BAB
3 CAHAYA SEBAGAI GELOMBANG
ELEKTROMAGNETIK
Cahaya
membuat hidup kita penuh dengan warna dan keindahan. Apa yang terjadi
seandainya Tuhan tidak menciptakan cahaya? Pastinya dunia kita tidak
akan pernah ada. Tanpa cahaya kita tidak akan bisa menikmati indahnya
pemandangan alam dan warna-warni pelangi setelah hujan. Bahkan tanpa
cahaya kita tidak bisa melihat dunia di sekitar kita. Demikianlah arti
penting cahaya bagi kita. Berikut ini akan kita pelajari sifat-sifat
cahaya dan penerapannya.
Kata Kunci: Dispersi Cahaya – Interferensi Cahaya – Difraksi Cahaya – Polarisasi Cahaya.
A. Cahaya
Cahaya
memang menarik untuk dipelajari. Sejak berabad-abad yang lalu banyak
ahli yang tertarik untuk meneliti cahaya. Sebagai contoh adalah Newton
dan Maxwell. Teori Newton tentang cahaya terkenal dengan teori partikel
cahaya sedangkan teori Maxwell terkenal dengan gelombang
elektromagnetik. Fisikawan lain yang juga tertarik akan cahaya adalah
Huygens, Thomas Young, dan Fresnell. Tokoh-tokoh fisika ini cukup banyak
memberikan sumbangan terhadap perkembangan teori tentang cahaya.
Cahaya merupakan radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat dideteksi mata manusia. Karena itu, cahaya selain memiliki sifat-sifat gelombang secara umum misal dispersi, interferensi, difraksi, dan polarisasi, juga memiliki sifat-sifat gelombang elektromagnetik, yaitu dapat merambat melalui ruang hampa.
Ada dua jenis cahaya, yaitu cahaya polikromatik dan cahaya monokromatik. Cahaya polikromatik adalah cahaya yang terdiri atas banyak warna dan panjang gelombang. Contoh cahaya polikromatik adalah cahaya putih. Adapun cahaya monokromatik adalah cahaya yang hanya terdiri atas satu warna dan satu panjang gelombang. Contoh cahaya monokromatik adalah cahaya merah dan ungu.
B. Dispersi Cahaya
Cahaya memang menjadikan kehidupan ini terlihat indah. Cobalah
perhatikan pelangi yang muncul pada saat musim hujan! Ada banyak warna
melengkung indah menghias angkasa. Pernahkah kamu mengamati pelangi?
Mengapa pelangi terjadi pada saat gerimis atau setelah hujan turun dan
matahari tetap bersinar? Peristiwa terjadinya pelangi merupakan gejala
dispersi cahaya. Gejala dispersi cahaya adalah gejala peruraian cahaya putih (polikromatik) menjadi cahaya berwarna-warni (monokromatik).
Besar sudut deviasi tergantung pada besar kecilnya sudut datang. Sudut deviasi terkecil disebut sudut deviasi minimum. Sudut deviasi minimum terjadi jika:
i = r’ , r = i’ serta i’ + r = β
Besarnya sudut deviasi minimum pada prisma dirumuskan sebagai:
δm = i + r’ – β . . . (3.1)
Karena r’ = r maka:
i = 1/2 ( δm + β ) . . . (3.2)
dan
r = 1/2 β . . . (3.3)
Sesuai dengan hukum Snellius, kita peroleh :
sin 1/2 (δm + β) = n sin 1/2 β . . . (3.4)
Untuk prisma tipis dengan sudut bias β sangat kecil, persamaan 3.4 dapat ditulis sebagai berikut.
1/2 (δm + β) = n 1/2 β
δm = (n – 1) β . . . (3.5)
Keterangan:
δm : sudut deviasi minimum
n : indeks bias prisma
β : sudut pembias prisma
Di depan telah disinggung bahwa cahaya putih merupakan cahaya polikromatik, artinya cahaya yang terdiri atas banyak warna dan panjang gelombang. Jika cahaya putih diarahkan ke prisma maka cahaya putih akan terurai menjadi cahaya merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Cahaya-cahaya ini memiliki panjang gelombang yang berbeda. Setiap panjang gelombang memiliki indeks bias yang berbeda. Semakin kecil panjang gelombangnya semakin besar indeks biasnya. Indeks bias cahaya tersebut adalah ungu > nila > biru > hijau > kuning > jingga >merah.
