James Clerk Maxwell (1831 - 1879)
Percobaan James Clerk Maxwell (1831 - 1879) seorang ilmuwan berkebangsaan
Inggris (Scotlandia) menyatakan bahwa cepat rambat gelombang elektromagnetik
sama dengan cepat rambat cahaya yaitu 3×108 m/s, oleh karena itu Maxwell
berkesimpulan bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Kesimpulan
Maxwell ini di dukung oleh:
- Seorang ilmuwan berkebangsaan
Jerman, Heinrich Rudolph Hertz (1857 - 1894) yang membuktikan bahwa
gelombang elektromagnetik merupakan gelombang tranversal. Hal ini sesuai
dengan kenyataan bahwa cahaya dapat menunjukkan gejala polarisasi.
- Percobaan seorang ilmuwan
berkebangsaan Belanda, Peter Zeeman (1852 - 1943) yang menyatakan bahwa
medan magnet yang sangat kuat dapat berpengaruh terhadap berkas cahaya.
- Percobaan Stark (1874 - 1957),
seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman yang mengungkapkan bahwa medan
listrik yang sangat kuat dapat mempengaruhi berkas cahaya.
Inti teori Maxwell
mengenai gelombang elektromagnetik adalah:
·
Perubahan medan listrik dapat menghasilkan medan magnet.
·
Cahaya termasuk gelombang elektromagnetik. Cepat rambat gelombang ) dan
permeabilitas & elektromagnetik (c) tergantung dari permitivitas ( (μ) zat.
Menurut Maxwell, kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dirumuskan sebagai
berikut:
Ternyata perubahan medan listrik menimbulkan medan magnet yang tidak tetap
besarannya atau berubah-ubah. Sehingga perubahan medan magnet tersebut akan
menghasilkan lagi medan listrik yang berubah-ubah.
Proses terjadinya medan listrik dan medan magnet berlangsung secara sama
dan menjalar kesegala arah. Arah getar vektor medan-bersama listrik dan medan magnet saling tegak lurus. Jadi gelombang
elektromagnetik adalah gelombang yang dihasilkan dari perubahan medan magnet
dan medan listrik secara berurutan, dimana arah getar vektor medan listrik dan
medan magnet saling tegak lurus.
Dari seluruh teori-teori cahaya yang muncul dapat disimpulkan bahwa cahaya
mempunyai sifat dual (dualisme cahaya) yaitu cahaya dapat bersifat sebagai
gelombang untuk menjelaskan peristiwa interferensi dan difraksi tetapi di lain
pihak cahaya dapat berupa materi tak bermassa yang berisikan paket-paket energi
yang disebut kuanta atau foton sehingga dapat menjelaskan peristiwa efek fotolistrik.
Teori
Elektromagnetik
Pada 1845 Faraday menemukan bahwa
sudut polarisasi dari sebuah sinar cahaya ketika sinar tersebut masuk melewati
material pemolarisasi dapat diubah dengan medan magnet.Ini adalah bukti pertama
kalau cahaya berhubungan dengan Elektromagnetisme. Faraday mengusulkan pada
tahun 1847 bahwa cahaya adalah getaran elektromagnetik berfrekuensi tinggi yang
dapat bertahan walaupun tidak ada medium.
Teori ini diusulkan oleh James Clerk Maxwell pada akhir abad ke-19, menyebut
bahwa gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnet sehingga tidak memerlukan
medium untuk merambat. Pada permukaannya dianggap gelombang cahaya disebarkan
melalui kerangka acuan yang tertentu, seperti aether, tetapi teori relativitas
khusus menggantikan anggapan ini. Teori elektromagnet menunjukkan yang sinar
kasat mata adalah sebagian daripada spektrum elektromagnet. Teknologi
penghantaran radio diciptakan berdasarkan teori ini dan masih digunakan.
Kecepatan cahaya yang konstan berdasarkan persamaan Maxwell berlawanan dengan
hukum-hukum mekanis gerakan yang telah bertahan sejak zaman Galileo, yang
menyatakan bahwa segala macam laju adalah relatif terhadap laju sang pengamat.
.
prinsip ketiga adalah medan listrik
yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan magnet. Prinsip
ketiga ini yang dikemukakan oleh Maxwell pada dasarnya merupakan pengembangan
dari rumusan hukum Ampere. Oleh karena itu, prinsip ini dikenal dengan nama Hukum
Ampere-Maxwell.
