Chapter 08 Cahaya sebagai Gelombang

CAHAYA SEBAGAI GELOMBANG

Jejak kajian tentang cahaya secara mendalam bisa kita lacak sejak peradaban Yunani kuno bahkan jauh sebelumnya. Ilmuwan kunci dalam kajian ini ialah Euclid yang amat masyhur dengan pendapatnya, “manusia dapat melihat karena mata mengirimkan cahaya kepada benda“. Pendapat Euclid bertahan cukup lama sampai kemudian muncul Alhazen yang bernama asli Ibnu al-Haitham (965-1038). Al Hazen berhasil membuktikan kekeliruan pendapat Euclid. Menurutnya, yang benar adalah justru sebaliknya. Kita dapat melihat karena ada cahaya dari benda yang sampai ke mata kita. Bukti untuk menyanggah pendapat Euclid sangatlah sederhana. Dapatkah kita melihat dalam kegelapan malam yang begitu pekat? Jika kita bisa melihat karena mata kita yang mengirimkan cahaya, maka tentu dalam keadaan yang bagaimanapun kita akan dapat melihat. Oleh karena kita hanya dapat melihat dalam suasana yang terang cahaya, maka tentulah kita dapat melihat karena benda mengirimkan cahaya ke mata kita.

Dalam perkembangan selanjutnya, beberapa fisikawan tertarik untuk mengetahui cepat rambat cahaya ini. Fisikawan pertama yang dianggap berhasil melakukan Dalam perkembangan selanjutnya, beberapa fisikawan tertarik untuk mengetahui cepat rambat cahaya ini. Fisikawan pertama yang dianggap berhasil melakukan

Perkembangan berikutnya tentang kajian cahaya ditengarai dengan terbitnya teori korpuskular cahaya yang diusulkan oleh ’begawan’ fisika klasik Isaac Newton (1642- 1727). Dalam teori ini, Newton mengganggap cahaya sebagai aliran partikel (butir-butir cahaya) yang menyebabkan timbulnya gangguan pada eter di dalam ruang. Eter merupakan zat hipotetis (artinya masih perlu diuji) yang dipercaya mengisi seluruh ruang jagad raya. Teori korpuskular cahaya dipercaya oleh fisikawan-fisikawan berikutnya sampai penghujung abad ke-18.

Pada awal abad ke-19, tepatnya tahun 1801, Thomas Young (1773-1829) menemukan adanya peristiwa interferensi pada cahaya. Peristiwa ini merupakan pertanda bahwa teori gelombang diperlukan untuk menjelaskan hakikat cahaya. Usulan Young diperkuat oleh James Clerk Maxwell (1831-1879) yang menyatakan bahwa cahaya merupakan bagian dari gelombang elektromagnetik. Saat itu, Maxwell masih yakin bahwa gelombang elektromagnetik membutuhkan medium khusus untuk dapat merambat dan ia menamakan medium tersebut sebagai eter bercahaya.

Sayang sekali, keyakinan Maxwell bahwa gelombang elektromagnetik memerlukan medium eter dalam perambatannya dipatahkan oleh fisikawan Michelson dan Morley melalui sebuah percobaan pada tahun 1887. Hasil percobaan Michelson- Morley menegaskan bahwa eter sesungguhnya tidak ada. Sehingga cahaya (sebagai salah satu gelombang elektromagnetik) tidak memerlukan medium untuk merambat.

Upaya penyingkapan rahasia cahaya terus berkembang. Pada tahun 1905 Einstein (1879-1955) menunjukkan bahwa efek fotolistrik hanya dapat dijelaskan dengan menganggap bahwa cahaya terdiri dari aliran diskrit (tidak kontinyu) foton energi elektromagnetik

Sampai pada tahap ini, kita melihat bahwa ada dua paham besar dalam teori cahaya, yakni paham yang percaya bahwa cahaya dapat dijelaskan dengan menganggapnya sebagai partikel (teori korpuskular) dan paham kedua yang percaya bahwa cahaya hanya dapat dijelaskan jika kita menganggapnya sebagai gelombang (teori undulasi ). Kedua paham itu silih berganti merebut pengaruh dengan argumentasi yang meyakinkan.

Pertentangan dua pendapat ini memang sangat pelik. Pada beberapa gejala, cahaya menunjukkan wataknya sebagai partikel. Tetapi pada beberapa gejala yang lain cahaya tampil sebagai gelombang. Dan tentu saja, betapa tidak mudah untuk menyelesaikan perselisihan ilmiah ini dengan menyusun suatu model yang secara kompak bisa memaparkan watak gelombang dan partikel yang dimiliki oleh cahaya. Pertentangan-pertentangan ini perlahan-lahan menjadi reda seiring berkembangnya teori kuantum sejak 1900-an. Teori ini sejatinya cenderung pada paham korpuskular. Teori ini menganggap bahwa cahaya adalah partikel (foton) yang memiliki aspek gelombang. Aspek gelombang ini menuntun kita menentukan keadaan foton-foton itu secara statistik. Dalam perkembangan selanjutnya, juga tampak nyata bahwa elektron dan partikel- partikel elementer menunjukkan perilaku yang serupa (lihat bab 6 buku ini).

Dalam bab ini kita akan mempelajari cahaya tetapi khusus yang menyangkut aspek gelombangnya. Kita akan membahas beberapa gejala terkait dengan cahaya sebagai gelombang, tepatnya gelombang elektromagnetik. Gejala-gejala tersebut tidak mungkin dijelaskan dengan optika geometrk. Gejala-gejala yang dimaksud adalah difraksi, interferensi dan polarisasi. Gejala pembiasan dan pemantulan telah kita pelajari secara mendalam dalam bab 6 buku jilid 1. Oleh karenanya tidak akan dibahas di sini. Agar lebih mudah memahami hal-hal yang akan disajikan dalam bab ini, anda disarankan untuk memperkuat kembali pemahaman anda tentang konsep-konsep dasar gelombang.