Selisih antara sudut deviasi untuk cahaya ungu dan merah disebut sudut dispersi. Besar sudut dispersi dapat dituliskan sebagai berikut.
φ = δmu – δmm = (nu – nm) β . . . (3.6)
Pada peristiwa terjadinya pelangi, kita dapat menganggap titik-titikair sebagai prisma-prisma tipis yang sangat banyak jumlahnya. Agar kamu lebih memahami penerapan rumus sudut dispersi, pelajarilah contoh soal berikut! Kemudian kerjakan tugas di bawahnya!
Contoh Soal
Seberkas
cahaya putih menembus sebuah prisma tipis dengan sudut pembias 10°,
jika indeks bias untuk cahaya merah dan ungu masing-masing 1,49 dan
1,52, tentukanlah besar sudut dispersinya!
Penyelesaian:
Diketahui:
β = 10°
nm = 1,49
nu = 1,52
Ditanyakan: φ = . . .?
Jawab:
φ = (nu – nm) β
φ = (1,52 – 1,49)10°
φ = (0,03)10°
φ = 0,3°
C. Interferensi Cahaya
Interferensi cahaya terjadi
jika dua berkas cahaya yang koheren (memiliki frekuensi yang sama dan
beda fase yang tetap) mengenai suatu titik secara bersamaan. Pada
peristiwa interferensi, jika berkas-berkas cahaya yang datang memiliki
fase yang sama maka akan terjadi interferensi konstruktif (saling
menguatkan) sehingga pada titik tersebut akan terlihat titik terang.
Sebaliknya, jika berkas cahaya tersebut memiliki fase yang berlawanan
maka akan terjadi interferensi destruktif (saling memperlemah) sehingga
pada titik tersebut akan terjadi titik gelap.
Penelitian mengenai interferensi cahaya dilakukan oleh Thomas Young. Young melewatkan cahaya matahari melalui lubang kecil (So) yang dibuat pada layar A. Sinar yang keluar melebar karena adanya difraksi dan jatuh pada lubang kecil (S1 dan S2) yang dibuat pada layar B. Dari sini kemudian diteruskan ke layar C. Selisih panjang lintasan optis keduanya adalah:
Δs = S1P – S2P = d sin θ . . . (3.7)
dengan
sin θ = Δs/d = Y/L . . . (3.8)
Pada titik P akan terjadi pita terang jika berkas cahaya yang jatuh memiliki fase yang sama atau kelipatan bulat panjang gelombangnya ( λ). Dengan demikian jarak titik P dari pusat terang O adalah:
y = Ln λ/d . . . (3.9)
Keterangan:
y : jarak titik P dari pusat terang O (m)
d : jarak S1 dan S2 (m)
L : jarak sumber cahaya ke layar (m)
λ : panjang gelombang cahaya (m)
n : 0, 1, 2, . . . . (khusus untuk n = 0, adalah titik terang pusat)
Pada titik P akan terjadi pita gelap jika berkas cahaya yang jatuh memiliki beda fase setengah periode atau selisih lintasan optis kelipatan ganjil setengah panjang gelombang. Sehingga persamaan 3.9 menjadi:
y = (2n-1/2) Lλ/d . . . (3.10)
Pola pita terang dan gelap pada interferensi cahaya akan lebih mudah diamati dengan menggunakan grafik intensitas cahaya. Untuk lebih jelasnya, perhatikan contoh soal di bawah ini!
Contoh Soal
Pada percobaan Young digunakan gelombang cahaya dengan panjang gelombang 4.500 A° dan jarak antara celah dengan layar 2 meter. Jika jarak antarcelah 0,5 mm, tentukan jarak pita terang kedua dari pusat terang!
