Spektroskopi, Cahaya sebagai gelombang elektromagnetik

loading...

Perkembangan ilmu pengetahuan sangatlah pesat, tak terkecuali di bidang ilmu kimia. Beberapa metode elusidasi struktuk senyawa kimia kini telah mencapai tahapan canggih. Sebagai contoh, instrumen berbasi spektroskopi seperti spektrofotometer Ultra Violet – Visibel (UV-Vis), spektroskopi serapan atom, dan spektroskopi infra merah, dapat dijumpai dengan berbagai varian yang masing-masing memiliki kelebihan tersendiri. Ketiga instrumen yang baru saja disebutkan merupakan instrumen yang menggunakan prinsip interaksi absorbsi gelombang elektromagnetik dengan materi. Berbeda halnya dengan XRD, meskipun menggunakan sinar-X sebagai “main tool” namun interaksinya dengan material bukanlah absorbsi, melainkan difraksi pada permukaan material.

Di dalam artikel yang lain kita akan membahas masing-masing instrumen analisis dalam rangka elusidasi struktur kimia suatu senyawa. Guna mendukung pembahasan tersebut, pada artikel ini kita akan mengulang kembali beberapa pengertian dan teori dasar yang berkaitan dengan spektroskopi. Para pembaca sekalian mungkin sudah pernah mendapatkan teori dasar sperktroskopi dari bangku sekolah atau perkuliahan di universitas. Artikel ini mudah-mudahan dapat menyegarkan kembali ingatan teman-teman tentang spektroskopi.

Apa yang dimaksud dengan spektroskopi? Spektroskopi adalah ilmu yang mempelajari interaksi material dengan spektrum elektromagnetik. Menurut ensiklopedia of science and technology (Trefil, J., 2001), spektroskopi merupakan ilmu yang memperlajari hubungan antara spektrum cahaya dengan atom atau molekul dalam fasa padat, cair dan gas.

Lagi-lagi, muncul pertanyaan, apakah yang dimaksud dengan cahaya? Setiap hari kita berinteraksi dengan cahaya. Setiap hari kita memanfaatkan cahaya sebagai penyokong utama kehidupan. Setiap kehidupan di muka bumi ini membutuhkan dan sangat bergantung pada cahaya. Jika tidak ada cahaya, maka dapat dipastikan, seluruh kehidupan di permukaan bumi akan musnah. Sebagai contoh, jika tidak ada cahaya, maka tidak akan ada reaksi fotosintesis, sehingga tidak ada karbohidrat yang terbentuk, maka tidak ada makanan penyokong kehidupan di muka bumi ini.

Cahaya adalah salah satu bentuk energi. Energi yang diproduksi di matahari yang memeberikan kehidupan di planet bumi. Cahaya bergerak teramat sangat cepat. Jika kita menekan saklar untuk menghidupkan lampu, maka dengan serta merta cahaya akan memenuhi seluruh ruangan. Kecepatan cahaya berpindah adalah sebesar 2,997925 x 10⁸ meter untuk setiap detik. Perlu diketahui, ternyata kecepatan cahaya adalah batas tertinggi kecepatan di alam semesta. Tidak ada sesuatu benda apapun yang dapat bergerak melebihi kecepatan cahaya.

Kok bisa cahaya adalah kecepatan tertinggi di alam semesta? Apakah tidak ada sesuatu benda apapun di alam ini yang mampu melebihi kecepatan cahaya? Pertanyaan-pertanyaan ini tidak akan kita bahas di sini. Kita akan bahas di lain artikel.

Cahaya merambat atau berpindah dari satu tempat ke tempat yang lain dalam bentuk gelombang. Dari keseluruhan spektrum cahaya yang dihasilkan oleh matahari, hanya sebagian kecil yang dapat dilihat oleh mata kita, yakni spektrum cahaya tampak atau sinar visibel. Sisanya, sebagian besar spektrum cahaya matahari tidak dapat dilihat oleh mata kita. Spektrum dengan energi tinggi seperti ultra violet (UV), sinar X dan sinar gamma serta spektrum dengan energi rendah seperti infra merah (IR), gelombang mikro (microwave) dan gelombang radio, semuanya di luar jangkauan interaksi mata manusia.

