2. CAHAYA SEBAGAI GELOMBANG Setelah mempelajari modul ini, diharapkan Anda dapat memahami gelombang cahaya dan sifat-sifatnya secara umum. Secara lebih khusus, Anda diharapkan dapat : Menjelaskan bahwa cahaya termasuk ke dalam gelombang elektromagnetik Menjelaskan urutan spektrum gelombang elektromagnetik Menjelaskan sifat-sifat gelombang cahaya Menjelaskan peristiwa difraksi cahaya Menjelaskan peristiwa interferensi cahaya
A. Pengert Pengertian ian Gelomban Gelombang g Elektromag Elektromagneti netik k
Seperti telah diuraikan pada pembahasan sebelumnya, gelombang elektromagnetik merupakan gelombang gelombang yang tidak memerlukan memerlukan medium medium untuk merambat. merambat. Seorang Seorang ilmuwan ilmuwan fisika fisika asal Skotlandia Skotlandia bernama bernama James Clerk Maxwell menyatakan bahwa gelombang elektromagnetik ber berup upaa meda medan n list listri rik k dan dan meda medan n magn magnet etik ik yang yang sela selalu lu sali saling ng tegak tegaklu luru russ dan dan kedu keduan anya ya tegaklurus terhadap arah rambatan gelombang. Perhatikan gambar berikut! E Em
B
arah rambat
Bm
t –Bm
–Em Gambar 2.1. Skema Gelombang Elektromagnetik.
Dari gambar di atas, jelas bahwa gelombang elektromagnetik juga termasuk ke dalam klasifikasi gelombang transversal. Selanjutnya Maxwell menemukan bahwa besar cepat rambat gelombang elektromagnetik adalah : c=
1
ε 0 . µ 0
(2.1)
Keterangan : Cepat rambat rambat gelomb gelombang ang elektr elektroma omagne gnetik tik (m/s) (m/s) c : Cepat -7 -1 µ : Permeabilitas vakum = 4π × 10 Wb A m-1 0
ε
:
Permitivitas vakum = 8,85 × 10-12 C2 N-1 m-2
Cahaya sebagai Gelombang
9
0
Bila nilai permeabilitas dan permitivitas vakum kita masukan ke dalam persamaan (2.1), maka kita akan mendapatkan sebuah nilai c = 2,99792 × 108 m/s. m/s. Ternya Ternyata ta nilai nilai cepat cepat rambat rambat gelo gelomb mban ang g elek elektr trom omag agne neti tik k sama sama deng dengan an cepa cepatt ramb rambat at caha cahaya ya.. Sehi Sehing ngga ga Maxw Maxwel elll menyimpulkan bahwa cahaya tiada lain adalah gelombang elektromagnetik . Selanjutnya, besar cepat rambat gelombang elektromagnetik ini seringkali dibulatkan menjadi c = 3 × 108 m/s. Berdasa Berdasarka rkan n persam persamaan aan Maxwel Maxwell, l, bentuk bentuk gelomb gelombang ang medan medan listrik listrik dan medan medan magnet magnetik ik dirumuskan sebagai berikut : (2.2) – ω t ) E = E m cos (kx – ω (2.3) – ω t ) B = Bm cos (kx – ω Jika pers. (2.2) dan (2.3) masing-masing kita turunkan, solusi persamaan akan menjadi : E m E c (2.4) B m B =
=
Jadi, pada setiap saat, nilai perbandingan antara amplitudo kuat medan listrik dan kuat medan magnetik dari suatu gelombang elektromagnetik sama dengan cepat rambat cahaya. B. Spektrum Spektrum Gelomban Gelombang g Elektro Elektromagn magnetik etik
Seti Setiap ap deti detik, k, mata mataha hari ri mema memanc ncar arka kan n caha cahaya yany nyaa dala dalam m bent bentuk uk spek spektr trum um gelo gelomb mban ang g elektromagnetik ke segala arah, termasuk ke bumi. Karena cahaya adalah sebuah gelombang, maka cahaya juga memiliki besaran-besaran yang erat kaitannya dengan gelombang. Ciri khas dari dari gelo gelomb mban ang g adal adalah ah memi memilik likii frek frekue uens nsii dan dan panj panjan ang g gelo gelomb mban ang. g. Seca Secara ra mate matema mati tis, s, hubungan antara frekuensi, panjang gelombang dan cepat rambat gelombang dinyatakan sebagai : c
= λ . f =
λ
T
(2.5)
Spek Spektru trum m gelo gelomb mban ang g elek elektr trom omag agne neti tik k dibe dibeda daka kan n berd berdas asar arka kan n freku frekuen ensi si atau atau panj panjan ang g gelombangnya, adalah sebagai berikut : 1. sinar ga gamma (γ ) 2. sinar beta (β )Sinar-x 3. sinar alfa (α ) 4. sinar sinar ultrav ultraviol iolet et (ultrau (ultraungu ngu)) 5. cahaya cahaya tampak tampak,, yang yang terdiri terdiri atas : a. ungu b. nila c. biru d. hijau e. kuning f. jin jingga gga (ora (orany nye) e) g. merah 6. sina sinarr infra inframe merah rah (in (infra frared red)) 7. gelomb gelombang ang mikro, mikro, terdir terdirii atas atas : a. gelom elomba bang ng rada radar r b. b. gelo gelomb mban ang g tele televi visi si 10
Gelombang Cahaya
8. gelo gelomb mban ang g radi radio o Dari spektrum gelombang elektromagnetik di atas, urutan dari atas ke bawah semakin besar panjang gelombangnya. Dengan kata lain, frekuensinya semakin mengecil. Artinya, gelombang radio memiliki panjang gelombang gelombang paling paling besar (frekuensinya (frekuensinya paling kecil), dan sinar gamma memiliki panjang gelombang paling kecil (frekuensinya paling besar).
