Materi 2, Gelombang Cahaya

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. Pengertian Gelombang Elektromagnetik Seperti telah diuraikan pada pembahasan sebelumnya, gelombang elektromagnetik merupakan gelombang yang tidak memerlukan medium untuk merambat. Seorang ilmuwan fisika asal Skotlandia bernama James Clerk Maxwell menyatakan bahwa gelombang elektromagnetik berupa medan listrik dan medan magnetik yang selalu saling tegaklurus dan keduanya 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 . µ0

(2.1)

Keterangan : c : Cepat rambat gelombang elektromagnetik (m/s) µ : Permeabilitas vakum = 4π × 10-7 Wb A-1 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. Ternyata nilai cepat rambat gelombang elektromagnetik sama dengan cepat rambat cahaya. Sehingga Maxwell menyimpulkan bahwa cahaya tiada lain adalah gelombang elektromagnetik. Selanjutnya, besar cepat rambat gelombang elektromagnetik ini seringkali dibulatkan menjadi c = 3 × 108 m/s. Berdasarkan persamaan Maxwell, bentuk gelombang medan listrik dan medan magnetik dirumuskan sebagai berikut : (2.2) E = Em cos (kx – ω t) (2.3) B = Bm cos (kx – ω t) Jika pers. (2.2) dan (2.3) masing-masing kita turunkan, solusi persamaan akan menjadi : Em E = =c (2.4) Bm 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 Gelombang Elektromagnetik Setiap detik, matahari memancarkan cahayanya dalam bentuk spektrum gelombang 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 gelombang adalah memiliki frekuensi dan panjang gelombang. Secara matematis, hubungan antara frekuensi, panjang gelombang dan cepat rambat gelombang dinyatakan sebagai : λ c = λ. f = (2.5) T

Spektrum gelombang elektromagnetik dibedakan berdasarkan frekuensi atau panjang gelombangnya, adalah sebagai berikut : 1. sinar gamma (γ ) 2. sinar beta (β )Sinar-x 3. sinar alfa (α ) 4. sinar ultraviolet (ultraungu) 5. cahaya tampak, yang terdiri atas : a. ungu b. nila c. biru d. hijau e. kuning f. jingga (oranye) g. merah 6. sinar inframerah (infrared) 7. gelombang mikro, terdiri atas : a. gelombang radar b. gelombang televisi 10

Gelombang Cahaya

8. gelombang radio 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 paling besar (frekuensinya paling kecil), dan sinar gamma memiliki panjang gelombang paling kecil (frekuensinya paling besar). C. Sifat-sifat Gelombang Cahaya Telah dijelaskan di atas bahwa gelombang cahaya atau gelombang elektromagnetik ini merupakan gelombang transversal, yaitu gelombang yang arah getarnya tegaklurus terhadap arah rambatnya. Sifat-sifat gelombang transversal di antaranya : 1. dapat dipantulkan atau dicerminkan (refleksi) 2. dapat dibiaskan (refraksi) 3. dapat dilenturkan (difraksi) 4. dapat dipadukan (superposisi) atau digabungkan (interferensi) 5. dapat dikutubkan (polarisasi) 6. dapat diuraikan (dispersi) D. Interferensi Cahaya 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 Celah

L Layar

Gambar 2.2. Interferensi celah ganda.

Kita bandingkan bahwa jarak antara celah ganda ke layar sangat jauh dibandingkan lebar celah, maka didapatkan hubungan bahwa : sin θ ≈ tan θ =

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, .... L

(2.6)

Bilangan n menyatakan pola terang orde ke-n. Untuk n = 0, disebut terang pusat. Untuk n = 1, disebut terang pertama, dsb.

Cahaya sebagai Gelombang

11

Interferensi minimum (pola gelap) terjadi apabila kedua gelombang berbeda fase 180° dan kelipatannya, yaitu ketika beda lintasannya sama dengan bilangan ganjil setengah panjang gelombang. Secara matematis, syarat terjadinya interferensi minimum adalah : yd  1 =  n + λ ; n = 0, 1, 2, 3, .... L  2

(2.7)

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 N

(2.9)

dengan N adalah banyaknya garis per satuan panjang. E. Difraksi Cahaya Difraksi atau lenturan cahaya terjadi ketika berkas cahaya melewati celah sempit atau penghalang. Difraksi cahaya pada celah tunggal akan menghasilkan pola terang-gelap 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 menganalisis pola difraksi cahaya pada celah tunggal, kita bagi dua lebar celah d. Perhatikan gelombang 1 dan 3 yang keluar dari bawah dan tengah celah. Gelombang 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 dengan n = 1, 2, 3,... 12

(2.10)

Gelombang Cahaya

θ adalah sudut deviasi (sudut simpang) dan λ adalah panjang gelombang cahaya. F. Polarisasi Cahaya 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 interferensi dan difraksi yang dapat terjadi pada gelombang transversal maupun gelombang longitudinal, peristiwa polarisasi hanya terjadi pada gelombang transversal. 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. pemantulan dan pembiasan 2. serapan selektif 3. hamburan G. Tugas 1.

Jelaskan mengapa cahaya termasuk ke dalam gelombang elektromagnetik!

2.

Apakah pengertian fisis dari permitivitas listrik dan permeabilitas magnetik?

3. Kuat medan listrik maksimum dari suatu gelombang cahaya adalah 240 V/m. Berapakah kuat medan magnetik maksimum gelombang cahaya tersebut? 4. Urutkan spektrum gelombang elektromagnetik dari mulai frekuensi yang terendah sampai frekuensi tertinggi! 5. Mengapa langit tampak berwarna biru? Ketika seorang astronaut sedang berada di luar angkasa, apakah langit yang ia lihat akan tampak berwarna biru juga? Jelaskan! 6.

Sebutkan 5 (lima) manfaat gelombang elektromagnetik bagi kehidupan sehari-hari!

Cahaya sebagai Gelombang

13

7. Pada percobaan Young digunakan dua celah sempit yang berjarak 2 mm satu 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. Cahaya monokromatik jatuh pada celah tunggal yang lebarnya 4 2 × 10-4 mm. Jika sudut deviasi gelap pertama adalah 45°, berapakah besarnya panjang gelombang yang digunakan? 9. Seberkas cahaya jatuh tegaklurus pada kisi yang terdiri dari 5000 garis/cm. Jika sudut bias orde ke-2 adalah 30°, berapakah panjang gelombang yang digunakan? 10. Polarisasi dapat terjadi karena pemantulan dan pembiasan, penyerapan selektif dan karena hamburan. Jelaskan proses terjadinya! H. Peta Konsep

REFLEKSI

DIFRAKSI REFRAKSI

GELOMBANG TRANSVERSAL

14

POLARISASI INTERFERENSI

GELOMBANG CAHAYA

DISPERSI

GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

Gelombang Cahaya