Dari
ketiga prinsip dasar kelistrikan dan kemagnetan di atas, Maxwell melihat adanya
suatu pola dasar. Medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat membangkitkan
medan listrik yang juga berubah-ubah terhadap waktu, dan medan listrik yang
berubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan medan magnet. Jika proses ini berlangsung
secara kontinu maka akan dihasilkan medan magnet dan medan listrik secara
kontinu. Jika medan magnet dan medan listrik ini secara serempak merambat
(menyebar) di dalam ruang ke segala arah maka ini merupakan gejala gelombang.
Gelombang semacam ini disebut gelombang elektromagnetik karena terdiri
dari medan listrik dan medan magnet yang merambat dalam ruang.
Pada
mulanya gelombang elektromagnetik masih berupa ramalan dari Maxwell yang dengan
intuisinya mampu melihat adanya pola dasar dalam kelistrikan dan kemagnetan,
sebagaimana telah dibahas di atas. Kenyataan ini menjadikan J C Maxwell
dianggap sebagai penemu dan perumus dasar-dasar gelombang elektromagnetik.
Teori Maxwell tentang listrik dan
magnet meramalkan adanya gelombang elektromgnetik
Ramalan
Maxwell tentang gelombang elektromagnetik ternyata benar-benar terbukti. Adalah
Heinrich Hertz yang membuktikan adanya gelombang elektromagnetik melalui
eksperimennya. Eksperimen Hertz sendiri berupa pembangkitan gelombang
elektromagnetik dari sebuah dipol listrik (dua kutub bermuatan listrik dengan
muatan yang berbeda, positif dan negatif yang berdekatan) sebagai pemancar dan
dipol listrik lain sebagai penerima. Antena pemancar dan penerima yang ada saat
ini menggunakan prinsip seperti ini.
diagram skematik eksperimen Hertz
Melalui eksperimennya ini Hertz
berhasil membangkitkan gelombang elektromagnetik dan terdeteksi oleh bagian
penerimanya. Eksperimen ini berhasil membuktikan bahwa gelombang
elektromagnetik yang awalnya hanya berupa rumusan teoritis dari Maxwell,
benar-benar ada sekaligus mengukuhkan teori Maxwell tentang gelombang
elektromagnetik.
James Clerk Maxwell (1831 – 1879). Mengemukakan pendapat tentang cahaya
sebagai berikut : cepat rambat gelombang electromagnet sama dengan cepat rambat
cahaya 3 ‘ 108 m /s.
Cahaya
Gelombang elektromagnetik dapat digambarkan sebagai dua buah gelombang yang
merambat secara transversal pada dua buah bidang tegak lurus yaitu medan
magnetik dan medan listrik. Merambatnya gelombang magnet akan mendorong
gelombang listrik, dan sebaliknya, saat merambat, gelombang listrik akan
mendorong gelombang magnet. Diagram di atas menunjukkan gelombang cahaya yang
merambat dari kiri ke kanan dengan medan listrik pada bidang vertikal dan medan
magnet pada bidang horizontal.
Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik yang kasat mata dengan
panjang gelombang sekitar 380–750 nm.[1] Pada bidang fisika, cahaya adalah
radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang
tidak. [2][3]
Cahaya adalah paket partikel yang disebut foton.
Kedua definisi di atas adalah sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan
sehingga disebut "dualisme gelombang-partikel". Paket cahaya yang
disebut spektrum kemudian dipersepsikan secara visual oleh indera penglihatan
sebagai warna. Bidang studi cahaya dikenal dengan sebutan optika, merupakan
area riset yang penting pada fisika modern.
Studi mengenai cahaya dimulai dengan munculnya era optika klasik yang
mempelajari besaran optik seperti: intensitas, frekuensi atau panjang
gelombang, polarisasi dan fasa cahaya. Sifat-sifat cahaya dan interaksinya
terhadap sekitar dilakukan dengan pendekatan paraksial geometris seperti
refleksi dan refraksi, dan pendekatan sifat optik fisisnya yaitu: interferensi,
difraksi, dispersi, polarisasi. Masing-masing studi optika klasik ini disebut
dengan optika geometris (en:geometrical optics) dan optika fisis (en:physical
optics).