Penyelesaian:
Diketahui:
λ= 4.500 = A° = 4,5 . 10-7 m (1 A°= 10-10 m)
L = 2 m
d = 0,5 mm = 0,5 . 10-4 m
Ditanyakan: y2 = . . .?
Jawab:
y2 = Lnλ/d = 2 . 2 . 4,5 . 10-7/0,5 . 10-4
= 3,6 . 10-3 m = 3,6 mm
D. Difraksi Cahaya
Pada
jarak tertentu mata kita sulit membedakan posisi dua nyala lampu yang
sangat berdekatan. Coba kamu perhatikan mengapa hal ini dapat
terjadi? Gejala ini dikarenakan diameter pupil mata kita sangat
sempit. Akibatnya adalah cahaya dua lampu tersebut ketika sampai ke mata
kita mengalami difraksi. Apakah difraksi cahaya itu? Difraksi cahaya adalah
peristiwa pelenturan cahaya yang akan terjadi jika cahaya melalui
celah yang sangat sempit. Kita dapat melihat gejala ini dengan mudah
pada cahaya yang melewati sela jari-jari yang kita rapatkan kemudian
kita arahkan pada sumber cahaya yang jauh, misalnya lampu neon. Atau
dengan melihat melalui kisi tenun kain yang terkena sinar lampu yang
cukup jauh.
1. Difraksi Celah Tunggal
Pada titik O di layar B semua sinar memiliki panjang lintasan optis yang sama. Karena semua sinar yang jatuh di O memiliki fase yang sama maka titik O memiliki intensitas maksimum.Sekarang kita tinjau titik P. Sinar meninggalkan celah dengan sudut θ. Sinar r1 berasal dari bagian atas celah dan sinar r2 berasal dari pusatnya. Jika dipilih sudut θ sedemikian sehingga selisih lintasannya adalah 1/2 λ maka r1 dan r2 berlawanan fase dan tidak memberikan efek apapun pada P.
Setiap sinar dari setengah bagian atas celah akan dihapuskan oleh
pasangannya yang berasal dari bagian bawah, yaitu mulai dari titik 1/2 d bagian bawah. Titik P akan minimum pada pola difraksi dan memiliki intensitas nol. Syarat keadaan ini adalah:
1/2 d sin θ = n 1/2 λ atau d sin θ = n λ . . . (3.11)
Pita terang utama O akan menjadi lebih lebar jika celah dipersempit. Jika lebar celah sama dengan panjang gelombang (λ) maka minimum pertama akan terjadi pada sudut θ = 90°
2. Difraksi pada Kisi
Difraksi
cahaya juga terjadi jika cahaya melalui banyak celah sempit terpisah
sejajar satu sama lain dengan jarak konstan. Celah semacam ini disebut
kisi difraksi atau sering disebut dengan kisi.
Di titik P akan terjadi terang jika memenuhi persamaan berikut.
d sin θ = n λ atau d . y/L = n λ . . . (3.12)
Keterangan:
d : konstanta kisi = 1/N , dengan N = jumlah celah/cm
Dengan menggunakan prinsip difraksi cahaya pada kisi kita dapat menentukan panjang gelombang cahaya melalui percobaan berikut.
E. Polarisasi Cahaya
cahaya termasuk gelombang tranversal. Hal ini dibuktikan oleh peristiwa polarisasi cahaya.Polarisasi
cahaya adalah pembatasan atau pengutuban dua arah getar. menjadi satu
arah getar. Gelombang cahaya yang belum terpolarisasi mempunyai dua
arah getar. Ketika cahaya tersebut dilewatkan pada sebuah celah
(polarisator), cahaya mengalami pengutuban (polarisasi) sehingga
cahaya hanya mempunyai satu arah getar. Polarisasi cahaya dapat
terjadi karena beberapa hal berikut.
1. Penyerapan
Polarisasi
akibat penyerapan terjadi jika cahaya melalui zat yang dapat memutar
bidang polarisasi gelombang cahaya. Zat semacam ini disebut zat optik
aktif. Contoh zat ini adalah larutan gula.
