Fenomena-fenomena alam :
MENGAPA KACA BISA TEMBUS PANDANG?
Momang Yusuf
Semua bangunan rumah umumnya memiliki jendela yang dibuat dari bahan kaca sehingga memungkinkan cahaya dapat masuk ke dalam rumah tersebut. Hal ini menyebabkan ruang kita menjadi terang dan hangat. Kita juga bisa memandang ke luar melalui jendela kaca tersebut tanpa pandangan kita terhalang oleh keberadaan kaca tersebut. Mengapa bahan kaca ini bisa tembus pandang? Mengapa bahan ini bisa dilalui oleh cahaya sedangkan bahan lain, misalnya kayu atau tembok rumah tidak bisa?
Bahkan, kita tahu bahwa baik kaca maupun tembok, merupakan bahan padat, keduanya dapat melindungi kita dari hujan, salju, dan angin. Tetapi mengapa kayu tidak dapat ditembus oleh cahaya sedangkan kaca dapat ditembus cahaya sehingga sinar matahari dapat melewatinya tanpa ada gangguan berarti?
Jika Anda sedang mencari jawaban atas pertanyaan-pertanyaan tersebut, tetaplah membaca tulisan ini.
Jawaban yang lazim diberikan orang, bahkan oleh beberapa buku teks sains, terhadap pertanyaan ini adalah bahwa kayu merupakan benda padat sejati sedangkan kaca merupakan benda padat yang dibuat dari cairan dengan kekentalan yang sangat tinggi dan dipadatkan. Sehingga, berdasarkan hal tersebut, orang berargumen bahwa atom-atom dalam kaca, karena merupakan cairan, memiliki jarak pisah yang lebih longgar (saling berjauhan) satu sama lain yang memungkinkan cahaya dapat menyusup di antara sela-sela atom yang renggang tersebut. Sebagai bukti bahwa kaca merupakan bahan cair, mereka akan menunjukkan bahwa kaca pada rumah-rumah yang sudah berusia tua umumnya akan bergelombang dan ketebalannya tidak merata akibat terjadinya aliran zat cair kaca itu setelah bertahun-tahun berlalu seperti halnya gula yang meleleh dengan sangat pelan pada cuaca yang dingin.
Benarkah demikian?
Sesungguhnya, kaca sama sekali bukan zat cair. Kaca adalah jenis khusus zat padat yang disebut sebagai zat padat amorf. Keadaan amorf adalah keadaan suatu materi dimana atom-atom dan molekul-molekulnya terkunci pada sebuah tempat tertentu yang tersebar secara acak. Hal ini merupakan kebalikan dari struktur kristal yang memiliki susunan atom-atom yang teratur. Akibatnya, secara mekanik kaca akan berupa bahan padat, tetapi molekul-molekulnya tersusun secara tidak beraturan seperti susunan molekul-molekul zat cair. Zat padat amorf akan terbentuk jika sebuah zat padat tertentu dididihkan pada temperatur yang tinggi kemudian didinginkan dengan cepat.
Dengan cara-cara tertentu, kaca dapat menyerupai keramik dan memiliki sifat-sifat yang sama dengan keramik, yaitu: tahan, kuat, tidak rapuh, resistansi listrik dan termal yang tinggi, dan sulit mengalami reaksi kimia. Kaca oksida, seperti kaca komersial yang kita temui, memiliki sifat penting yang lain, yaitu bersifat transparan terhadap sebuah rentang panjang gelombang yang disebut dengan cahaya tampak. Untuk memahami mengapa kaca dapat memiliki sifat transparansi tersebut kita perlu mengkaji struktur atomik kaca dan memahami apa yang terjadi saat foton, yaitu paket energi cahaya, berinteraksi dengan struktur tersebut.
Apakah Material Bersifat Transparan Bergantung pada Interaksi Foton Cahaya dengan Elektron Material ?
Kita sudah tahu bahwa elektron-elektron yang mengelilingi inti sebuah atom, menempati tingkat-tingkat energi tertentu. Elektron-elektron ini dapat berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lainnya. agar dapat berpindah dari tingkat energi yang rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi, maka elektron memerlukan energi tambahan. Sebaliknya saat elektron berpindah dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah, maka elektron harus melepaskan energi. Dalam proses pelepasan atau pengambilan energi tersebut, elektron melakukannya dalam bentuk paket-paket energi.
Sekarang, andaikan sebuah foton bergerak menuju bahan padat dan berinteraksi. Salah satu dari tiga kemungkinan berikut ini akan terjadi dalam interaksi tersebut.
Bahan padat tersebut akan menyerap foton. Hal ini akan terjadi jika foton memberikan energinya kepada elektron yang berada dalam bahan. Dengan modal energi yang diperoleh dari foton ini, elektron dapat berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi, sedangkan fotonnya menghilang.
Bahan padat tersebut memantulkan foton. Peristiwa ini terjadi jika foton menyerahkan energinya kepada bahan, tetapi bahan padat tersebut memancarkan kembali foton dengan energi yang identik dengan energi foton yang diserapnya.