2.1 Perubahan Fase Gelombang Cahaya

2.1.1 Karena Perubahan Kerapatan Medium

Persamaan cepat rambat gelombang cahaya (gelombang elektromagnetik) dapat diperoleh melalui persamaan-persamaan Maxwell (telah dibahas dalam bab gelombang elektromagnetik dan optika geometrik). Hasil perhitungan dari persamaan-persamaan Maxwell menunjukkan bahwa cepat rambat gelombang elektromagnetik di dalam suatu medium adalah

dengan ε menyatakan permitivitas listrik medium tempat menjalarnya gelombang elektromagnetik dan μ adalah permeabilitas magnetik medium itu. Permitivitas listrik dan permeabilitas magnetik merupakan watak khas suatu medium. Oleh karena itu, cepat rambat atau laju rambat gelombang elektromagnetik sangat tergantung dari medium

9 tempat ia menjalar. Dalam ruang hampa, -1 ε = ε

0 = [(4 )( 9 × 10 ) ] farad/meter atau

8,85 × 10 2 coulomb /N.m dan μ=μ

0 = 4  × 10 henry/meter atau 1,26 × 10 N/A . Dengan memasukkan kedua tetapan tersebut ke dalam persamaan (2.1) maka akan

didapat nilai cepat rambat gelombang elektromagnetik di ruang hampa sebesar c = 3 ×10 8 m/dt.

Untuk medium lain, nilai permitivitas listriknya menjadi    r  0 dan permeabilitas magnetiknya    r  0 sehingga laju rambat gelombangnya menjadi

dengan ε r dan μ r masing-masing merupakan permitivitas relatif dan permeabilitas relatif medium dan n menyatakan ukuran kerapatan medium yang kemudian disebut indeks bias medium. Oleh karena permeabilitas relatif berbagai macam bahan pada umumnya

mendekati nilai 1, maka n   r permitivitas listriknya saja. Tabel 2.1 menyajikan nilai indeks bias beberapa bahan.

Tabel 2. 1 Beberapa indeks bias Medium

Indeks bias

Air

Etil alkohol

Karbon bisulfida

Udara (1 atm 20  C)

Metilin Iodida

Leburan kuarsa

Gelas, kaca krona (Crown)

Gelas, flinta

Natrium Klorida

Telah dijelaskan dalam bab optika geometrik bahwa perpindahan berkas cahaya dari satu medium ke medium yang lain akan disertai adanya pemantulan dan pembiasan. Dalam bagian ini kita akan menyaksikan gejala lain yang menyangkut aspek gelombang cahaya, yakni perubahan fase. Telah dijelaskan pula bahwa dalam perpindahan cahaya dari satu medium ke medium yang lain besaran yang tidak berubah adalah ferkuensi. Sekarang, bila seberkas sinar memiliki panjang gelombang  dalam ruang hampa, maka anda dapat membuktikan sendiri bahwa sinar itu dalam suatu medium berindeks bias n, akan memiliki panjang gelombang

Jadi, panjang gelombang sinar itu berubah dengan faktor 1/n. Semakin rapat suatu medium, maka panjang gelombang sinar yang melaluinya semakin pendek. Ini berarti jumlah gelombang (lebih tepatnya kalau disebut sebagai jumlah getaran) yang melalui medium itu menjadi lebih banyak dibandingkan di ruang hampa atau di medium lain yang kurang rapat untuk jarak tempuh yang sama. Marilah kita lihat hal ini lebih seksama. Andaikan seberkas sinar yang diceritakan di atas menempuh jarak sejauh L dalam medium itu, maka jumlah gelombang yang ada adalam rentang jarak L itu adalah

L nL

=n L = nN,

dengan N adalah jumlah gelombang dalam rentang jarak yang sama di ruang hampa. Karena n > 1, maka N n > N. Ini menegaskan pernyataan di atas. Satu istilah lagi, lintasan optis adalah hasil kali antara indek bias dengan panjang lintasan geometrik yang dilalui oleh cahaya. Dalan kasus di atas lintasan optis bagi berkas sinar tersebut adalah nL.

Sekarang ambilah dua kaca plan paralel dengan ukuran yang sama tetapi terbuat dari bahan yang berbeda. Masing-masing memiliki indeks bias n 1 dan n 2 . Letakkanlah Sekarang ambilah dua kaca plan paralel dengan ukuran yang sama tetapi terbuat dari bahan yang berbeda. Masing-masing memiliki indeks bias n 1 dan n 2 . Letakkanlah

(dengan kata lain, kedua berkas itu koheren). Andaikan  1 fase sinar yang melalui kaca pertama tepat sebelum masuk ke kaca plan paralel pertama dan  2 fase sinar yang melalui kaca plan paralel kedua tepat sebelum masuk ke kaca itu. Jadi, sebelum memasuki kaca plan paralel terdapat beda fase sebesar  2 −  1 . Untuk jarak tempuh sejauh L, yakni panjang kedua kaca plan paralel, kedua berkas sinar itu memiliki jumlah gelombang yang berbeda, yakni

Dan

N 2 = n 2 L, 

dengan  panjang gelombang berkas sebelum memasuki kaca plan paralel. Fase gelombang cahaya

L tepat setelah keluar dari kaca plan paralel pertama adalah

Gambar 2.1

 1 +2 N 1 =  1 +2 n 1 L. 