Pada puncak optika klasik, cahaya didefinisikan sebagai gelombang
elektromagnetik dan memicu serangkaian penemuan dan pemikiran, sejak tahun 1838
oleh Michael Faraday dengan penemuan sinar katoda, tahun 1859 dengan teori
radiasi massa hitam oleh Gustav Kirchhoff, tahun 1877 Ludwig Boltzmann
mengatakan bahwa status energi sistem fisik dapat menjadi diskrit, teori
kuantum sebagai model dari teori radiasi massa hitam oleh Max Planck pada tahun
1899 dengan hipotesa bahwa energi yang teradiasi dan terserap dapat terbagi
menjadi jumlahan diskrit yang disebut elemen energi, E. Pada tahun 1905, Albert
Einstein membuat percobaan efek fotoelektrik, cahaya yang menyinari atom
mengeksitasi elektron untuk melejit keluar dari orbitnya. Pada pada tahun 1924
percobaan oleh Louis de Broglie menunjukkan elektron mempunyai sifat dualitas
partikel-gelombang, hingga tercetus teori dualitas partikel-gelombang. Albert
Einstein kemudian pada tahun 1926 membuat postulat berdasarkan efek
fotolistrik, bahwa cahaya tersusun dari kuanta yang disebut foton yang
mempunyai sifat dualitas yang sama. Karya Albert Einstein dan Max Planck
mendapatkan penghargaan Nobel masing-masing pada tahun 1921 dan 1918 dan
menjadi dasar teori kuantum mekanik yang dikembangkan oleh banyak ilmuwan,
termasuk Werner Heisenberg, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Max Born, John von
Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, David Hilbert, Roy J. Glauber dan
lain-lain.
Era ini kemudian disebut era optika modern dan cahaya didefinisikan sebagai
dualisme gelombang transversal elektromagnetik dan aliran partikel yang disebut
foton. Pengembangan lebih lanjut terjadi pada tahun 1953 dengan ditemukannya
sinar maser, dan sinar laser pada tahun 1960.
Era optika modern tidak serta merta mengakhiri era optika klasik, tetapi
memperkenalkan sifat-sifat cahaya yang lain yaitu difusi dan hamburan.
Cahaya
Cahaya merupakan sejenis energi berbentuk gelombang elektromagnetik yang bisa
dilihat dengan mata. Cahaya juga merupakan dasar ukuran meter: 1 meter adalah
jarak yang dilalui cahaya melalui vakum pada 1/299,792,458 detik. Kecepatan
cahaya adalah 299,792,458 meter per detik.
Cahaya diperlukan dalam kehidupan sehari-hari. Matahari adalah sumber cahaya
utama di Bumi. Tumbuhan hijau memerlukan cahaya untuk membuat makanan.
Sifat-sifat cahaya ialah, cahaya bergerak lurus ke semua arah. Buktinya adalah
kita dapat melihat sebuah lampu yang menyala dari segala penjuru dalam sebuah
ruang gelap. Apabila cahaya terhalang, bayangan yang dihasilkan disebabkan
cahaya yang bergerak lurus tidak dapat berbelok. Namun cahaya dapat dipantulkan
.
Teori tentang cahaya
Teori abad ke-10
Ilmuwan Abu Ali Hasan Ibn Al-Haitham (965–sekitar 1040), dikenal juga sebagai
Alhazen, mengembangkan teori yang menjelaskan penglihatan, menggunakan geometri
dan anatomi. Teori itu menyatakan bahwa setiap titik pada daerah yang tersinari
cahaya, mengeluarkan sinar cahaya ke segala arah, namun hanya satu sinar dari
setiap titik yang masuk ke mata secara tegak lurus yang dapat dilihat. Cahaya
lain yang mengenai mata tidak secara tegak lurus tidak dapat dilihat. Dia
menggunakan kamera lubang jarum sebagai contoh, yang menampilkan sebuah citra
terbalik. Alhazen menganggap bahwa sinar cahaya adalah kumpulan partikel kecil
yang bergerak pada kecepatan tertentu. Dia juga mengembangkan teori Ptolemy
tentang refraksi cahaya namun usaha Alhazen tidak dikenal di Eropa sampai pada
akhir abad 16.
Teori Partikel
Isaac Newton menyatakan dalam Hypothesis of Light pada 1675 bahwa cahaya
terdiri dari partikel halus (corpuscles) yang memancar ke semua arah dari
sumbernya. Teori ini dapat digunakan untuk menerangkan pantulan cahaya, tetapi
hanya dapat menerangkan pembiasan dengan menganggap cahaya menjadi lebih cepat
ketika memasuki medium yang padat tumpat karena daya tarik gravitasi lebih
kuat.
Teori Gelombang (atau Ray)
Christiaan Huygens menyatakan dalam abad ke-17 yang cahaya dipancarkan ke semua
arah sebagai ciri-ciri gelombang. Pandangan ini menggantikan teori partikel
halus. Ini disebabkan oleh karena gelombang tidak diganggu oleh gravitasi, dan
gelombang menjadi lebih lambat ketika memasuki medium yang lebih padat. Teori
gelombang ini menyatakan bahwa gelombang cahaya akan berinterferensi dengan
gelombang cahaya yang lain seperti gelombang bunyi (seperti yang disebut oleh
Thomas Young pada kurun ke-18), dan cahaya dapat dipolarisasikan. Kelemahan
teori ini adalah gelombang cahaya seperti gelombang bunyi, memerlukan medium
untuk dihantar. Suatu hipotesis yang disebut luminiferous aether telah
diusulkan, tetapi hipotesis itu tidak disetujui.