Gambar 1. Spektrum Cahaya

Spektrum sinar tampak misalnya, dapat kita dilihat ketika seberkas sinar putih melewati prisma, menghasilkan sprektrum unik yang terpisah, dikenal dengan akronim R O Y G B I V yang merupakan singkatan dari Red (merah), Orange (jingga), Yellow (kuning), Green (hijau), Blue (biru), Indigo (indogo) dan Violet (ungu). Ingat, bahwa sinar putih merupakan gabungan dari seluruh spektrum warna. Mengapa warna yang berbeda dibelokkan dengan sudut yang berbeda? Hal ini dikarenakan perbedaan panjang gelombang untuk masing-masing warna.

Gambar 2. Pemisahan spektrum sinar atau cahaya tampak pada prisma

Cahaya atau sinar disebut sebagai gelombang elektromagnetik. Mengapa disebut sebagai elektromagnetik? Jika kita lihat, elektromagnetik terdiri dari dua kata yakni elektro atau listrik dan magnetik atau magnet. Dalam hal ini kita artikan sebagai medan listrik dan medan magnet.

Naaaahhh, kemudian apa hubungan cahaya dengan medan listrik dan medan magnet? Jika kita memaparkan cahaya pada sebuah magnet, tidak terjadi apapun tuuuhh. Demikian juga halnya, tidak terbentuk arus listrik jika kita menyinari sebuah kabel misalnya, juga tidak terjadi perubahan apapun ketika kita menyinari suatu sumber listrik.

Dengan demikian, muncul pertanyaan di mana sifat magnet dan listrik dalam seberkas cahaya? Pendekatan di atas tidak bisa dipakai. Namun biasanya pendekatan atau pemahaman seperti inilah yang muncul dalam benak seseorang ketika mempelajari gelombang elektromagnetik.

Bagaimana cara memahami kalau sinar atau cahaya yang teremisikan ada keterkaitan dengan listrik dan magnet? Kadang kita menjawab dengan pernyataan bahwa cahaya terdiri dari bidang listrik dan bidang magnet yang saling tegak lurus, seperti pada gambar di bawah ini.

Gambar 3. Bidang listrik dan bidang magnet pada gelombang elektromagnetik

Penjelasan ini benar, namun bagi sebagian orang tidak akan menjawab apapun, terutama bagi saya selaku penulis artikel ini, saya butuh penjelasan lain. Perlu pendekatan lain untuk memahami pengertian elektromagnetik pada cahaya.

Oya, sebelum kita lanjutkan, kita sepakati dulu jika dalam tulisan ini menuliskan kata cahaya atau sinar, silakan lihat lagi konteksnya, apakah ini membicarakan sinar tampak atau sinar pada umumnya, dari gelombang radio hingga sinar gamma.

Kembali lagi pada cahaya sebagai gelombang elektromagnetik. Di mana letak listrik dan magnetnya? Kita coba bahas sekilas di sini. Kita sudah sama-sama tau kalau energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan yang tertuang dalam hukum kekekalan energi. Namun, energi dapat dikonversikan menjadi berbagai macam bentuk. Sebagai contoh, ada energi panas, energi gerak atau kinetik, energi yang tersimpan atau potensial. Cahaya atau sinar merupakan salah satu bentuk energi.

Energi potensial dapat dikonversi menjadi kalor atau panas melalui mekanisme reaksi pembakaran. Kalor dapat diubah menjadi gerak mekanis melalui sistem uap. Gerak mekanik dapat ditransformasi menjadi energi listrik dengan bantuan turbin.

Kita sama-sama tahu kalau medan magnet dan medan listrik saling terkait dan saling mempengaruhi satu sama lain. Contoh sederhana, kita dapat membuat magnet sederhana dengan melilitkan kawat tembaga pada paku baja. Kelika listrik dialirkan pada kawat tembaga, maka paku baja akan bersifat magnet, seperti pada gambar di bawah. Untuk menghasilkan daya tarik magnet yang kuat pada baja, kita tinggal menambahkan daya listriknya saja.