Sedangkan fase gelombang cahaya tepat setelah keluar dari kaca plan paralel kedua adalah

 2 +2 N 2 =  2 +2 n 2 L. 

Beda fase kedua berkas itu tepat setelah keluar dari kaca plan paralel adalah

 2 − 1 +2 (n 2 −n 1 ) L. 

Terlihat adanya perubahan beda fase senilai

2 (n 2 −n 1 ) L.

Khususnya, bila kedua berkas itu memiliki fase yang sama tepat sebelum memasuki masing-masing kaca plan paralel, maka timbul beda fase senilai yang ditunjukkan oleh ungkapan (2.3). Kesimpulannya adalah : Perbedaan fase antara dua berkas sinar yang koheren dapat berubah manakala kedua berkas sinar itu melalui dua bahan yang mempunyai indeks bias (kerapatan) berbeda .

Sebagaimana telah dijelaskan pada bab 1 bahwa superposisi dua gelombang yang koheren menghasilkan penguatan pada beberapa tempat dan pelemahan di beberapa Sebagaimana telah dijelaskan pada bab 1 bahwa superposisi dua gelombang yang koheren menghasilkan penguatan pada beberapa tempat dan pelemahan di beberapa

2.1.2 Karena Pemantulan

Perubahan fase gelombang cahaya dapat pula diakibatkan oleh peristiwa pemantulan. Tetapi perubahan fase yang terjadi akibat pemantulan bersifat diskret dan lebih tepat kalau disebut pembalikan fase. Pemantulan cahaya oleh bidang batas dua medium yang memiliki indeks bias berbeda dapat dianalogikan dengan pemantulan gelombang yang merambat pada tali (lihat kembali bab 1 buku ini) dengan ujung tetap dan ujung bebas. Bila cahaya datang dari medium dengan indeks bias lebih tinggi dan dipantulkan oleh medium dengan indeks bias yang lebih rendah, maka tidak ada perubahan atau pembalikan fase. Hal ini terjadi sebagaimana pada pemantulan gelombang yang merambat pada tali oleh ujung bebas. Bila cahaya menjalar dari medium dengan indeks bias lebih rendah dan dipantulakn oleh permukan medium dengan indeks bias lebih tinggi maka terjadi pembalikan fase, yakni mengalami perubahan fase sebesar . Hal ini terjadi sebagaimana pada pemantulan gelombang yang merambat pada tali oleh ujung tetap. Pembalikan fase oleh pemantulan ini mengakibatkan misalnya gejala interferensi pada lapisan tipis seperti gelembung sabun ataupun tumpahan minyak tanah di atas air. Gejala lain yang diakibatkan oleh pembalikan fase akibat pemantulan ini adalah peristiwa interferensi pada cermin Llyod.

Latihan Konsep 2.1 :

1. Dari uraian di atas, terlihat bahwa gelombang cahaya mengalami perubahan pada saat cahaya itu berpindah dari satu medium ke medium yang lain, sedangkan frekuensi cahaya itu tidak berubah. Pengalaman keseharian menunjukkan bahwa cahaya tidak mengalami perubahan warna pada saat berpindah medium. Hal ini dapat dibuktikan dengan menjatuhkan sebuah benda ke dalam bak mandi yang terisi air. Benda itu tetap berwarna merah di dalam air manakala benda itu juga berwarna merah di udara. Lalu apa sesungguhnya yang menentukan warna cahaya?

2. Hitunglah cepat rambat cahaya dalam beberapa medium yang nilainya tercantum dalam tabel 2.1! Hitunglah jumlah gelombang cahaya merah yang merambat dalam medium-medium itu untuk jarak tempuh sejauh 1 meter. Berapakah panjang gelombang cahaya merah dalam medium-medium itu?

3. Perhatikanlah gambar 2.1. Andaikan berkas cahaya yang dilewatkan dalam medium-medium itu memiliki panjang gelombang  dan masing-masing medium itu memiliki tebal yang sama, katakanlah d. Bila indeks bias ketiga medium itu

berturut-turut n X ,n Y dan n Z , pada saat melewati medium manakah berkas cahaya itu memiliki jumlah gelombang (jumlah getaran) paling banyak? Hitunglah perubahan fase yang dialami berkas cahaya itu!

 in udara

medium X

2.2 Dispersi

Cahaya matahari bersifat polikromatik, medium Y

artinya terdiri dari banyak frekuensi. Di ruang hampa seluruh frekuensi yang dimiliki cahaya merambat dengan kecepatan yang sama. Tetapi

medium Z begitu ia memasuki medium, kerapatan medium itu besarnya berlainan untuk tiap-tiap frekuensi, sehingga masing-masing frekuensi merambat  dengan kecepatan yang berbeda satu dari yang

Gambar 2.2

lain. Dengan suatu teknik tertentu (memakai prisma, misalnya), cahaya akan terurai menjadi

komponen-komponenya, mulai dari warna merah dengan frekuensi paling rendah sampai dengan warna ungu dengan frekuensi paling tinggi. Kita menyebut spektrum cahaya matahari ini dengan istilah pelangi.

Gejala seperti ini dikenal sebagai peristiwa penguaraian cahaya atau dispersi, yaitu peristiwa penguraian gelombang elektromagnetik berfrekuensi banyak (polikromatik) atas komponen-kompnennya yang berfrekuensi tunggal (monokromatik).