Bahan padat membiarkan foton tersebut bergerak melewatinya tanpa mengganggunya. Peristiwa ini sering disebut transmisi, dan terjadi karena foton tidak berinteraksi dengan elektron yang terdapat dalam bahan sehingga foton dengan aman melanjutkan perjalanannya melewati bahan pada tersebut.
Apa yang terjadi pada kaca, adalah peristiwa yang ketiga. Foton ini dapat menembus material karena foton tidak memiliki energi yang cukup untuk dapat mengeksitasi sebuah gas elektron agar berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Fisikawan biasanya menjelaskan peristiwa ini dengan menggunakan teori pita. Teori ini menyatakan bahwa terdapat tingkat-tingkat energi pada daerah yang disebut pita energi. Jarak tiap pita-pita energi, yaitu jarak antara pita-pita energi yang lebih tinggi ke pita energi yang lebih rendah di bawahnya atau sebaliknya disebut dengan celah pita. Elektron sama sekali tidak dapat berada pada daerah celah pita ini. beberapa material memiliki celah pita yang lebih besar dibandingkan material yang lainnya. Kaca adalah salah satu material yang memiliki celah pita yang besar. Ini berarti bahwa elektron pada kaca membutuhkan energi yang lebih besar agar dapat berpindah dari satu pita energi ke pita energi di atasnya kemudian kembali lagi ke pita asalnya. Foton untuk cahaya tampak, yaitu cahaya yang memiliki panjang gelombang antara 400 sampai 700 nanometer (panjang gelombang untuk cahaya warna ungu, nila, biru, hijau, kuning, jingga, dan merah), tidak memiliki cukup energi untuk dapat membuat elektron berpindah ke pita energi yang ada di atasnya. Akibatnya, foton cahaya tampak ini akan melalui kaca sehingga kaca tampak transparan.
Pada panjang gelombang yang lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya tampak, foton mulai memiliki energi yang cukup untuk memindahkan elektron kaca dari satu pita energi ke pita energi lainnya. Misalnya, cahaya ultraungu, yang panjang gelombangnya antara 10 nanometer sampai 400 nanometer, sudah tidak bisa lagi melewati hampir semua kaca oksida, jenis kaca yang sering digunakan sebagai material kaca jendela. Hal ini karena energi foton pada panjang gelombang tersebut akan diserap oleh elektron untuk berpindah ke pita energi yang lebih tinggi. Ini berarti cahaya ultraungu tersebut tidak dapat melewati kaca jendela. Dengan kata lain, kaca jendela tidak tembus oleh sinar ultraviolet seperti halnya tembok kita yang tidak tembus sinar cahaya tampak.
Mengapa bisa ada kaca yang antipeluru?
Selembar kaca biasa akan hancur saat dihantam oleh sebutir peluru. Tetapi kaca antipeluru didesain agar dapat tahan terhadap satu atau beberapa kali hantaman peluru berdasarkan pada ketebalan kaca dan jenis senjata yang digunakan menembak kaca tersebut.
Apa yang menyebabkan kaca ini dapat bertahan dari hantaman peluru?
Sebuah kaca antipeluru pada dasarnya dibuat dengan cara melapiskan sebuah material polikarbonat pada lembar kaca biasa. Proses pelapisan ini disebut dengan laminasi. Proses laminasi akan menghasilkan material yang mirip kaca yang lebih tebal dibandingkan kaca biasa. Material polikarbonat merupakan plastik transparan yang keras –sering dikenal dengan merek Lexan, Tuffak atau Cyrolon. Kaca antipeluru biasanya memiliki ketebalan antara 7 milimeter sampai 75 milimeter. Sebutir peluru yang menghantam sebuah kaca antipeluru akan menerobos lapisan bagian luar dari kaca tersebut, tetapi lapisan material kaca-polikarbonat akan mampu menyerap energi peluru tersebut dan menghentikannya sebelum peluru tersebut menembus keluar dari lapisan terakhir.
Kemampuan kaca antipeluru untuk menghentikan sebuah peluru ditentukan oleh ketebalan kacanya. Peluru yang berasal dari senapan akan menumbuk kaca dengan tumbukan yang lebih kuat dibandingkan dengan peluru yang berasal dari sebuah senjata pistol sehingga kaca antipeluru untuk senapan harus lebih tebal dibandingkan dengan kaca antipeluru untuk peluru pistol.
Ada juga jenis kaca antipeluru satu arah. Kaca antipeluru jenis ini dapat menahan peluru dari satu arah tetapi pada arah yang berlawanan kaca ini akan melewatkan begitu saja peluru yang melaluinya. Kaca antipeluru jenis ini memungkinkan seseorang di balik kaca tersebut terhindar dari peluru lawan yang berasal dari depan tetapi dia dapat menembakkan pelurunya ke arah lawan yang ada di depannya. Jenis kaca antipeluru ini dibuat dengan melaminasi sebuah lembaran pecahan-pecahan material dengan menggunakan sebuah material yang fleksibel.
Sumber : Momang Yusuf Blog, 15 Maret 2015
