Cahaya Sebagai Gelombang Elektromagnetik

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 = δm_u – δm_m = (n_u – n_m) 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°

n_m = 1,49

n_u  = 1,52

Ditanyakan: φ = . . .?

Jawab:

φ = (n_u – n_m) 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. Sebaiknya Tahu Film Tiga Dimensi Film ini dibuat dengan menggunakan dua buah kamera atau kamera khusus dengan dua lensa. Di dalam gedung bioskop, kedua film diproyeksikan pada layar secara simultan. Sebuah filter polarisasi yang diletakkan di depan lensa proyektor sebelah kiri akan meneruskan gelombang cahaya dari gambar pada suatu arah  getar tertentu. Bersamaan dengan itu filter lain di bagian kanan akan meneruskan gelombang cahaya tegak lurus arah getar yang dihasilkan oleh filter pertama. Penonton mengenakan kacamata khusus yang berfungsi sebagai filter. Filter ini akan menyebabkan kesan gambar yang diterima oleh mata kiri dankanan akan berbeda. Sehingga kesan gambar tiga dimensi akan terasa. 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