Gambar 4. Ilustrasi korelasi listrik dengan magnet

Dengan mengubah medan listrik maka kita akan mengubah kekuatan medan magnet. Berlaku juga sebaliknya, jika medan magnet berubah maka medan listrik juga akan berubah. Jika proses ini dilakukan berulang-ulang maka sebenarnya ada semacam sinyal yang dilepaskan, sinyal berbentuk gelombang yang dapat merambat meskipun dalam ruang vakum. Sinyal ini disebut dengan gelombang elektromagnetik.

Jika dihitung nilai teoritisnya kecepatan gelombang elektromagnetik ini sangat dekat dengan kecepatan cahaya. Sekarang sudah mulai terbayang di mana letak hubungan antara sinar, medan magnet dan medan listrik. Point penting di sini adalah transformasi energi. Dengan kata lain, sinar merupakan bentuk konversi osilasi medan magnet dan medan listrik.

Rentang energinya sangat luas, dari gelombang radio hingga sinar gamma. Masing-masing sinar memiliki energi tertentu. Sinyal atau informasi yang dibawa oleh gelombang radio merupakan suatu bentuk energi. Energi gelombang ini berinteraksi dengan sistem elektronik pada radio untuk diterjemahkan menjadi suara pada radio atau gambar pada televisi.

Radiasi elektromagnetik menunjukkan dualisme sifat yakni partikel dan gelombang.

Seorang matematikawan asal Inggris, Isaac Newton (1642-1727) berpendapat bahwa cahaya merupakan kumpulan dari partikel-partikel mikroskopik seperti bola-bola kecil yang bergerak layaknya arus. Namun, matematikawan asal Belanda, Christiaan Huygens (1629-1695) beranggapan jika cahaya adalah gelombang. Gelombang cahaya bergerak seperti halnya gelombang suara atau air. Saat ini, teori yang menjelaskan bagaimana cahaya memiliki dualisme sifat, gelombang dan partikel, disebut sebagai teori kuantum modern.

Fisikawan asal Jerman, Max Planck (1858 – 1947), merupakan orang pertama yang menyatakan bahwa cahaya bukan merupakan gelombang murni ataupun partikel murni, tapi cahaya adalah kombinasi antara gelombang dan partikel. Teori ini selanjutnya dikembangkan lebih lanjut oleh Albert Einstein.

Untuk memahami bagaimana cahaya dapat direfleksikan, dibiaskan dan diuraikan, maka kita harus melakukan pendekatan sifat cahaya sebagai gelombang seperti halnya gelombang suara dan gelombang pada umumnya dengan mempertimbangkan parameter panjang gelombang dan frekuensi. Di sisi lain, untuk memahami bagaimana suatu atom dapat mengemisikan dan mengabsorb cahaya kita harus berpikir kalau cahaya tersebut adalah arus partikel yang disebut dengan foton. Foton tersebut membawa sejumlah energi tertentu.

Gambar 5. Ilustrasi cahaya sebagai gelombang dan partikel

Komponen partikel disebut dengan foton.

Apa itu foton? Foton merupakan unit dasar dari cahaya. Kalau atom atau quark, dianggap sebagai unit dasar penyusun material, maka foton adalah unit penyusun cahaya.

Apakah foton dapat disebut sebagai partikel elementer penyusun cahaya? Saya pribadi kurang setuju dengan pernyataan ini, karena foton sediri bukan merupakan partikel murni. Di dalam bahasa inggris foton disebut sebagai “the smallest discrete amount of energy or quantum of electromagnetic radiation” silakan terjemahkan sendiri ke dalam bahasa Indonesia yaaa!

Foton selalu bergerak, di dalam ruang hampa foto bergerak dengan kecepatan cahaya yakni sebesar 2,997925 x 10⁸ m/s yang dilambangkan dengan c.

Seberapa besar energi foton? Energi foton sebanding dengan frekuensi osilasinya dikalikan dengan konstanta Planck. Menurut Einstein, foton adalah partikel dengan pergerakan aliran berbentuk gelombang. di bawah ini adalah gambar hologram dari sebuah foton.

Gambar 6. Hologram dari sebuah foton (Sumber : FUW)

Ilustrasi lainnya seperti ini. Jika permukaan suatu logam terpapar oleh gelombang elektromagnetik atau radiasi cahaya, maka radiasi tersebut akan menyebabkan terlepasnya elektron dari permukaan logam. Peristiwa ini disebut dengan efek fotoelektrik. Prinsip fotoelektrik ini sebagai contoh digunakan pada fotosel kalkulator tenaga matahari di mana sejumlah kecil arus listrik akan dihasilkan ketika fotosel tersebut terpapar cahaya.