Anggaplah seberkas cahaya tak terpolarisasi menembus filter polaroid A. Setelah melalui A hanya
cahayan yang memiliki arah getar tertentu saja yang dapat menembus.
Cahaya yang hanya memiliki arah getar tertentu ini disebut cahaya
terpolarisasi. Ketika kedudukan bidang polarisasi A sejajar dengan B, cahaya diteruskan oleh polaroid B, sehingga mata dapat melihat cahaya atau benda. Selanjutnya.
polaroid B diputar 90° terhadap sumbu sinar datang. Bidang polarisasi B menjadi tegak lurus bidang polarisasi A atau
tegak lurus bidang getar cahaya terpolarisasi. Pada keadaan ini mata
tidak dapat melihat cahaya atau benda karena cahaya diserap oleh polaroid B.
2. Hamburan
Salah
satu gejala polarisasi cahaya akibat hamburan adalah langit yang
berwarna biru. Hal ini disebabkan gelombang cahaya warna biru lebih
banyak dihamburkan oleh atmosfer. Atmosfer kita cenderung lebih banyak
menghamburkan cahaya dengan panjang gelombang yang pendek daripada
panjang gelombang yang panjang.
3. Pemantulan
Ketika cahaya mengenai bidang batas dua medium optik dengan kerapatan
berbeda, sebagian cahaya akan dipantulkan. Hal ini dapat menimbulkan
terjadinya polarisasi. Tingkat polarisasi bergantung pada sudut datang
dan indeks bias kedua medium. Cahaya yang terpantul akan
terpolarisasi seluruhnya ketika sudut datang sedemikian sehingga antara
sinar bias dan sinar pantul saling tegak lurus.
Berdasarkan hukum Snellius, besarnya sudut datang saat terjadi polarisasi adalah:
n₁ sin θp = n₂ sin θ’p . . . (3.13)
Karena sinar bias dan sinar pantul saling tegak lurus maka
θp + θ’p = 90°
θ’p = 90° – θp
Dengan demikian persamaan 3.13 menjadi:
n₁ sin θp = n₂ sin (90°– θp)
sin θp/sin (90°– θp) = n₁/n₂
Berdasarkan trigonometri sin (90° – θp) = cos θp, sehingga sin θp/cos θp = n₁/n₂
tan θp = n₁/n₂ . . . (3.14)
Persamaan 3.14 dikenal sebagai hukum Brewster.
Contoh Soal
Tentukanlah besar sudut datang polarisasi pada kaca dengan indeks bias 1,5!
Penyelesaian:
Diketahui:
n₁ = 1
n₂ = 1,5
Ditanyakan: θp = . . .?
Jawab:
tan θp = n₁/n₂ = 1,5/1 = 1,5
θp = 56,3°
| |
4. Pembiasan Ganda
Gejala
pembiasan ganda merupakan fenomena rumit yang terjadi pada kristal
kalsit atau kristal plastik yang ditegangkan, misalnya selofen. Pada
kebanyakan zat, laju cahaya adalah sama untuk semua arah. Pada kristal
kalsit, laju cahaya bergantung arah rambat pada material tersebut. Zat
semacam ini disebut zat isotropik. Ketika berkas cahaya masuk pada zat
isotropik, berkas tersebut terpisah menjadi dua bagian yang disebut
berkas sinar biasa dan sinar luar biasa. Berkas-berkas ini terpolarisasi
dalam arah yang saling tegak lurus dan berjalan dengan kecepatan yang
berbeda. Ada arah tertentu pada zat di mana kedua cahaya merambat
dengan kecepatan yang sama. Arah ini disebut sumbu optik. Saat cahaya
membentuk sudut terhadap sumbu optik, berkasberkas cahaya tersebut akan
berjalan pada arah yang berbeda dan keluar secara terpisah pada ruang.
Jika bahan tersebut diputar, berkas cahaya yang luar biasa akan berputar
di ruang.