C. Sifat-si Sifat-sifat fat Gelomban Gelombang g Cahaya Cahaya
Tela Telah h dije dijela lask skan an di atas atas bahw bahwaa gelo gelomb mban ang g caha cahaya ya atau atau gelo gelomb mban ang g elek elektro troma magn gnet etik ik ini ini merupakan gelombang transversal, yaitu gelombang yang arah getarnya tegaklurus terhadap arah rambatnya. Sifat-sifat gelombang transversal di antaranya : 1. dapat apat dipan ipantu tulk lkan an atau atau dicer icermi min nkan kan (re (refl flek eksi si)) 2. dapat dibiaskan (refraksi) 3. dapat di dilenturkan (d (difraksi) 4. dapa dapatt dipa dipadu duka kan n (sup (superp erpos osis isi) i) atau atau diga digabu bung ngka kan n (int (inter erfer feren ensi si)) 5. dapat dikutubkan (polarisasi) 6. dapat diuraikan (dispersi)
D. Inter Interfer ferens ensii Cahay Cahaya a
Apabila dua buah cahaya yang koheren dilewatkan pada celah ganda, maka perpaduannya (interferensinya) memiliki pola teratur dan terdapat pada layar sebagai garis terang (interferensi maksimum) dan gelap (interferensi minimum). Perhatikan gambar berikut!
θ y
θ
d
d sin θ L Celah
Layar
Gambar 2.2. Interferensi celah ganda.
Kita bandingkan bahwa jarak antara celah ganda ke layar sangat jauh dibandingkan lebar celah, sin θ ≈ tan tan θ = maka didapatkan hubungan bahwa : sin
y L
Interferensi maksimum (pola terang) terjadi apabila kedua gelombang memiliki fase yang sama (360° dan kelipatannya), yaitu beda lintasannya sama dengan nol atau kelipatan dari panjang gelombang. Secara matematis, syarat terjadinya interferensi maksimum adalah : yd = nλ ; n = 0, 1, 2, 3, .... (2.6) L Bilangan n menyatakan menyatakan pola terang orde ke-n. Untuk n = 0, disebut terang pusat. pusat. Untuk n = 1, disebut terang pertama, dsb.
Cahaya sebagai Gelombang
11
Interferensi minimum (pola gelap) terjadi apabila kedua gelombang berbeda fase 180 ° dan kelipatanny kelipatannya, a, yaitu ketika beda lintasannya lintasannya sama dengan bilangan ganjil setengah setengah panjang gelombang. Secara matematis, syarat terjadinya interferensi minimum adalah : yd 1 = n + λ ; n = 0, 1, 2, 3, .... (2.7) L 2
dengan y adalah jarak pita ke terang pusat, L adalah jarak celah ke layar dan d adalah lebar celah. Untuk menentukan jarak antara dua pita terang atau dua pita gelap yang berdekatan, secara umum kita dapat menghitung dengan persamaan : Lλ ∆ y = (2.8) 2d
Untuk menentukan tetapan kisi : d =
1
(2.9)
N
dengan N adalah banyaknya garis per satuan panjang.
E. Difr Difrak aksi si Caha Cahaya ya
Difra Difraks ksii atau atau lent lentur uran an caha cahaya ya terj terjad adii keti ketika ka berk berkas as cahay cahayaa mele melewa wati ti cela celah h semp sempit it atau atau pen pengh ghal alan ang. g. Difra Difraks ksii caha cahaya ya pada pada celah celah tung tungga gall akan akan meng mengha hasi silk lkan an pola pola teran terangg-ge gela lap p berselang-seling pada layar yang berada di belakang celah. Perhatikan gambar berikut. 5 4
θ
3 2
d/2 d
1 d/2
90°
Gambar 2.3. Difraksi Celah Tunggal.
Untuk Untuk mengan menganalis alisis is pola pola difrak difraksi si cahaya cahaya pada pada celah celah tungga tunggal, l, kita kita bagi bagi dua lebar lebar celah celah d . Perh Perhat atik ikan an gelo gelomb mban ang g 1 dan dan 3 yang yang kelu keluar ar dari dari bawa bawah h dan dan tenga tengah h celah celah.. Gelo Gelomb mban ang g 1 menempuh lintasan yang lebih jauh dibandingkan gelombang 3 dengan beda lintasan (d/2) sin θ . Interferensi minimum (pita gelap) terjadi jika kedua gelombang berbeda fase 180 ° atau beda lintasannya sama dengan setengah dari panjang gelombang. Secara umum, dapat kita nyatakan bahwa pita gelap ke- n, terjadi jika : d sin θ
=
nλ
(2.10)
dengan n = 1, 2, 3,...