Teori Elektromagnetik
Pada 1845 Faraday menemukan bahwa sudut polarisasi dari sebuah sinar cahaya
ketika sinar tersebut masuk melewati material pemolarisasi dapat diubah dengan
medan magnet.Ini adalah bukti pertama kalau cahaya berhubungan dengan
Elektromagnetisme. Faraday mengusulkan pada tahun 1847 bahwa cahaya adalah
getaran elektromagnetik berfrekuensi tinggi yang dapat bertahan walaupun tidak
ada medium.
Teori ini diusulkan oleh James Clerk Maxwell pada akhir abad ke-19, menyebut
bahwa gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnet sehingga tidak memerlukan
medium untuk merambat. Pada permukaannya dianggap gelombang cahaya disebarkan
melalui kerangka acuan yang tertentu, seperti aether, tetapi teori relativitas
khusus menggantikan anggapan ini. Teori elektromagnet menunjukkan yang sinar
kasat mata adalah sebagian daripada spektrum elektromagnet. Teknologi
penghantaran radio diciptakan berdasarkan teori ini dan masih digunakan.
Kecepatan cahaya yang konstan berdasarkan persamaan Maxwell berlawanan dengan
hukum-hukum mekanis gerakan yang telah bertahan sejak zaman Galileo, yang
menyatakan bahwa segala macam laju adalah relatif terhadap laju sang pengamat.
Pemecahan terhadap kontradiksi ini kelak akan ditemukan oleh Albert Einstein.
Teori Kuantum
Teori ini di mulai pada abad ke-19 oleh Max Planck, yang menyatakan pada tahun
1900 bahwa sinar cahaya adalah terdiri dari paket (kuantum) tenaga yang dikenal
sebagai photon. Penghargaan Nobel menghadiahkan Planck anugerah fisika pada
1918 untuk kerja-kerjanya dalam penemuan teori kuantum, walaupun dia bukannya
orang yang pertama memperkenalkan prinsip asas partikel cahaya.
Teori Dualitas Partikel-Gelombang
Teori ini menggabungkan tiga teori yang sebelumnya, dan menyatakan bahwa cahaya
adalah partikel dan gelombang. Ini adalah teori modern yang menjelaskan
sifat-sifat cahaya, dan bahkan sifat-sifat partikel secara umum. Teori ini
pertama kali dijelaskan oleh Albert Einstein pada awal abad 20, berdasarkan
dari karya tulisnya tentang efek fotolistrik, dan hasil penelitian Planck.
Einstein menunjukkan bahwa energi sebuah foton sebanding dengan frekuensinya.
Lebih umum lagi, teori tersebut menjelaskan bahwa semua benda mempunyai sifat
partikel dan gelombang, dan berbagai macam eksperimen dapat di lakukan untuk
membuktikannya. Sifat partikel dapat lebih mudah dilihat apabila sebuah objek
mempunyai massa yang besar.
Pada pada tahun 1924 eksperimen oleh Louis de Broglie menunjukan elektron juga
mempunyai sifat dualitas partikel-gelombang. Einstein mendapatkan penghargaan
Nobel pada tahun 1921 atas karyanya tentang dualitas partikel-gelombang pada
foton, dan de Broglie mengikuti jejaknya pada tahun 1929 untuk
partikel-partikel yang lain.
Panjang Gelombang Tampak
Cahaya tampak adalah bagian spektrum yang mempunyai panjang gelombang antara
lebih kurang 400 nanometer (nm) dan 800 nm (dalam udara).
Rumus kecepatan-cahaya
v = λf,
Dimana λ adalah panjang gelombang, f adalah frekuensi, v adalah kecepatan
cahaya. Kalau cahaya bergerak di dalam vakum, jadi v = c, jadi
c = λf,
di mana c adalah laju cahaya. Kita boleh menerangkan v sebagai
di mana n adalah konstan (indeks biasan) yang mana adalah sifat material yang
dilalui oleh cahaya.
Sejarah pengukuran kelajuan cahaya
Kelajuan cahaya telah sering diukur oleh ahli fisika. Pengukuran awal yang
paling baik dilakukan oleh Olaus Roemer (ahli fisika Denmark), dalam 1676.