F. Penerapan Cahaya dalam Teknologi
Seperti
telah diungkapkan sebelumnya bahwa cahaya sangat penting bagi kita.
Oleh karena itu para ilmuwan terus mempelajari tentang cahaya. Sejauh
ini para ilmuwan telah menghasilkan penemuan-penemuan baru yang
menakjubkan, misalnya laser, serat optik, dan hologram. Berikut ini akan
kita pelajari penemuan-penemuan tersebut.
1. Laser
Laser adalah akronim dari light amplification by stimulated emission of radiation.
Laser merupakan sumber cahaya yang memancarkan berkas cahaya yang
koheren. Laser termasuk cahaya monokromatik. Laser mempunyai intensitas
dan tingkat ketelitian yang sangat tinggi, sehingga laser banyak
digunakan dalam berbagai peralatan. Laser pertama kali dikembangkan pada
tahun 1960. Penerapan laser dalam kehidupan sehari-hari antara lain
sebagai pemindai barcode di supermarket, alat pemutar CD atau DVD, laser printer, dan dioda laser. Di bidang kedokteran, laser digunakan sebagai pisau bedah dan untuk menyembuhkan gangguan akomodasi mata.
2. Serat Optik
Sebaiknya Tahu
Komputer
Optik Dalam komputer optik, informasi dibawa oleh denyut cahaya yang
cepat,bukan oleh aliran electron yang lambat. Seperti kabel serat
optik, komputer optic dapat membawa banyak sinyal yang berbeda dalam
waktu yang bersamaan (secara paralel). Proses ini dikenal dengan
pemrosesan paralel yang akan menjadikan komputer optik lebih kuat
daripada komputer elektronik yang hanya melakukan satu pekerjaan
dalam satu waktu (dikenal sebagai pemrosesan seri).
|
Selain
contoh-contoh di atas, pemanfaatan laser juga dapat diterapkan dalam
bidang telekomunikasi. Dalam bidang telekomunikasi, laser digunakan
untuk mengirim sinyal telepon dan internet melalui suatu kabel khusus
yang disebut serat optik. Serat optik merupakan suatu serat transparan
yang digunakan untuk mentransmisi cahaya, misalnya laser. Dengan
menggunakan serat optik, data yang dikirim akan lebih cepat sampai.
Karena kecepatan data tersebut sama dengan kecepatan cahaya, yaitu 3 .
108 m/s.
3. Hologram
Perkembangan
laser juga merambah bidang fotografi. Penggunaan laser dalam fotografi
dikenal sebagai holografi. Holografi adalah pembuatan gambar-gambar tiga
dimensi dengan menggunakan laser. Hasil yang diperoleh pada proses
holografi disebut hologram. Mekanisme holografi adalah sebagai berikut.
Objek yangakan dibuat hologram disinari dengan laser. Objek tersebut
kemudian memantulkan sinar dari laser. Perpaduan antara laser dengan
sinar yang dipantulkan objek akan memberikan efek interferensi. Efek
interferensi inilah yang memberikan bayangan objek tiga dimensi.
Materi
di atas hanyalah sebagian penerapan cahaya dalam bidang teknologi.
Cobalah kamu cari contoh lain penerapan cahaya dalam berbagai bidang di
perpustakaan atau di internet!
REFERENSI
1. Alonso, M. dan Finn, E.D. 1980. Fundamental University Physics. New York: Addison–Wesley
2. Beiser, Arthur. 1999. Konsep Fisika Modern (terjemahan). Jakarta: Erlangga.
3. Budikase, E, dkk, 1987. Fisika Untuk SMU. Jakarta: Departemen Pendidikan dan Kebudayaan.
4. Haliday, David dan Resnick, Robert. 1990. Fisika (terjemahan). Jakarta: Erlangga.
http: //en.wikipedia.org/wiki
http: //www.chem-is-try.org/?sect=artikel&ext=35
http: //www.infonuklir.com/tips/tipskes.htm
http: //zaki.web.ugm.ac.id/web
Tidak ada komentar:
Posting Komentar