Salah satu gejala alamiah yang terjadi sebagai akibat dispersi adalah pelangi. Gejala ini tentu sangat kita kenali, tetapi belum tentu kita pahami dengan baik. Medium pengurainya adalah titik-titik air di angkasa setelah hujan turun. Kita bisa menemukan gejala yang serupa dengan pelangi pada saat bertamasya di sekitar air terjun pada siang hari. Semenatara di dalam laboratorium, anda dapat menampilkan dispersi dengan menggunakan prisma atau kekisi penghambur (difraksi) atau melalui interferensi. Pada saat cahaya berada di dalam bahan prisma, warna-warna cahaya akan terpecah. Pecahan warna-warna ini akan keluar sebagai spektrum pelangi karena memiliki sudut pembelokan yang

Gambar 2.3 Spektrum war- berbeda-beda (lihat kembali bab 6 jilid 1). Indeks bias untuk warna merah dan ungu dari na pelangi yang indah

beberapa bahan bening dapat kita lihat dalam tabel

2.2. Tampak bahwa indeks bias untuk warna ungu lebih besar daripada indeks bias untuk warna merah. Sebab itulah, urutan pelangi adalah warna merah dulu di sebelah atas kemudian berturut-turut sampai dengan ungu, persis yang ditampilkan oleh dispersi pada prisma. Lebar spektrum pelangi diukur dengan sudut dispersi. Secara geometri sudut dispersi tergantung pada sudut atap prisma dan dapat dihitung dengan menerapkan hukum Snellius.

Tabel 2. 2 Indeks bias warna merah dan ungu dalam beberapa bahan

Bahan Indeks warna Indeks warna merah

1,6040 Kaca krona

Kaca flinta

Bila seberkas sinar berfrekuensi f jatuh dari udara dengan sudut datang  pada permukaan sebuah prisma yang memiliki sudut atap  dan indeks bias terhadap sinar itu n f , maka sinar itu akan dibelokkan dari arah semula dengan sudut pembelokan sebesar

f =     sin [ n f  sin  sin   sin  cos  ] .

Gambar 2.4 Pembelokan oleh prisma di udara

Dispersi juga bisa terjadi pada lensa. Namun, acapkali dispersi seperti ini bersifat merugikan sehingga kehadirannya tidak diinginkan, misalnya pada lensa kamera. Untuk melenyapkan gejala dispersi pada lensa kamera kita dapat membuat susunan lensa yang akromatik. Cahaya putih akan masuk ke lensa pertama dan terjadi dispersi. Spektrum Dispersi juga bisa terjadi pada lensa. Namun, acapkali dispersi seperti ini bersifat merugikan sehingga kehadirannya tidak diinginkan, misalnya pada lensa kamera. Untuk melenyapkan gejala dispersi pada lensa kamera kita dapat membuat susunan lensa yang akromatik. Cahaya putih akan masuk ke lensa pertama dan terjadi dispersi. Spektrum

Contoh 1 : Sebuah prisma dengan sudut atap 30° terbuat dari kaca krona. Sebuah berkas cahaya putih jatuh pada prisma itu dengan sudut datang 60°. Hitunglah sudut dispersi pada prisma itu!

Jawab : Dari tabel tampak bahwa indeks bias sinar merah untuk kaca krona adalah Pembelokan sinar merah adalah 1,52. Jadi, dari persamaan (2.4) didapatkan

 1 2 2  merah =     sin [ n merah  sin  sin   sin  cos  ]  1 2 2 60 =   30   sin [ ( 1 , 52 )  sin 60  sin 30   sin 60  cos 30  ] = 22,8°

Karena indeks bias sinar ungu untuk kaca krona 1,54, maka dengan cara yang sama diperoleh bahwa  ungu = 23,5°. Jadi, perbedaan sudut pembelokan sinar merah dari sinar ungu adalah 0,7°. Inilah sudut dispersi pada prima itu.

Latihan Konsep :

1. Mengapa gemerlap warna-warni cahaya intan lebih indah dibandingkan dengan dengan yang dimiliki oleh kaca biasa walau bentuknya sama?

2. Berapakah perbedaan sudut pembelokan pada Contoh 1 seandainya prisma krona itu diganti dengan prima intan?

3. Andaikan seberkas cahaya putih jatuh secara tegak lurus pada permukaan kaca plan paralel yang terbuat dari intan. Berapakah beda fase antara gelombang cahaya merah tepat sebelum masuk kaca dan tepat sesudah meninggalkan kaca jika cahaya itu menempuh jarak sejauh L dalam kaca itu? Berapakah beda fase antara gelombang cahaya ungu tepat sebelum masuk kaca dan tepat sesudah meninggalkan kaca?

4. Selisih antara sudut pembelokan sinar ungu dan sinar merah pada kaca krona dalam Contoh 1 sangatlah kecil, yakni hanya 0,7°. Dapatkah pelangi yang dihasilkan oleh prisma tersebut kita lihat dengan mata telanjang?

2.3 Interferensi

Christian Huygens, fisikawan Belanda, pada tahun 1678 mengusulkan suatu teori undulasi tentang cahaya secara meyakinkan. Dibandingkan dengan teori yang diusulkan oleh Maxwell kira-kira dua abad setelahnya teori Huygens secara matematis tampak jauh lebih sederhana. Walaupun demikian teori Huygens masih cukup bermanfaat hingga kini. Berikut adalah prinsip Huygen tentang perambatan gelombang cahaya : Semua titik pada muka gelombang bertindak sebagai sumber bagi gelombang sekunder dengan muka gelombang berupa permukaan bola (gelombang semacam ini disebut gelombang seferis). Dalam selang waktu t setelah itu, muka gelombang utama (primer) ditentukan sebagai Christian Huygens, fisikawan Belanda, pada tahun 1678 mengusulkan suatu teori undulasi tentang cahaya secara meyakinkan. Dibandingkan dengan teori yang diusulkan oleh Maxwell kira-kira dua abad setelahnya teori Huygens secara matematis tampak jauh lebih sederhana. Walaupun demikian teori Huygens masih cukup bermanfaat hingga kini. Berikut adalah prinsip Huygen tentang perambatan gelombang cahaya : Semua titik pada muka gelombang bertindak sebagai sumber bagi gelombang sekunder dengan muka gelombang berupa permukaan bola (gelombang semacam ini disebut gelombang seferis). Dalam selang waktu t setelah itu, muka gelombang utama (primer) ditentukan sebagai

