Cahaya merupakan salah satu contoh gelombang elektromagnetik. Pada kenyataannya, gelombang elektromagnetik memiliki keunikan yakni memiliki sifat kembar/dualisme.
Sifat dualisme gelombang elektromagnetik menjelaskan bahwa selain memiliki sifat gelombang yang bisa mengalami difraksi (lenturan), interferensi (perpaduan), dan polarisasi (pengutuban), gelombang elektromagnetik juga dapat bertingkah laku sebagai partikel.
Partikel yang terbentuk merupakan paket-paket energi yang disebut foton. Besarnya energi dalam sebuah foton dirumuskan dengan:
E = h.f yang mana: E = energi foton (J) h = konstanta Planck (6,626x10-34 J.det) f = frekuensi (Hz)
Frekuensi dapat didefinisikan sebagai perbandingan kecepatan terhadap panjang gelombang, sehingga:
E = h(c/λ) yang mana: c = kecepatan cahaya (3x108 m/det) λ = panjang gelombang cahaya (m)
Massa foton yang diam adalah 0, sedangkan momentumnya diperoleh dengan formula sebagai berikut:
p = h/λ yang mana: p = momentum foton (kg.m/det)
Sifat cahaya sebagai gelombang elektromagnetik yang bisa bertingkah laku sebagai partikel menimbulkan gejala fotolistrik dan gejala compton.
Fotolistrik adalah gejala terlepasnya elektron suatu logam karena logam tersebut dijatuhi gelombang elektromagnetik. Elektron terlepas dari logam karena ia menyerap energi dari gelombang elektromagnetik tersebut.
Sebuah galvanometer mula-mula menunjukkan pembacaan nol, tetapi begitu katoda disinari oleh gelombang elektromagnetik (misalnya cahaya), jarum galvanometer mulai menunjukkan adanya arus.
Munculnya arus listrik suatu rangkaian disebabkan oleh adanya perpindahan elektron dari katoda ke anoda. Elektron dari katoda bisa berpindah karena adanya pemicu yakni gelombang elektromagnetik tadi sehingga terciptalah arus yang terukur di galvanometer.
Jika frekuensi sinar yang datang diperbesar, maka arus yang timbul pun semakin besar, begitu sebaliknya. Tiap logam berbeda jenis masing-masing mempunyai frekuensi ambang (frekuensi minimum) yang memungkinkan elektron keluar.
Elektron-elektron tersebut telah menyerap energi dari gelombang elektromagnetik yang datang, yang mana besar energinya adalah:
E = h.f
Setiap logam memiliki energi ikat terhadap elektron di dalamnya. Inilah yang disebut energi ambang (W). Apabila energi yang mengikat elektron tersebut sangat kuat, maka elektron tidak mudah lepas. Namun apabila energi dari luar lebih besar daripada energi ikat tersebut maka elektron akan mudah lepas.
Karena logam katoda disinari cahaya, energi gelombang elektromagnetik dipancarkan terhadap katoda sehingga tercipta energi di luar katoda. Energi gelombang elektromagnetik tadi harus lebih besar daripada energi ikat logam terhadap elektron (energi ambang), sehingga elektron bisa lepas.
Ek = h.f - W W = h.f0
Terlepasnya elektron itulah yang memunculkan keberadaan energi kinetik (Ek).
Ketika X-ray (Sinar X) ditembakkan ke elektron bebas yang diam, maka akan terjadi hamburan X-ray yang mana panjang gelombang hamburan tersebut menjadi lebih besar daripada panjang gelombang sebelumnya. Peristiwa ini disebut dengan gejala Compton, sesuai dengan nama penemunya yakni Arthur H. Compton.
Gambar di bawah ini menunjukkan sketsa terjadinya gejala compton. Sudut θ menunjukkan sudut hambur X-ray. Selisih panjang gelombang sinar tersebut setelah dan sebelum ditembakkan dirumuskan dengan formula berikut:
λ'- λ = [h/(m0.c)] . (1 - cosθ) yang mana: h = Konstanta Planck m0 = massa diam elektron c = kecepatan cahaya
Gejala compton mendukung pendapat bahwa gelombang elektromagnetik dapat bertingkah laku sebagai partikel, sebab jika gelombang elektromagnetik hanya bersifat sebagai gelombang saja, panjang gelombang X-ray terhambur harus sama dengan panjang gelombang X-ray yang datang.
1. Berapa elektron volt (eV) energi foton berkas sinar inframerah dengan panjang gelombang 1000nm dan berapa momentumnya?
λ = 1000 nm = 10-6 m
E = h(c/λ) = 6,626x10-34 . (3x108/10-6)
= 1,9878x10-19 J
1 eV adalah 1,6x10-19 J, maka
= 1,9878x10-19/1,6x10-19
= 1,24 eV
p = h/λ
= 6,626x10-34/10-6
= 6,626x10-28 kg.m/det 2. Berapa kecepatan elektron yang berenergi kinetik sama dengan energi foton dengan panjang gelombang 5000 Angstrom?
λ = 5000 Å = 5000x10-10 m = 5x10-7 m
E = h.(c/λ) = 6,626x10-34.(3x108/5x10-7)
= 3,976x10-19 J
E = Ek = 1/2.m.v2
3,976x10-19 = 1/2.9,1x10-31.v2
v2 = 8,74x1011
v = 9,35x105 m/det 3. Berapa % perubahan panjang gelombang Sinar X 0,4 Angstrom yang terhambur 90o pada gejala compton?
λ = 0,4 Å = 4x10-11 m
λ'- λ = [h/(m0.c)] . (1 - cosθ)
= [6,626x10-34/(9,1x10-31 . 3x108)] . (1 - cos90o)
= 2,43x10-12 Å
% = [(λ'- λ)/λ].100%
= [2,43x10-12/4x10-11].100%
= 6,07%