TEKNOLOGI

Apabila  seberkas cahaya mengenai sebuah logam, ada elektron yang keluar dari permukaan logam. Gejala ini merupakan efek fotolistrik. Secara detail efek fotolistrik dapat diamati ketika dua buah pelat logam (lempengan logam tipis) yang terpisah ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung kedua pelat ini dihubungkan satu sama lain dengan kawat. Mula-mula tidak ada arus yang mengalir karena kedua plat terpisah. Ketika cahaya yang sesuai dikenakan kepada salah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada kawat. Ini terjadi akibat adanya elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke pelat lain secara bersama-sama membentuk arus listrik.

Melalui pengamatan seperti  gambar di atas, hanya cahaya yang sesuai (yang memiliki frekuensi yang lebih besar dari frekuensi tertentu saja) yang memungkinkan lepasnya elektron dari pelat logam atau menyebabkan terjadi efek fotolistrik (yang ditandai dengan terdeteksinya arus listrik pada kawat). Frekuensi tertentu dari cahaya dimana elektron terlepas dari permukaan logam disebut frekuensi ambang logam. Frekuensi ini berbeda-beda untuk setiap logam dan merupakan karakteristik dari logam itu.

Ketika cahaya yang digunakan dapat menghasilkan efek fotolistrik, penambahan intensitas cahaya disertai pula dengan pertambahan jumlah elektron yang terlepas dari pelat logam (yang ditandai dengan arus listrik yang bertambah besar). Tetapi, Efek fotolistrik tidak terjadi untuk cahaya dengan frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi ambang meskipun intensitas cahaya diperbesar. Ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi pada rangkaian kawat segera setelah cahaya yang sesuai disinari pada pelat logam. Ini berarti hampir tidak ada selang waktu elektron terbebas dari permukaan logam setelah logam disinari cahaya.

Karakteristik dari efek fotolistrik di atas tidak dapat dijelaskan menggunakan teori gelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru dalam mendeskripsikan cahaya dimana cahaya tidak dipandang sebagai gelombang yang dapat memiliki energi yang kontinu melainkan cahaya sebagai partikel.

Perangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai gelombang tersedia melalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang dikembangkan oleh Planck dan terbukti sesuai untuk menjelaskan spektrum radiasi kalor benda hitam. Konsep energi yang terkuantisasi ini digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan terjadinya efek fotolistrik. Di sini, cahaya dipandang sebagai kuantum energi yang hanya memiliki energi yang diskrit bukan kontinu yang dinyatakan sebagai E = h.f.

Menurut Einstein, terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain dan dirumuskan dengan persamaan :

Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum elektron

E = W0 + Ekm

hf = hf0 + Ekm

Ekm = hf – hf0

Persamaan di atas disebut persamaan efek fotolistrik Einstein.  W0 adalah energi ambang logam atau fungsi kerja logam, f0 adalah frekuensi ambang logam, f adalah frekuensi cahaya yang digunakan, dan Ekm adalah energi kinetik maksimum elektron yang lepas dari logam dan bergerak ke pelat logam yang lain. Dalam bentuk lain persamaan efek fotolistrik dapat ditulis sebagai :

Dimana m adalah massa elektron dan ve adalah  kecepatan elektron. Satuan energi untuk fungsi kerja logam biasanya dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV) dimana 1 eV = 1,6 × 10−19 J.

Berdasarkan efek fotolistrik, cahaya  dipandang sebagai kuantum energi dengan energi yang diskrit. Kuantum energi ini tidak dapat digambarkan sebagai gelombang tetapi lebih mendekati bentuk partikel. Partikel cahaya dalam bentuk kuantum dikenal dengan sebutan foton. Pandangan cahaya sebagai foton diperkuat lagi melalui gejala yang dikenal sebagai efek Compton.

Jika seberkas sinar-X ditembakkan ke sebuah elektron bebas yang diam, sinar-X akan mengalami perubahan panjang gelombang dimana panjang gelombang sinar-X menjadi lebih besar. Gejala ini dikenal sebagai efek Compton, sesuai dengan nama penemunya, yaitu Arthur Holly Compton.