muka gelom-

muka gelombang

bang pada saat t

setelah selang waktu t

Gambar 2.5

Titik-titik pada muka gelombang berperan sebagai sumber ge- lombang sekunder dengan muka seferis

c t

2.3.1 Celah Ganda Young

Untuk pertama kalinya, teori bahwa cahaya adalah gelombang menjadi cukup kokoh setelah Thomas Young (1773-1819) berhasil memperagakan terjadinya interferensi cahaya pada tahun 1801 melalui percobaan yang dikenal sebagai interferensi celah ganda. Dinamakan demikian karena percobaan ini melibatkan sebuah plat yang diberi dua celah yang cukup sempit (seukuran dengan panjang gelombang cahaya yang digunakan). Dalam percobaan tersebut, Young berhasil pula memperoleh panjang gelombang cahaya dan ia menjadi orang pertama yang menemukannya.

Gambar 2.6 Thomas Young (1773-1819)

Sekali lagi, terjadinya interferensi adalah akibat adanya peristiwa superposisi gelombang, yakni perpaduan dua gelombang atau lebih yang menghasilkan gelombang baru. Seperti yang telah anda pelajari pada bab terdahulu, perpaduan dua gelombang dapat menghasilkan suatu gelombang dengan amplitudo lebih besar (penguatan) ataupun sebuah gelombang dengan amplitudo lebih kecil (pelemahan) bahkan nol atau lenyap. Pelemahan maksimum terjadi bilamana kedua gelombang itu berada pada fase yang saling berlawanan. Sedangkan penguatan maksimum terjadi bilamana kedua gelombang itu berada pada fase yang sama. Karena amplitudo berkaitan dengan intensitas cahaya, maka interferensi pada cahaya akan menghasilkan daerah-daerah gelap dan juga daerah-

Garis terang Garis gelap

Garis terang Garis gelap

Garis terang Garis gelap

r ya

La

(b) Gambar 2.7 Pola interferensi yang terjadi karena cahaya melewati dua celah (celah ganda)

(a)

daerah terang. Pola interferensi gelap dan terang merupakan bentuk lain dari simpul dan perut gelombang. Eksperimen Young melibatkan sebuah dinding yang padanya dibuat dua celah yang telah diatur jaraknya. Kemudian berkas cahaya dengan muka gelombang berupa bidang datar dijatuhkan pada kedua celah itu. Pada gilirannya kedua celah itu akan berperan sebagai sumber cahaya skunder yang memancarkan cahaya dengan muka gelombang seferis. Pola-pola gelap terang kemudian dapat dilihat pada layar yang dipasang di belakan celah ganda itu. Gambar 2.7 menjelaskan bagaimana pola-pola itu dapat dihasilkan. Lingkaran-lingkaran putih pada gambar 2.7 itu menggambarkan muka gelombang dengan simpangan maksimum (puncak). Lingkaran-lingkaran gelap menggambarkan muka-muka gelombang dengan simpangan minimum (lembah). Pola- pola terang gelap akhirnya dapat dilihat di layar. Gambar 2.7 (b) adalah prespektif bagi gambar 2.7 (a). Pada gambar 2.7 (b) pola gelap-terang terlihat lebih nyata .

Sekarang kita lihat masalah ini lebih seksama. Untuk itu perhatikan titik P yang berada pada layar (gambar 2.8). Kedua sinar yang berasal dari celah S 1 dan S 2 yang tiba di P, mempunyai fase yang sama saat masih di celah sumber. Hal ini disebabkan keduanya berasal dari satu gelombang yang sama dari gelombang datang. Karena panjang

berkas sinar

Gambar 2.8 Sinar dari S 1 dan S 2 bergabung di titik P. Berkas cahaya yang datang di layar B dianggap sejajar. Dalam kenyataan, jarak antara layar B dan C >> jarak antara 2 celah (D >> d). Gambar ini dibuat untuk memudahkan penggambaran

lintasan optis kedua sinar untuk sampai di P tidak sama, maka di titik ini fase keduanya pun berbeda. Keadaan interferensi di titik P (yakni terang gelapnya titik P) ditentukan

oleh banyaknya panjang gelombang yang termuat dalam segmen S 1 b, yaitu beda lintasannya.

Garis-Garis Terang Garis-garis terang adalah hasil perpaduan yang saling menguatkan secara

maksimum. Garis-garis terang terjadi apabila kedua cahaya sampai di layar dengan fase yang sama. Agar terjadi maksimum di titk P, maka S 1 b (= d sin ) haruslah merupakan kelipatan bulat panjang gelombang, yaitu

S 1 b  m  , m = ..., −4, −3, −2, −1, 0 , 1, 2, 3,....

yang dapat juga ditulis sebagai

d sin  = m, m = ...,−4, −3, −2, −1, 0 , 1, 2, 3,.... (2.5)

Letak maksimum di atas titik O dalam gambar 2.10 simetris dengan letak maksimum di bawah O. Maksimum yang terletak di pusat dinyatakan dengan nilai m = 0.