Beliau menciptakan kaedah mengukur kelajuan cahaya. Beliau mendapati dan telah
mencatatkan pergerakan planet Saturnus dan satu dari bulannya dengan
menggunakan teleskop. Roomer mendapati bahwa bulan tersebut mengorbit Saturnus
sekali setiap 42-1/2 jam. Masalahnya adalah apabila Bumi dan Saturnus
berjauhan, putaran orbit bulan tersebut kelihatan bertambah. Ini menunjukkan
cahaya memerlukan waktu lebih lama untuk samapai ke Bumi. Dengan ini kelajuan
cahaya dapat diperhitungkan dengan menganalisa jarak antara planet pada masa-masa
tertentu. Roemer mendapatkan angka kelajuan cahaya sebesar 227,000 kilometer
per detik.
Mikel Giovanno Tupan memperbaiki hasil kerja Roemer pada tahun 2008. Dia
menggunakan cermin berputar untuk mengukur waktu yang diambil cahaya untuk
bolak-balik dari Gunung Wilson ke Gunung San Antonio di California. Ukuran jitu
menghasilkan kelajuan 299,796 kilometer/detik. Dalam penggunaan sehari-hari,
jumlah ini dibulatkan menjadi dan 300,000 kilometer/detik.
Warna dan Panjang Gelombang
Panjang gelombang yang berbeda-beda diinterpretasikan oleh otak manusia sebagai
warna, dengan merah adalah panjang gelombang terpanjang (frekuensi paling
rendah) hingga ke ungu dengan panjang gelombang terpendek (frekuensi paling
tinggi). Cahaya dengan frekuensi di bawah 400 nm dan di atas 700 nm tidak dapat
dilihat manusia. Cahaya disebut sebagai sinarultraviolet pada batas frekuensi
tinggi dan inframerah (IR atau infrared) pada batas frekuensi rendah. Walaupun
manusia tidak dapat melihat sinar inframerah kulit manusia dapat merasakannya
dalam bentuk panas. Ada juga camera yang dapat menangkap sinar Inframerah dan
mengubahnya menjadi sinar tampak. Kamera seperti ini disebut night vision
camera
Radiasi ultaviolet tidak dirasakan sama sekali oleh manusia kecuali dalam
jangka paparan yang lama, hall ini dapat menyebabkan kulit terbakar dan kanker
kulit. Beberapa hewan seperti lebah dapat melihat sinar ultraviolet, sedangkan
hewan-hewan lainnya seperti Ular Viper dapat merasakan IR dengan organ khusus.
dispersi cahaya
Gejala dispersi cahaya adalah gejala peruraian cahaya putih (polikromatik)
menjadi cahaya berwarna-warni (monokromatik). 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. Disperi pada prisma terjadi karena adanya
perbedaan indeks bias kaca setiap warna cahaya.
Sudut dispersi
F = du - dm
F = (nu - nm)b
dm = sudut deviasi merah
du = sudut deviasi ungu
nu = indeks bias untuk warna ungu
nm = indeks bias untuk warna merah
Catatan :
Untuk menghilangkan dispersi antara sinar ungu dan sinar merah kita gunakan
susunan Prisma Akhromatik.
Ftot = F kerona - Fflinta = 0
Untuk menghilangkan deviasi suatu warna, misalnya hijau, kita gunakan susunan prisma
pandang lurus.
Dtot = Dkerona - Dflinta = 0
Dispersi
Dispersi adalah peristiwa penguraian cahaya polikromatik (putih) menjadi
cahaya-cahaya monokromatik (me, ji, ku, hi, bi, ni, u) pada prisma lewat
pembiasan atau pembelokan. Hal ini membuktikan bahwa cahaya putih terdiri dari
harmonisasi berbagai cahaya warna dengan berbeda-beda panjang gelombang.
Warna Panjang gelombang
Ungu 400-440nm
Biru 440-495nm
Hijau 495-580nm
Kuning 580-600nm
Orange 600-640nm
Merah 640-750nm
Sebuah prisma atau kisi kisi mempunyai kemampuan untuk menguraikan cahaya
menjadi warna warna spektralnya. Indeks cahaya suatu bahan menentukan panjang
gelombang cahaya mana yang dapat diuraikan menjadi komponen komponennya. Untuk
cahaya ultraviolet adalah prisma dari kristal, untuk cahaya putih adalah prisma
dari kaca, untuk cahaya infrared adalah prisma dari garam batu.
Peristiwa dispersi ini terjadi karena perbedaan indeks bias tiap warna cahaya.
Cahaya berwarna merah mengalami deviasi terkecil sedangkan warna ungu mengalami
deviasi terbesar.