12
Gelombang Cahaya
θ adalah sudut deviasi (sudut simpang) dan λ adalah panjang gelombang cahaya. F. Pola Polari risa sasi si Caha Cahaya ya Ketika Anda menggunakan kacamata berwarna hitam, Anda akan mendapatkan di sekeliling Anda tampak meredup. Kenyataan tersebut terjadi karena cahaya yang mengenai mata telah terpolarisasi oleh kacamata hitam Anda. Polarisasi adalah peristiwa terserapnya sebagian atau seluruh arah getar gelombang. Berbeda dengan dengan interfe interferen rensi si dan difrak difraksi si yang yang dapat dapat terjad terjadii pada pada gelomb gelombang ang transve transversa rsall maupun maupun gelomb gelombang ang longit longitudi udinal nal,, perist peristiwa iwa polari polarisas sasii hanya hanya terjadi terjadi pada pada gelomb gelombang ang transve transversa rsal. l. Perhatikan gambar berikut.
a
b Gambar 2.4. Polarisasi.
Ketika arah getar gelombang tali sejajar dengan sumbu polarisator (bayangkan seperti pintu terbuka), seluruh arah getar gelombang akan diserap (Gambar2.4.a). Tetapi, ketika arah getar gelombang tegaklurus sumbu polarisator, tidak ada arah getar yang diserap (Gambar 2.4.b). Polarisasi dapat terjadi karena : 1. pema pemant ntul ulan an dan dan pem pembi bias asan an 2. sera serapa pan n sele selekt ktif if 3. hamburan
G. Tugas
1.
Jela Jelask skan an meng mengap apaa cah cahay ayaa term termas asuk uk ke dala dalam m gelo gelomb mban ang g ele elekt ktro roma magn gnet etik ik!!
2.
Apak Apakah ah pen penge gert rtian ian fisis fisis dari dari perm permiti itivi vita tass list listri rik k dan dan perm permea eabi bili litas tas magn magnet etik ik??
3. Kuat medan listrik rik maksimum dari suatu gelombang cahaya adala alah 240 V/m. Berapakah kuat medan magnetik maksimum gelombang cahaya tersebut? 4. Urut Urutka kan n spekt pektru rum m gelo gelomb mban ang g elek elektr trom omag agne neti tik k dari dari mula mulaii frek frekue uens nsii yang yang tere terend ndah ah sampai frekuensi tertinggi! 5. Meng Mengap apaa langi langitt tampa tampak k berwa berwarn rnaa biru? biru? Keti Ketika ka seor seoran ang g astro astrona naut ut seda sedang ng ber berad adaa di luar angkasa, apakah langit yang ia lihat akan tampak berwarna biru juga? Jelaskan! 6.
Sebu Sebutk tkan an 5 (li (lima ma)) manf manfaa aatt gelom gelomba bang ng ele elekt ktro roma magn gneti etik k bagi bagi keh kehid idup upan an seh sehari ari-h -har ari! i!
Cahaya sebagai Gelombang
13
7. Pada Pada per perco coba baan an You Young ng dig digun unak akan an dua dua cel celah ah sem sempi pitt yang yang berj berjar arak ak 2 mm sat satu u sama sama lain dan layar dipasang 1 meter di belakang celah. Jika pada layar dihasilkan terang kedua pada jarak 0,5 mm dari terang pusat, berapakah besar panjang gelombang yang digunakan? 8. Caha Cahaya ya mon monok okro roma mati tik k jatu jatuh h pad padaa cela celah h tung tungga gall yang yang leba lebarn rnya ya 4 2 × 10-4 mm. Jika sudut sudut devias deviasii gelap gelap pertam pertamaa adalah adalah 45°, berapa berapakah kah besarn besarnya ya panjan panjang g gelomb gelombang ang yang yang digunakan? 9. Sebe Seberk rkas as caha cahaya ya jatu jatuh h tegak tegaklu luru russ pada pada kisi kisi yang yang terdi terdiri ri dari dari 5000 5000 gar garis is/c /cm. m. Jika Jika sudut bias orde ke-2 adalah 30 °, berapakah panjang gelombang yang digunakan? 10. 10. Pola Polaris risas asii dapat dapat terjad terjadii karen karenaa pema pemant ntul ulan an dan pemb pembias iasan an,, penyer penyerap apan an selek selekti tiff dan dan karena hamburan. Jelaskan proses terjadinya!
H. Peta Peta Kons Konsep ep
REFLEKSI
DIFRAKSI REFRAKSI
GELOMBANG TRANSVERSAL
14
POLARISASI INTERFERENSI
GELOMBANG CAHAYA
DISPERSI
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Gelombang Cahaya