Sinar-X digambarkan sebagai foton yang bertumbukan dengan elektron (seperti halnya dua bola bilyar yang bertumbukan). Elektron bebas yang diam menyerap sebagian energi foton sehingga bergerak ke arah membentuk sudut terhadap arah foton mula-mula. Foton yang menumbuk elektron pun terhambur dengan sudut θ terhadap arah semula dan panjang gelombangnya menjadi lebih besar.

      Teori relativitas khusus diterbitkan pada 1905 oleh Albert Einstein seorang ilmuwan fisika modern. Teori ini menggantikan pendapat Newton tentang ruang dan waktu dan memasukan elektromagnetisme pada persamaan Maxwell. Teori ini disebut "khusus" karena berlaku terhadap prinsip relativitas pada kasus "tertentu" atau "khusus" dari kerangka inersia dalam ruang-waktu datar, di mana efek gravitasi dapat diabaikan.

Teori relativitas khusus terdiri dari dua fostulat :

Fostulat I :" Hukum fisika dapat dinyatakan dalam persamaan yang berbentuk sama dalam semua kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap satu sama lain."

       Postulat ini menyatakan ketiadaan kerangka acuan universal. Jika dua pengamat berada dalam kerangka acuan lembam dan bergerak dengan kecepatan sama relatif terhadap pengamat lain, maka kedua pengamat tersebut tidak dapat melakukan percobaan untuk menentukan apakah mereka bergerak atau diam. Bayangkan ini seperti saat kita berada di dalam sebuah kapal selam yang bergerak dengan kecepatan tetap. Kita tidak akan dapat mengatakan apakah kapal selam tengah bergerak atau diam.

      Contoh lain, ketika pesawat sedang terbang dengan kecepatan tetap, seorang pramugari dengan santainya membagikan makanan kepada para penumpang karena dia tidak merasakan bahwa pesawat sedang terbang, yang dia rasakan pesawat tersebut sedang diam (coba kalau dia membagikan makanan di dalam metromini..hehehe). Benar atau salahkah jika pramugari tersebut mengatakan bahwa pesawat tersebut diam berdasarkan apa yang dia rasakan? menurut teori ini benar.

Postulat II :  "Cepat rambat cahaya di dalam ruang hampa ke segala arah adalah sama untuk semua pengamat, tidak tergantung pada gerak sumber cahaya maupun pengamat."

      Postulat kedua adalah sebuah konsekuensi dari foton yang tak bermassa bergerak dengan kecepatan cahaya pada ruang hampa. Eter tidak lagi memiliki peran khusus sebagai kerangka acuan inersia “mutlak” alam semesta, jadi bukan hanya tidak perlu, tetapi juga secara kualitatif tidak berguna di dalam relativitas khusus.

       Sebagai contoh pada kasus sederhana misalkan sebuah kereta api sedang bergerak dengan kecepatan 10 km/jam lalu ada seorang pedagang asongan di dalam kereta berjalan ke arah depan dengan kecepatan 2 km/jam. Menurut pengamat yang diam di pinggir rel kereta pedagang asongan tersebut bergerak dengan kecepatan 12 km/jam (10 km/jam + 2 km/jam). Hasil pengamatan Pengamat tersebut sesuai dengan teori gerak Newton.

      Bagaimana kalau kereta dan pedagang asongan tersebut bergerak dengan kecepatan mendekati atau sama dengan kecepatan cahaya? Menurut fostulat II teori Newton tidak berlaku. Kecepatan gerak pedagang asong bukanlah hasil penjumlahan seperti di atas karena menurut fostulat II kecepatan  cahaya dalam ruang hampa sama besar untuk semua pengamat, tidak bergantung dari gerak pengamat itu.

      Untuk menentukan kecepatan benda untuk kasus benda yang bergerak dengan kecepatan cahaya, Einstein  memperkenalkan transformasi koordinat baru, dinamakan transformasi Lorentz, antara kerangka acuan inersia. Pada kecepatan lambat, transformasi ini pada dasarnya identik dengan model klasik (teori Newton), tetapi untuk kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya, menghasilkan nilai yang berbeda secara radikal.

Penjumlahan kecepatan menurut teori relativitas khusus Einstein :

Konstanta transformasi Laplace :

dengan :  u = kecepatan gerak benda

Kontraksi panjang :

dengan :  Lo = panjang benda menurut pengamat yang diam terhadap benda

                L = panjang benda menurut pengamat yang bergerak terhadap benda

dengan :     Eo = m c2 = energi diam benda,       E = m c2 = energi total benda

     Enstein mampu menunjukkan bahwa terdapat hubungan antara massa dan energi, melalui rumus yang sangat terkenal E=mc2. Hubungan ini telah dibuktikan dengan peristiwa yang sangat spektakuler di dunia ketika bom nuklir melepaskan energi dari massa di Hiroshima dan Nagasaki pada akhir perang dunia kedua.

Tak ada objek bermassa yang dapat bergerak dipercepat menuju kecepatan cahaya. Hanya objek tak bermassa, seperti foton, yang dapat bergerak dengan kecepatan cahaya. (foton tidak bergerak dipercepat menuju kecepatan cahaya, tetapi foton selalu bergerak dengan kecapatan cahaya).

       Demikianlah penjelasan singkat tentang teori relativitas khusus, saya yakin apa yang saya ketahui dan saya tulis masih banyak kesalahan dan kekurangan. Jangan segan-segan berilkan komentar setelah reka-rekan membaca tulisan ini agar kita bisa sama-sama berbagi ilmu.

      Teori Relativitas umum diterbitkan oleh Albert Einstein pada 1916. Teori ini menggantikan hukum gravitasi Newton. Menurut Newton, gravitasi dianggap sebagai kekuatan penarik dimana planet-planet bergerak mengelilingi matahari dalam bentuk lingkaran elips karena matahari memiliki kekuatan gravitasi yang amat besar. Tapi menurut Einstein, gravitasi tidak dianggap sebagai kekuatan penarik benda-benda di alam ini, tapi menurutnya semua benda di alam semesta membentuk ruang dan waktu dalam kurva yang melengkung. Kurva yang melengkung ini menyebabkan bagaimana benda-benda bergerak di luar angkasa. Dengan kata lain, planet-planet bergerak bukan karena ditarik oleh gaya gravitasi matahari, tapi bergerak menurut garis lurus pada ruang yang melengkung itu.

     Rangkaian ruang-waktu empat-dimensi yang melengkung secara sederhana dapat dianalogikan sebagai selembar kain yang dihamparkan yang apabila diletakkan bola besi maka akan terbentuk lengkungan di seluruh bagian kain. Makin besar massa bola  maka akan terbentuk lengkungan yang makin besar dan apabila diletakkan bola  yang lebih ringan dibagian lain kain maka bola kecil itu akan menggelinding menurut jalur lengkungan untuk  mencapai titik keseimbangan. Dengan demikian, benda yang bermassa sangat besar bisa membengkokkan ruang dan waktu sehingga lintasan sinar pun bisa bengkok, seperti matahari dapat melengkungkan ruang-waktu di sekelilingnya dan planet-planet bergerak di sepanjang jalur melengkungnya ruang-waktu. Menurut Einstein materi memberitahu ruang bagaimana cara melengkungkan/memelarkan dirinya, dan ruang memberitahu materi bagaimana cara bergerak.

     Penjelasan teori relativitas umum menggunakan formula matematika geometri diferensial dan tensor dalam menjelaskan gravitasi. . Teori ini memiliki bentuk yang sama bagi seluruh pengamat, baik bagi pengamat yang bergerak dalam kerangka acuan lembam ataupun bagi pengamat yang bergerak dalam kerangka acuan yang dipercepat.

   Teori relativitas umum memprediksi dengan tepat sampai pada tingkatan apakah sebuah sinar cahaya akan terbentang saat ia lewat di dekat matahari.