh dinyatakan sebagai:

Ini adalah formula hukum Snell, untuk menghormati ahli matematik Belanda Willebrord Snell (1580-1626), yang menghasilkannya secara eksperimen dengan memerhatikan cahaya yang mengalir dari udara ke air dan kaca.

Sebagai alternatif, undang-undang Snell ditulis dalam hal kecepatan cahaya di setiap medium, menggunakan definisi indeks biasan: n = c / v:

Penyebaran

Seperti yang dijelaskan di atas, cahaya terdiri dari foton dengan tenaga yang berbeza, dan setiap tenaga dianggap sebagai warna. Cahaya putih mengandungi foton dari semua tenaga dan oleh itu dapat dipecah menjadi cahaya berwarna yang berbeza. Ini adalah penyerakan cahaya, yang telah dipelajari oleh Newton.

Titisan air di atmosfera berperilaku seperti prisma kecil. Sumber: Pixabay.

Newton mengambil prisma optik, melewati seberkas cahaya putih melaluinya, dan memperoleh jalur berwarna mulai dari merah hingga ungu. Pinggiran ini adalah spektrum cahaya yang dapat dilihat pada Gambar 2.

Penyerakan cahaya adalah fenomena semula jadi, keindahan yang sangat kita kagumi di langit ketika pelangi terbentuk. Sinar matahari jatuh di titisan air di atmosfer, yang bertindak seperti prisma kecil seperti Newton, sehingga menyebarkan cahaya.

Warna biru yang dengannya kita melihat langit juga merupakan akibat penyebaran. Kaya dengan nitrogen dan oksigen, atmosfera terutama menyebar warna biru dan ungu, tetapi mata manusia lebih sensitif terhadap biru dan oleh itu kita melihat langit warna ini.

Apabila Matahari lebih rendah di ufuk, semasa matahari terbit atau terbenam, langit berubah menjadi oren berkat kenyataan bahawa sinar cahaya mesti melewati lapisan atmosfer yang lebih tebal. Nada kemerahan pada frekuensi rendah berinteraksi kurang dengan unsur-unsur atmosfera dan mengambil kesempatan untuk mencapai permukaan secara langsung.

Atmosfer berlimpah dalam debu dan pencemaran, seperti di beberapa kota besar, mempunyai langit kelabu kerana penyebaran frekuensi rendah.

Teori mengenai cahaya

Cahaya dianggap terutamanya sebagai zarah atau gelombang. Teori korpuskular yang dipertahankan oleh Newton, menganggap cahaya sebagai pancaran zarah. Sedangkan pantulan dan pembiasan dapat dijelaskan dengan cukup dengan menganggap bahwa cahaya adalah gelombang, seperti yang dikatakan oleh Huygens.

Tetapi jauh sebelum para saintis yang luar biasa ini, orang telah membuat spekulasi mengenai sifat cahaya. Antaranya ahli falsafah Yunani, Aristoteles tidak dapat hadir. Berikut adalah ringkasan teori cahaya dari masa ke masa:

Teori Aristotelian

2,500 tahun yang lalu Aristoteles mendakwa bahawa cahaya muncul dari mata pemerhati, benda-benda yang menerangi, dan kembali dengan gambar sedemikian rupa sehingga dapat dihargai oleh orang itu.

Teori corpuskular Newton

Newton berpendapat bahawa cahaya terdiri daripada zarah-zarah kecil yang menyebar dalam garis lurus ke semua arah. Apabila mereka mencapai mata, mereka mendaftarkan sensasi sebagai cahaya.

Teori gelombang Huygens

Huygens menerbitkan sebuah karya yang disebut Treatise on light di mana dia mengusulkan bahawa ini adalah gangguan media yang serupa dengan gelombang suara.

Teori elektromagnetik Maxwell

Walaupun percubaan double-slit tidak menimbulkan keraguan tentang sifat gelombang cahaya, selama hampir abad kesembilan belas ada spekulasi tentang jenis gelombang itu, sehingga Maxwell menyatakan dalam teori elektromagnetiknya bahawa cahaya terdiri dari penyebaran medan elektromagnetik.

Cahaya sebagai gelombang elektromagnetik menjelaskan fenomena penyebaran cahaya seperti yang dijelaskan di bahagian sebelumnya dan merupakan konsep yang diterima oleh fizik semasa, seperti juga sifat korpuskular cahaya.

Teori corpuskular Einstein

Menurut konsep moden cahaya, ia terdiri daripada zarah tanpa massa dan tidak terisi yang disebut foton. Meskipun tidak mempunyai jisim, mereka memiliki momentum dan tenaga, seperti yang dijelaskan di atas. Teori ini berjaya menerangkan cara cahaya berinteraksi dengan jirim, dengan menukar tenaga dalam kuantiti diskrit (terkuantiti).

Keberadaan kuanta cahaya diusulkan oleh Albert Einstein untuk menjelaskan kesan fotolistrik yang ditemui oleh Heinrich Hertz beberapa tahun sebelumnya. Kesan fotolistrik terdiri daripada pelepasan elektron oleh bahan di mana beberapa jenis radiasi elektromagnetik telah terhalang, hampir selalu berada dalam jarak dari sinar ultraviolet hingga cahaya yang dapat dilihat.

Rujukan

1. Figueroa, D. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 7. Gelombang dan Fizik Kuantum. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Fizik. Teori Cahaya. Dipulihkan dari: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Fizik: Prinsip dengan Aplikasi. Ke-6. Dewan Ed Prentice.
4. Gerakan gelombang. Prinsip Fermat. Dipulihkan dari: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. Asas Fizik. Pearson.
6. Romero, O. 2009. Fizik. Hiperteks Santillana.
7. Serway, R. 2019. Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. 10hb. Edisi. Jilid 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. Pengantar Sains Fizikal. Edisi kedua belas. Brooks / Cole, Edisi Cengage.
9. Wikipedia. Cahaya. Dipulihkan dari: es.wikipedia.org.