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
Post a Comment