Garis-Garis Gelap

Garis-garis gelap adalah hasil perpaduan yang melemahkan. Garis-garis gelap terjadi apabila kedua cahaya sampai di layar dengan fase yang berlawanan. Sehingga, untuk

keadaan minimum di P, penggal S 1 b (= d sin  ) harus sama dengan hasil kali antara bilangan bulat ganjil dengan setengah panjang gelombang, yaitu

Contoh 2 : Susunan celah seperti pada gambar 2.8 disinari dengan cahaya lampu gas air raksa (lampu merkuri) yang mengalami penyaringan sehingga boleh dikatakan hanya garis hijau saja (  = 546 nm atau 5460 Å) yang terpancar jatuh pada celah ganda. Jarak antar celah 0,10 mm dan jarak layar (tempat terlihatnya pola interferensi) dari celah adalah 20 m. Berapakah posisi sudut dari minimum pertama dan maksimum ke sepuluh?

Jawab : Untuk minimum pertama kita ambil m = 0 dalam persamaan (2.6) atau

m  1 1   9 2    2  546  10 m 

Nilai sin  ini sangatlah kecil, sehingga dapat kita anggap sebagai sudut  itu sendiri. Namun sudut di atas masih dalam radian dan jika kita ubah menjadi derajat akan menjadi 0,16 .

Pada maksimum ke-10 (garis terang ke-10) (tidak termasuk maksimum pusat), kita mengambil nilai m = 10. Dengan cara serupa seperti sebelumnya, maka kita akan memperoleh posisi sudut 3,8 . Perhitungan-perhitungan ini menunjukkan bahwa penyebaran sudut sepuluhan garis interferensi pertama yang paling dekat dengan pusat sangatlah kecil.

Contoh 3 : Dalam contoh di atas, berapakah jarak linier pada layar C antara dua maksimum (garis terang) yang berturutan?

Untuk sudut  yang cukup kecil, maka dapat digunakan pendekatan

sin   tan  .

Dari gambar 2.8 kita melihat bahwa

tg y  = . D

Bentuk ini kemudian kita sebstitusikan ke dalam persamaan persamaan untuk garis terang dengan menggantikan sin  , maka kita akan peroleh

dan

Jarak antara keduanya merupakan selisih dari dua persamaan di atas, sehingga

 y  y m 1  y m 

 546  10 m  20  10  m 

- 2  1 , 09 mm .

0,10  10 m

Selama sudut  dalam gambar 2.8 cukup kecil, maka jarak pisah antara garis interferensi tidak tergantung kepada m, jadi garis-garis tersebut berjarak sama. Jika cahaya yang datang mengandung lebih dari satu panjang gelombang, maka masing-masing panjang gelombang akan memiliki jarak pisahnya sendiri, yang berbeda satu dengan yang lain, dan semua pola interfrensinya akan saling bertumpuk.

Pola interferensi yang dibuat oleh sinar-sinar yang koheren yang dipantulkan oleh sebuah benda dapat direkam dalam sebuah emulsi fotografis. Jika pola ini kemudian disinari dengan sinar koheren yang sama dengan sinar koheren perekamnya, maka terbentuklah citra 3 dimensi benda tadi. Mekanisme seperti ini merupakan dasar kerja holografi. Sinar koheren yang dipakai adalah laser, sebuah sinar koheren yang kuat dan monokromatik (ekawarna).

Intensitas Cahaya Pada Layar. Sekarang hendak dihitung intensitas cahaya yang jatuh pada layar sebagai fungsi sudut . Perhatikan kembali titik P dalam gambar 2.8. Gelombang cahaya yang datang dari kedua celah dan jatuh di titik P awalnya sefase tepat ketika meninggalkan kedua celah tersebut. Sekali lagi, karena keduanya menempuh jarak optis yang berbeda maka kedua berkas itu mungkin tidak sefase lagi. Beda fase kedua

gelombang itu di berikan oleh

Sebagai gelombang elektromagnetik, simpangan gelombang-gelombang cahaya yang datang di titik P dari kedua celah itu dapat dinyatakan sebagai getaran medan listrik maupun medan magnet (untuk memahami konsep medan listrik dan medan magnetik secara lebih rinci, anda dapat membacanya pada bab sesudah bab ini.). Untuk kali ini kita nyatakan getaran itu sebagai getaran medan listrik. Getaran yang dimaksud secara matematis ditulis sebagai Sebagai gelombang elektromagnetik, simpangan gelombang-gelombang cahaya yang datang di titik P dari kedua celah itu dapat dinyatakan sebagai getaran medan listrik maupun medan magnet (untuk memahami konsep medan listrik dan medan magnetik secara lebih rinci, anda dapat membacanya pada bab sesudah bab ini.). Untuk kali ini kita nyatakan getaran itu sebagai getaran medan listrik. Getaran yang dimaksud secara matematis ditulis sebagai

E 1 +E 2 =E 0 sin t + E 0 sin ( t + )

=E 0 [sin t + sin (t + )]

=2E 0 sin ½( t + t + )cos½ (t − t − )  

=2E 0 cos( /2) sin ( t +

Jadi, kita dapatkan sebuah getaran dengan amplitudo 2 E 0 cos( /2). Intensitas cahaya terkait dengan energi yang ditransmisikan oleh gelombang cahaya. Sedangkan energi yang ditransmisikan sebanding dengan kuadrat amplitudo getaran yang dijalarkan. Oleh karena itu intensitas cahaya di titik P diberikan oleh

P = [2 E 0 cos( /2)]

dengan I 2

0 =( E 0 ) adalah intensitas masing-masing berkas tatkala sampai di titik P.