Sudut dispersi:
• F = du - dm
• F = (nu - nm)b
•
o dm = sudut deviasi merah
o du = sudut deviasi ungu
o nu = indeks bias untuk warna ungu
o nm = indeks bias untuk warna merah
Catatan : Untuk menghilangkan dispersi antara sinar ungu dan sinar merah kita
gunakan susunan Prisma Akhromatik. Ftot = F kerona - Fflinta = 0
Untuk menghilangkan deviasi suatu warna, misalnya hijau, kita gunakan susunan
prisma pandang lurus. Dtot = Dkerona - Dflinta = 0
Pendahuluan Gelombang Cahaya
Dalam kehidupan sehari-hari sering Anda mengamati pelangi. Apa yang Anda
ketahui tentang pelangi? Mengapa pelangi terjadi pada saat gerimis atau setelah
hujan turun dan matahari tetap bersinar? Apakah cahaya merupakan suatu
gelombang?
Terhadap permasalahan-permasalahan tersebut, kita sering berpikir bahwa pelangi
adalah warna-warni cahaya yang nampak indah. Pelangi muncul pada saat musim
hujan karena pelangi hanya dihasilkan oleh air hujan. Cahaya merupakan suatu
gelombang elektromagnetik memiliki arah rambat yang sama dengan gelombang
bunyi, jadi termasuk gelombang longitudinal.
Pikiran-pikiran tersebut adalah miskonsepsi. Secara lebih rinci, berikut
disajikan konsepsi ilmiah terkait dengan gelombang cahaya.
Dispersi Cahaya (Disperse Light Wave)
Gelombang dan sifat-sifatnya sebagian sudah dikenal pada waktu membahas getaran
dan gelombang. Pada bagian ini, kita akan membahas gelombang cahaya. Cahaya
merupakan radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat dideteksi mata manusia.
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.
Gejala dispersi cahaya adalah gejala peruraian cahaya putih (polikromatik)
menjadi cahaya berwarna-warni (monokromatik). 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. Disperi pada prisma terjadi karena adanya
perbedaan indeks bias kaca setiap warna cahaya. Perhatikan Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Dispersi cahaya pada prisma
Seberkas cahaya polikromatik diarahkan ke prisma. Cahaya tersebut kemudian
terurai menjadi cahaya merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu.
Tiap-tiap cahaya mempunyai sudut deviasi yang berbeda. Selisih antara sudut
deviasi untuk cahaya ungu dan merah disebut sudut dispersi. Besar sudut
dispersi dapat dituliskan sebagai berikut:
Φ = δu - δm = (nu – nm) β .......................................2.1
Keterangan:
Φ = sudut dispersi
nu = indeks bias sinar ungu
nm = indeks bias sinar merah
δu = deviasi sinar ungu
δm=deviasi sinar merah
Penerapan Dispersi:
Contoh peristiwa dispersi pada kehidupan sehari-hari adalah pelangi. Pelangi
hanya dapat kita lihat apbila kita membelakangi matahari dan hujan terjadi di
depan kita. Jika seberkas cahaya matahari mengenai titik-titik air yang besar,
maka sinar itu dibiaskan oleh bagian depan permukaan air. Pada saat sinar
memasuki titik air, sebagian sinar akan dipantulkan oleh bagian belakang
permukaan air, kemudian mengenai permukaan depan, dan akhirnya dibiaskan oleh
permukaan depan. Karena dibiaskan, maka sinar ini pun diuraikan menjadi pektrum
matahari.Peristiwa inilah yang kita lihat di langit dan disebut pelangi. Bagan
terjadinya proses pelangi dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Proses terjadi pelangi
Interferensi Cahaya
Pada bab 1(gelombang mekanik), Anda telah ketahui bahwa dua gelombang dapat
melalui satu titik yang sama tanpa saling mempengaruhi. Kedua gelombang
gelombang itu memiliki efek gabungan yang diperoleh dengan menjumlahkan
simpangannya. Interferensi adalah paduan dua gelombang atau lebih menjadi satu
gelombang baru. Jika kedua gelombang yang terpadu sefase, maka terjadi
interferensi konstruktif (saling menguatkan). Gelombang resultan memiliki
amplitudo maksimum.
Jika kedua gelombang yang terpadu berlawanan fase, maka terjadi interferensi
destruktif (saling melemahkan). Gelombang resultan memiliki amplitudo nol.
Setiap orang dengan menggunakan sebuah baskom air dapat melihat bagaimana
interferensi antara dua gelombang permukaan air dapat menghasilkan pola-pola
bervariasi yang dapat dilihat dengan jelas. Dua orang yang bersenandung dengan
nada-nada dasar yang frekuensinya berbeda sedikit akan mendengar layangan
(penguatan dan pelemahan bunyi) sebagai hasi interferensi (akan dibahas pada
Bab 3).
