Bagaimana cahaya berinteraksi dengan materi?

Pernahkah kita memikirkan mengapa logam berkilau, mengapa gelas transparan, dan mengapa batu permata mempunyai variasi warna yang cantik? Mengapa benda-benda bisa mempunyai warna yang berbeda? Untuk dapat menjawab semua itu kita harus mengetahui interaksi yang terjadi saat cahaya mengenai materi. 

Sebelum membahas tentang interaksi antara cahaya dengan materi, marilah kita mengenal cahaya terlebih dahulu. Pertama kita harus mengetahui bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Ini berarti selain mempunyai medan listrik, cahaya juga mempunyai medan magnet dimana arah vektor kedua medan tersebut saling tegak lurus (Gambar 1). Medan listrik pada arah vertikal sedangkan medan magnet pada arah horisontal atau sebaliknya. Medan-medan ini yang akan mempengaruhi materi, misalkan medan listrik yang menyebabkan timbulnya resonansi plasmon permukaan yang telah dibahas di sini. 

Gambar 1. Gelombang elektromagnetik pada cahaya. Arah medan magnet tegak lurus dengan arah medan listrik. 

Cahaya juga mempunyai paket-paket energi yang besarnya tergantung pada panjang gelombang (wavelength) cahaya tersebut. Pada spektrum cahaya tampak, gelombang cahaya menentukan warna. Misalnya warna merah mempunyai panjang gelombang sekitar 650 nm, warna kuning sekitar 570 nm dan warna biru sekitar 475 nm (Gambar 2). Sedangkan cahaya putih mengandung semua warna. Energi cahaya meningkat dari warna merah ke biru. Ketika cahaya tampak mengenai suatu benda, beberapa spektrum warna diserap dan yang lain diteruskan dan dipantulkan. Perbedaan dalam hal spektrum warna apa yang diserap dan spektrum mana yang diteruskan menghasilkan warna suatu benda.

Gambar 2. Spektrum cahaya tampak

Bagaimana cahaya berinteraksi dengan materi/benda menentukan sifat optik dari benda itu. Secara garis besar sifat optik yang dapat termati pada suatu materi padat dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu pencerminan (reflection), perambatan (propagation), dan transmisi (transmission). Ketiga fenomana itu diilistrasikan pada Gambar 3.

Gambar 3. Pantulan, propagasi dan transmisi cahaya pada medium optik

Gambar 3 menunjukkan berkas cahaya yang mengenai suatu medium optik. Sebagian cahaya dipantulkan kembali dari permukaan depan, sementara sebagian yang lain masuk dan merambat ke dalam medium. Jika cahaya ini mencapai permukaan belakang, cahaya akan dipantulkan kembali atau diteruskan hingga keluar dari medium.

Saat cahaya merambat di dalam medium optik, terdapat beberapa peristiwa yang mungkin terjadi yakni pembiasan (reflaction), absorpsi dan luminesensi (absorption and luminescence), serta penghamburan (scattering). 

Pembiasan menyebabkan kecepatan perambatan gelombang cahaya berkurang dibandingkan kecepatannya di dalam ruang hampa. Penurunan kecepatan ini menyebabkan cahaya membengkok pada bidang antar muka seperti yang dijelaskan oleh hukum Snell. Walaupun kecepatannya berkurang, pembiasan itu sendiri tidak merubah intensitas cahaya. 

Absorpsi terjadi selama perambatan cahaya di dalam medium apabila frekuensi cahaya sama (resonansi) dengan frekuensi transisi atom-atom di dalam medium. Pada peristiwa ini, intensitas cahaya berkurang. Absorpsi sangat berkaitan dengan transmisi karena hanya cahaya yang tidak terabsorpsi yang akan ditransmisikan melalui medium. Absorpsi selektif pada panjang gelombang tertentu yang menyebabkan material menjadi terlihat berwarna. Misalnya rubi yang berwarna merah karena dia menyerap cahaya biru dan hijau namun tidak menyerap merah.

Luminesensi merupakan nama yang diberikan untuk peristiwa emisi spontan cahaya oleh atom yang tereksitasi di dalam medium optik. Salah satu cara agar atom mengalami eksitasi adalah dengan absorpsi cahaya. Jadi luminesensi terjadi setelah atom mengalami absorpsi walaupun tidak semua absorpsi diikuti oleh luminesensi. Karena kadang kala setelah absorpsi, atom yang tereksitasi kehilangan energi dalam bentuk panas sebelum sempat mengemisikan cahaya. Pada peristiwa luminesensi, cahaya diemisikan ke segala arah dan mempunya frekuensi yang berbeda dengan frekuensi cahaya datang. 

Penghamburan merupakan peristiwa dimana arah cahaya berubah dan kadangkala disertai perubahan frekuensinya setelah cahaya berinteraksi denga medium. Jumlah total foton tidak berubah, namun jumlah foton yang ditransmisikan akan berkurang karena foton cahaya diarahkan kembali ke segala arah. Penghamburan disebut elastik apabila frekuensinya tidak berubah, dan disebut tak elastik apabila frekuensinya mengalami perubahansetelah peristiwa scattering. Perubahan berarti foton mempunyai frekuensi yang lebih kecil/besar daripada sebelum penghamburan. Hamburan ini dikenal dengan hamburan stokes dan antistokes yang telah dibahas di sini. 

Gambar 4. Pembiasan, absorpsi dan penghamburan yang terjadi saat cahaya masuk ke dalam medium. Pembiasan tidak menyebabkan perubahan intensitas cahaya sedangkan absorpsi dan penghamburan menyebabkan cahaya yang diteruskan mempunyai internsitas yang lebih rendah daripada cahaya datang.

Selain itu, peristiwa lain dapat terjadi apabila cahaya yang merambat melalui medium mempunyai intensitas yang sangat tinggi seperti pada laser. Peristiwa ini dikenal sebagai optik tak linear. Contohnya adalah penggandaan frekuensi dimana frekuensi cahaya menjadi dua kali lipat setelah berinteraksi dengan medium optik. 

Pustaka:

https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/RadiationSafety/theory/nature.htm

https://en.wikipedia.org/wiki/Visible_spectrum
http://www.artinaid.com/2013/04/what-is-light-or-electromagnetism/