2.3.2 Interferensi Pada Lapisan Tipis

Pernah bermain gelembung sabun? Atau melihat minyak tanah tumpah ke permukaan air kolam? Pada kedua peristiwa itu anda melihat nuansa warna-warni. Apa penyebabnya? Mengapa hal itu tidak kita lihat pada balon yang kita tiup?

tidak mengalami Gelembung sabun atau tumpahan

pembalikan fase minyak tanah di permukaan air merupakan

contoh lapisan tipis. Ketebalan gelembung mengalami d sabun ataupun tumpahan minyak tanah di atas

pembalikan

permukaan air kira-kira seukuran dengan

fase

panjang gelombang cahaya tampak. Hal ini

pada gilirannya menyebabkan terjaganya koherensi cahaya yang jatuh pada lapisan, itu

selama dibiaskan dan dipantulkan kembali n 1 n 1 n oleh kedua permukaannya. 2

Kita perhatikan sekarang sebuah lapisan tipis yang berada pada lingkungan

Gambar 2.9

dengan indeks bias n 1 . Diandaikan lapisan dengan indeks bias n 1 . Diandaikan lapisan

dipantulkan oleh permukaan pertama mengalami pembalikan fase. Oleh karena itu beda fase antara berkas sinar yang dipantulkan oleh permukaan pertama dan permukaan kedua adalah 180° ditambah dengan beda fase akibat adanya beda lintasan optik. Bila sudut

datang cukup kecil, maka beda lintasan optik yang dimaksud adalah 2dn 2 . Beda lintasan optik senilai ini mengakibatkan perbedaan fase sebesar

2  4dn 2 

2dn 2 =

Jadi, beda fase total diberikan oleh

4dn 2 

 + =  4dn 2    .

Penguatan maksimum terjadi apabila beda fase total ini senilai m2 , dengan m bilangan asli (1, 2, 3, dst.), yakni

4dn 2    = m2 

Persamaan terakhir ini setara dengan

1 2dn 2 = (m − ) .

(m = 1, 2, 3, dst.) (2.12)

Penghapusan terjadi manakala

4dn 2    = m’,

dengan m ’ bilangan asli ganjil. Persamaan terakhir ini setara dengan

2dn 2 =m .

(m = 1, 2, 3, dst.) (2.13)

Terlihat bahwa pemadaman dan penguatan sangat tergantung pada panjang gelombang. Hal ini mengakibatkan pemadaman dan penguatan beberapa warna. Semuanya selain tergantung pada panjang gelombang juga tergantung pada ketebalan lapisan tipis.Warna- warna yang padam jelas tak akan terlihat pada lapisan itu. Hanya warna-warna yang mengalami penguatanlah yang akan terlihat.

Latihan Konsep 2.3 :

1. Sebuah sumber titik memancarkan cahaya ke segala arah sama terangnya. Maka muka gelombang dengan sumber seperti itu tentulah berupa permukaan- permukaan bola dengan titik sumber itu sebagai titik pusat. Gambarkanlah dengan prinsip Huygens perambatan gelombang cahaya dari sumber berupa titik semacam itu!

2. Hitunglah jarak gelap nomor m dari terang pusat pada pola-pola interferensi percobaan celah ganda Young.

3. Pada tahun 1924, L. de Broglie membuka mata manusia bahwa bukan hanya partikel foton (cahaya) saja yang memiliki aspek gelombang, tetapi semua partikel bahkan semua benda memiliki aspek gelombang. Menurut de Broglie gelombang yang terkait dengan sebuah benda titik yang bergerak dengan momentum linier p mempunyai panjang gelombang

= h, p

dengan h adalah tetapan Planck (lihat bab 6 buku ini) yang bernilai 6,63 × 10 -34 J.dt. Bila seberkas cahaya pada percobaan Young dalam Contoh 2 diganti dengan

seberkas elektron (m -31

kg) yang masing-masing bergerak dengan laju 0,3 c dan layar C dilapisi dengan film yang bisa berpendar bila tertabrak oleh elektron, maka pada layar benar-benar terbentuk pola interferensi elektron berupa garis-garis gelap terang. Sekarang hitunglah jarak antara dua garis terang terdekat pada interferensi elektron itu!

e = 9,1093897 × 10

4. Apa yang terjadi pada pola interferensi cahaya pada percobaan celah ganda Young bila panjang gelombang yang dipakai jauh lebih kecil dibandingkan dengan jarak antara dua celah yang dipakai?

5. Andaikan anda ingin memperagakan sendiri eksperimen celah ganda Young. Mungkinkah anda mendapatkan pola-pola interferensi pada layar bila anda hanya mampu membuat celah ganda dengan jarak antar celah 0,01 m? Jelaskan.

2.4 Difraksi

Apa yang sebenarnya terjadi jika seberkas sinar dilewatkan pada sebuah celah? Apabila ukuran celah itu cukup lebar (gambar 2.11 (a)), ukuran bayangan celah yang jatuh pada layar boleh dikatakan sama dengan

Gambar 2.10 Francesco ukuran celahnya. Hal ini dengan mudah dapat dijelaskan Grimaldi (1618-1663)

secara geometri akibat lintasan lurus yang ditempuh oleh cahaya. Tetapi, yang terjadi akan berbeda sama sekali

jika ukuran celah kita buat sekecil mungkin (gambar 2.11 (b)) sampai ukurannya sama jika ukuran celah kita buat sekecil mungkin (gambar 2.11 (b)) sampai ukurannya sama

arah sinar

(a)

(b)

Gambar 2.11 Cahaya yang melewati celah. Lebar sempitnya celah akan memberikan pengaruh perilaku cahaya yang berbeda.