Warna-warni pelangi menunjukkan bahwa sinar matahari adalah gabungan dari
berbagai macam warna dari spektrum kasat mata. Di lain fihak, warna pada
gelombang sabun, lapisan minyak, warna bulu burung merah, dan burung kalibri
bukan disebabkan oleh pembiasan. Hal ini terjadi karena interferensi
konstruktif dan destruktif dari sinar yang dipantulkan oleh suatu lapisan
tipis. Adanya gejala interferensi ini bukti yang paling menyakinkan bahwa
cahaya itu adalah gelombang. Interferensi cahaya bisa terjadi jika ada dua atau
lebih berkas sinar yang bergabung. Jika cahayanya tidak berupa berkas sinar,
maka interferensinya sulit diamati. Interferensi cahaya sulit diamati karena
dua alasan:
(1) Panjang gelombang cahaya sangat pendek, kira-kira 1% dari lebar rambut.
(2) Setiap sumber alamiah cahaya memancarkan gelombang cahaya yang fasenya
sembarang (random) sehingga interferensi yang terjadi hanya dalam waktu sangat
singkat.
Jadi, interferensi cahaya tidaklah senyata seperti interferensi pada gelombang
air atau gelombang bunyi. Interferensi terjadi jika terpenuhi dua syarat
berikut ini:
(1) Kedua gelombang cahaya harus koheren, dalam arti bahwa kedua gelombang
cahaya harus memiliki beda fase yang selalu tetap, oleh sebab itu keduanya
harus memiliki frekuensi yang sama.
(2) Kedua gelombang cahaya harus memiliki amplitude yang hampir sama.
Terjadi dan tidak terjadinya interferensi dapat digambarkan seperti pada Gambar
2.3.
Gambar 2.3. (a) tidak terjadi interferensi, (b) terjadi interferensi
Untuk menghasilkan pasangan sumber cahaya kohern sehingga dapat menghasilkan
pola interferensi adalah :
(1) sinari dua (atau lebih) celah sempit dengan cahaya yang berasal dari celah
tunggal (satu celah). Hal ini dilakukan oleh Thomas Young.
(2) dapatkan sumber-sumber kohern maya dari sebuah sumber cahaya dengan
pemantulan saja. Hal ini dilakukian oleh Fresnel. Hal ini juga terjadi pada
pemantulan dan pembiasan (pada interferensi lapisan tipis).
(3) Gunakan sinar laser sebagai penghasil sinar laser sebagai penghasil cahaya
kohern.
Percobaan Interferensi oleh Frenell dan Young
Untuk mendapatkan dua sumber cahaya koheren, A. J Fresnell dan Thomas Young
menggunakan sebuah lampu sebagai sumber cahaya. Dengan menggunakan sebuah
sumber cahaya S, Fresnell memperoleh dua sumber cahaya S1 dan S2 yang kohoren
dari hasil pemantulan dua cermin. Sinar monokromatis yang dipancarkan oleh
sumber S, dipantulkan oleh cermin I dan cermin II yang seolah-olah berfungsi
sebagai sumber S1 dan S2. Sesungguhnya, S1 dan S2 merupakan bayangan oleh
cermin I dan Cermin II (Gambar 2.4)
Gambar 2.4. Percobaan cermin Fresnell
Berbeda dengan percobaan yang dilakukan oleh Fresnell, Young menggunakan dua
penghalang, yang pertama memiliki satu lubang kecil dan yang kedua dilengkapi
dengan dua lubang kecil. Dengan cara tersebut, Young memperoleh dua sumber
cahaya (sekunder) koheren yang monokromatis dari sebuah sumber cahaya
monokromatis (Gambar 2.5). Pada layar tampak pola garis-garis terang dann
gelap. Pola garis-garis terang dan gelap inilah bukti bahwa cahaya dapat
berinterferensi. Interferensi cahaya terjadi karena adanya beda fase cahaya
dari kedua celah tersebut.
Gambar 2.5. Percobaan dua celah oleh Young
Pola interferensi yang dihasilkan oleh kedua percobaan tersebut adalah
garis-garis terang dan garis-garis gelap pada layar yang silih berganti. Garis
terang terjadi jika kedua sumber cahaya mengalami interferensi yang saling
menguatkan atau interferensi maksimum. Adapun garis gelap terjadi jika kedua
sumber cahaya mengalami interferensi yang saling melemahkan atau interferensi
minimum. Jika kedua sumber cahaya memiliki amplitudo yang sama, maka pada
tempat-tempat terjadinya interferensi minimum, akan terbentuk titik gelap sama
sekali. Untuk mengetahui lebih rinci tentang pola yang terbentuk dari
interferensi dua celah, perhatikan penurunan-penurunan interferensi dua celah
berikut.