Yang perlu kita perhatikan di sini adalah, peningkatan intensitas cahaya tidak akan meningkatkan kecepatan pelepasan elektron, tetapi peningkatan intensitas cahaya menyebabkan peningkatan jumlah pelepasan elektron tersebut. Dengan demikian, hal ini dapat terjadi jika cahaya merupakan bentuk paket-paket kecil energi. Paket-paket kecil energi tersebut disebut sebagai foton. Ketika foton membombardir permukaan atom logam, pada hakekatnya terjadi transfer energi ke elektron yang menyebabkan elektron-elektron tersebut terlepas dari permukaan atom. Semakin tinggi intensitas radiasi, kuantitas foton tinggi, maka semakin banyak elektron yang terlepas.

Gambar 7. Efek fotoelektrik, eksitasi elektron dari permukaan logam

Demikian halnya dengan sinar laser. Apa itu laser? Mengapa laser berenergi tinggi? Pertama kali ditemukan oleh Theodore Maiman pada tahun 1960, hingga saat ini laser digunakan secara luas pada berbagai bidang. Sebagai contoh pada operasi mata di bidang kedokteran, pemotongan baja pada industri logam, pembawa sinyal pada fiber optik, pembaca informasi pada barcode dan compact disk.

Keunikan laser yang menyebabkan sinar ini sangat bermanfaan adalah sifat keteraturan dan keberpaduannya atau koherensi yang menyebabkan energi terkonsentrasi pada berkas sinar laser. Sinar pada umumnya adalah campuran dan tidak teratur. Tapi pada sinar laser, sinar-sinar penyusunnya sejalan satu sama lain atau dalam bahasa saya pribadi, saye sering menyebutnya dengan resonansi sefasa, entah istilah ini tepat atau tidak, silakan Anda mencoba memahami lagi sendiri lebih dalam. Seiring sejalan kalau kita analogikan mirip seperti marching band. Ini menghasilkan sinar yang sangat kuat, powerful, jauh lebih terang karena banyak sinar yang paralel dibandingkan dengan sinar dari sumber sinar lain pada umumnya.

Gambar 8. Amplifikasi pada sinar laser

Jika suatu benda dipanaskan, sistem diberikan energi, maka frekuensi dari radiasi akan meningkat hingga sampai menghasilkan sinar tampak. Sebagai contoh, suatu benda jika dipanaskan pada suhu 500^oC, maka permukaan benda tersebut mulai mengemisikan berkas-berkas cahaya merah di permukaannya. Pada suhu 2000^oC material memancarkan warna jingga terang. Hingga pada akhirnya warna putih diemisikan oleh material tersebut ketika suhu pemanasan mencapai 5000^oC yang artinya material ini memancarkan semua rentang energi sinar tampak, dari merah hingga ungu.

Mengapa cahaya matahari berwarna putih? Karena matahari memancarkan semua sinar visibel atau sinar tampak. Suhu permukaan matahari diperkirakan sebesar 5500^oC. Penggabungan dari semua spektrum sinar tampak akan menghasilkan warna putih.

Terminologi foton di sini adalah sesuatu yang kecil, partikel tak bermasa yang terdiri dari paket gelombang radiasi elektromagnetik. c adalah kecepatan cahaya, yang bersifat konstan sebesar 2,997925 x 10⁸ m/s, v adalah frekuensi yang merupakan jumlah atau pengulangan gelombang setiap detiknya, λ adalah panjang gelombang, maka relasi antara ketiganya adalah sebagai berikut:

v=c/λ
Amplitudo menggambarkan tinggi gelombang atau kuat lemahnya osilasi. Gelombang elektromagnetik dapat berinteraksi dengan molekul melalui dua cara yakni, collition and coupling.

Bersambung .....

Baca juga artikel lainnya:
Kromatografi, jenis-jenis dan cara kerja kromatografi
Spektroskopi massa
Sejarah Teori atom, Perkembangannya dari Zaman Filosof Yunani hingga Atom Modern

loading...

Tweet

Subscribe to receive free email updates: