Kenapa Gelas dan Kaca Tembus Pandang?

[seri populer science article – artikel dengan materi yang sama sudah di’publish’ di www.febdian.net]

EDISI REVISI SILA TENGOK KE: diary.febdian.net

Gelas dan kaca termasuk benda yang sangat akrab dalam kehidupan kita sehari-hari. Gak usah diterangin dech, manfaat dan kegunaannya. Dan juga gak usah ditanya dech, kenapa kita butuh gelas dan kaca.

Namun pernahkah kita berpikir kenapa gelas dan kaca bisa tembus pandang? Bagi kita-kita yang gak pedulian amat gak akan ambil pusing. Tapi bagi mereka yang tahu gelas dan kaca itu terbuat dari Silicon Dioxide (SiO2) yang notabene juga ada dalam pasir dan batu, mungkin ada yang bakalan pusing… kenapa pasir dan batu gak tembus pandang ya?

Kenapa ya? Sebelum kita bahas kenapa, ada baiknya kita pahami dulu apa itu transparan (transparan) dalam pandangan fisika.

Apa itu Transparan?

Transparan dikaji secara khusus dalam optik. Sebuah material dikatakan bersifat transparant ketika dia melewatkan cahaya (light). Misalnya udara bersih, air jernih, gelas, kaca, dan plastik.

Bagaimana proses transparansi itu?

Kita bisa melihat pada jarak pandang sampai berkilometer melewati udara bersih. Ini dimungkinkan karena elektron yang ada dalam material udara, yang menyerap photon kalau ditembakkan cahaya, tidak memiliki level energi yang dibutuhkan untuk menyerap phonon tersebut. Sehingga photon tersebut diteruskan saja.

Tunggu tunggu.. apa itu photon? Apa pula itu level energi?

Photon adalah quantisasi dari cahaya. Secara sederhana bisa disebut “partikel cahaya”. Haa??? Cahaya itu partikel? Bagaimana bisa? Ya, pada dasarnya karena phonon inilah cahaya (light) dan benda (matter) memiliki apa yang disebut sifat “dualisme partikel-gelombang”. Baik cahaya maupun benda bisa bersifat sebagai partikel (punya massa), disaat yang lain bisa sebagai gelombang (punya frekuensi).

Level energi adalah tingkatan energi pada orbit atom yang didefenesikan oleh Bohr dalam model atom Hidgrogennya:

E = – (13.6 / n^2) [eV]

(Tanda minus menyatakan besarnya energi yang dibutuhkan sistem, atau disebut juga Binding Energy).

Dimana eV adalah electron Volt, satuan energi yang biasa dipakai dalam skala atomik, dan n adalah nomor orbit. n = 1 adalah orbit pertama atau terdekat dengan inti atom. Bayangkan peredaran tata surya kita adalah atom, matahari adalah inti atom dan planet2 adalah elektron yang beredar memutari inti atom. Bumi berada pada n = 3.

Arti fisis dari persamaan itu adalah, electron yang berada di n=1 butuh energi sebanyak 13.6 [eV] untuk pergi dari orbitnya. Dari mana dia dapat energi itu? Dari photon, yang menyumbangkan energi sebanyak hv. Jadi, untuk berpindah ke n=2, elektron itu butuh suntikan energi sebesar:

E (yg dibutuhkan) = E(n=1) + hv

Dimana h = konstanta planck, dan v = frekuensi photon.

Selanjutnya kita masuk pada bagian penting dari postulat Bohr tentang Quantum Atom. Kalau elektron itu melompat ke n yang lebih rendah (spontan emition), maka elektron itu akan MENGHASILKAN photon. Sebaliknya, untuk melompat ke n yang lebih tinggi, elektron MEMBUTUHKAN photon. Kalau ternyata tidak ada lagi n yang tersedia untuk dilompati, maka photon tadi cuma numpang lewat saja, tidak diapa2in. Digoda aja kagak…

INILAH yang terjadi pada gelas dan kaca. Struktu kristal SiO2 dalam gelas dan kaca tidak memungkinkan elektron melompat ke kulit yang lebih tinggi walau sudah mendapat suntikan tenaga dari photon, sehingga photon tadi dilewatkan begitu saja.

Apa akibatnya kalau photon itu dilewatkan saja?

Maka mata kita akan menerima cahaya yang berasal dari balik gelas atau kaca itu, dan bayangan2 benda akan jatuh di retina mata kita memungkinkan kita MELIHAT benda di balik gelas atau kaca tadi.

Itulah mengapa gelas dan kaca tembus pandang, sementara batu tidak.

Sebagai tambahan, pewarnaan gelas dan kaca mungkin dilakukan dengan sedikit merubah struktur kristal SiO2, sehingga ada photon yang terserap, dan yang tidak terserap akan memberikan efek warna. Kalau photon yang tidak terserap adalah warna kuning, maka gelas atau kaca akan berwarna kuning.

Mudah2an setelah membaca artikel ini semakin bisa kita menikmati keindahan kaca dan gelas… globalnya takjub kita pada keajaiban alam ini, kebesaran Sang Penciptanya.

Sebagai penutup, kalaulah ada pemahaman yang keliru tentang materi ini sudilah kiranya dikoreksi. Dalam artikel ini saya mencoba melakukan pendekatan pemahaman Solid State dari sisi Quantum Theory.

Referensi:
* H. Haken & H. C. Wolf, “The Physics of Atoms and Quanta”, Chapter 8, 6th edition, Springer
* C. Kittel, “Introduction to Solid State Physucs”, mostly Chapter 11, 7th edition, John Wiley & Sons