Pada Gambar 2.6, tampak bahwa lensa kolimator menghasilkan berkas sejajar.
Kemudian, berkas cahaya tersebut melewati penghalang yang memiliki celah ganda
sehingga S¬¬1 dan S2 dapat dipandang sebagai dua sumber cahaya monokromatis.
Setelah keluar dari S1 dan S2, kedua cahaya digambarkan menuju sebuah titik A
pada layar. Selisih jarak yang ditempuhnya (S¬2A – S1A) disebut beda lintasan.
........................................2.2
Gambar 2.6. Percobaan Interferensi Young
Jika jarak S1A dan S2A sangat besar dibandingkan jarak S1 ke S2, dengan S1S2 =
d, sinar S1A dan S2A dapat dianggap sejajar dan selisih jaraknya ΔS = S2B.
Berdasarkan segitiga S1S¬2B, diperoleh
,
dengan d adalah jarak antara kedua celah.
Selanjutnya, pada segitiga COA,
.
Untuk sudut-sudut kecil akan didapatkan
.
Untuk θ kecil, berarti p/l kecil atau p<
................................................2.3
Interferensi maksimum akan terjadi jika kedua gelombang yang tiba di titik A
sefase. Dua gelombang memiliki fase sama bila beda lintasannya merupakan
kelipatan bilangan cacah dari panjang gelombang.
ΔS = mλ ............................................................2.4
Jadi, persamaan interferensi maksimum menjadi
.........................................................2.5
dengan d = jarak antara celah pada layar
p = jarak titik pusat interferensi (O) ke garis terang di A
l = jarak celah ke layar
λ = panjang gelombang cahaya
m = orde interferensi (0, 1, 2, 3, ...)
Spektrum optik
Spektrum optik (cahaya atau spektrum terlihat atau spektrum tampak) adalah
bagian dari spektrum elektromagnetik yang tampak oleh mata manusia. Radiasi
elektromagnetik dalam rentang panjang gelombang ini disebut sebagai cahaya
tampak atau cahaya saja. Tidak ada batasan yang tepat dari spektrum optik; mata
normal manusia akan dapat menerima panjang gelombang dari 400 sampai 700 nm,
meskipun beberapa orang dapat menerima panjang gelombang dari 380 sampai 780 nm
(atau dalam frekuensi 790-400 terahertz). Mata yang telah beradaptasi dengan
cahaya biasanya memiliki sensitivitas maksimum di sekitar 555 nm, di wilayah
hijau dari spektrum optik. Warna pencampuran seperti pink atau ungu, tidak
terdapat dalam spektrum ini karena warna-warna tersebut hanya akan didapatkan
dengan mencampurkan beberapa panjang gelombang.
Panjang gelombang yang kasat mata didefinisikan oleh jangkauan spektral jendela
optik, wilayah spektrum elektromagnetik yang melewati atmosfer Bumi hampir
tanpa mengalami pengurangan intensitas atau sangat sedikit sekali (meskipun
cahaya biru dipencarkan lebih banyak dari cahaya merah, salah satu alasan
menggapai langit berwarna biru). Radiasi elektromagnetik di luar jangkauan
panjang gelombang optik, atau jendela transmisi lainnya, hampir seluruhnya
diserap oleh atmosfer. Dikatakan jendela optik karena manusia tidak bisa
menjangkau wilayah di luar spektrum optik. Inframerah terletak sedikit di luar
jendela optik, namun tidak dapat dilihat oleh mata manusia.
Banyak spesies yang dapat melihat panjang gelombang di luar jendela optik.
Lebah dan serangga lainnya dapat melihat cahaya ultraviolet, yang membantu
mereka mencari nektar di bunga. Spesies tanaman bergantung pada penyerbukan
yang dilakukan oleh serangga sehingga yang berkontribusi besar pada
keberhasilan reproduksi mereka adalah keberadaan cahaya ultraviolet, bukan
warna yang bunga perlihatkan kepada manusia. Burung juga dapat melihat
ultraviolet (300-400 nm).
Warna-warna di dalam spektrum
Meskipun spektrum optik adalah spektrum yang kontinu sehingga tidak ada batas
yang jelas antara satu warna dengan warna lainnya, tabel berikut memberikan
batas kira-kira untuk warna-warna spektrum :[1]
ungu 380-450 nm
biru 450-495 nm
hijau 495-570 nm
kuning 570-590 nm
jingga 590-620 nm
merah 620-750 nm
pink 1000-000 nm