dengan panjang gelombang cahaya yang kita lewatkan. Gejala gelombang (cahaya) seperti ini disebut difraksi atau lenturan gelombang. Apa yang terlihat pada layar pada gambar 2.11 (b) disebut pola difraksi. Secara umum difraksi terjadi bilamana sebuah benda yang tak tembus pandang (kedap) diletakkan di antara sumber cahaya dan layar sedemikian rupa sehingga benda itu menyisakan tempat untuk dilewati oleh cahaya dari sumber sehingga jatuh ke layar (lihat gambar 2.12)

benda kedap cahaya

Gambar 2.12

Difraksi merupakan peristiwa penyebaran atau pembelokan cahaya pada saat cahaya ini melintas melalui celah atau ujung penghalang. Gelombang yang terdifraksi selanjutnya berinterferensi satu dengan yang lain sehingga menghasilkan pola-pola terang gelap (daerah penguatan dan pelemahan). Gejala ini pertama kali diungkapkan oleh Francesco Grimaldi (1618-1663).

Kembali ke gejala difraksi pada celah tunggal. Pada celah tunggal ini menurut prinsip Huygens, masing-masing titik pada celah itu akan berperan sebagai sumber usikan baru yang mengirim gelombang sekunder ke segala arah setelah menerima gelombang datang. Muka-muka gelombang untuk beberapa titik waktu yang berbeda pada difraksi celah tunggal yang semakin sempit diperlihatkan pada gambar 2.13. Sinar Kembali ke gejala difraksi pada celah tunggal. Pada celah tunggal ini menurut prinsip Huygens, masing-masing titik pada celah itu akan berperan sebagai sumber usikan baru yang mengirim gelombang sekunder ke segala arah setelah menerima gelombang datang. Muka-muka gelombang untuk beberapa titik waktu yang berbeda pada difraksi celah tunggal yang semakin sempit diperlihatkan pada gambar 2.13. Sinar

Gambar 2.13 Muka gelombang pada gejala pelenturan cahaya pada celah tunggal untuk celah yang makin sempit

Gambar 2.13 menunjukkan bahwa cahaya yang melewati sebuah dinding dengan celah tunggal sebagian akan mengalami pelenturan ke belakang dinding dan sebagian lagi yang lolos akan masuk ke celah. Cahaya yang masuk ke dalam celah ternyata menunjukkan perilaku yang berbeda. Ketika ukuran celah cukup lebar pola terang-gelap tidak kelihatan, namun begitu ukuran celah disempitkan, cahaya yang menerobos celah dan ditangkap layar akan menampilkan pola terang-gelap.

Dalam buku ini kita hanya akan mempelajari difraksi Fraunhofer, yakni difraksi yang terjadi sedemikian rupa sehingga sinar-sinar hasil difraksi boleh dikatakan saling sejajar satu dengan yang lain. Ini dapat kita capai dengan jalan menjauhkan layar dari celah.

2.4.1 Difraksi Celah Tunggal

Sekarang ditinjau sebuah celah tunggal dengan lebar d (lihat gambar 2.14). Andaikan cahaya yang datang merupakan cahaya ekawarna (monokromatik) dengan panjang gelombang . Berdasarkan prinsip Huygens, setiap bagian atau titik pada celah bertindak sebagai sumber gelombang cahaya. Oleh karena itu setiap cahaya yang datang dari dua titik pada celah bila jatuh pada tempat yang sama pada layar akan mengalami interferensi. Untuk mempelajari pola difraksi pada layar kita perlu membagi celah menjadi dua bagian, bagian atas dan bagian bawah. Tepat pada saat meninggalkan celah (dari titik manapun pada celah) semua gelombang sefase. Juga sinar 1 dan sinar 3 pada gambar 2.14. Sinar 1 berasal dari tepi celah sebelah atas. Sedangkan sinar 3 berasal dari titik pusat celah. Sinar 3 menjalani lintasan optik lebih jauh dibandingkan dengan sinar 1. Selisih lintasan optik itu adalah

d sin

seperti terlihat pada gambar, berhubung indeks bias udara dianggap 1. Nilai ini didapat karena kita menganggap D, yakni jarak layar dari celah, begitu besar sehingga kedua seperti terlihat pada gambar, berhubung indeks bias udara dianggap 1. Nilai ini didapat karena kita menganggap D, yakni jarak layar dari celah, begitu besar sehingga kedua

maka pasangan-pasangan sinar tersebut saling menghapus. Dan titik P merupakan titik yang berada di garis gelap. Bila celah itu dibagi menjadi empat wilayah, maka dengan alasan serupa didapatlah kesimpulan bahwa titik P berada pada garis gelap bila

Pembagian celah menjadi enam wilayah memberi kesimpulan bahwa titik P berada di garis pemadaman bila

d sin  = 

atau

sin =3

Dan seterusnya... Secera umum, titik P terlatak pada garis gelap bila sudut  memenuhi persamaan

 sin =m ,

dengan m = ±1, ±2, ±3, ±4, . . .. Jadi, terdapat dua garis gelap pertama. Masing-masing terletak di atas garis pusat layar (untuk m = 1) dan di bawah garis pusat layar (untuk m =

−1). Yang di atas garis pusat layar terkait dengan sudut  = sin −1 ( /d) dan yang dibawah terkait dengan sudut 

= −sin −1 ( /d). Di antara dua garis gelap pertama itu adalah terang

pusat . Jadi, sudut buka untuk terang pusat adalah 2 sin ( /d) (lihat gambar 2.15).

layar

terang pusat

−1 2 sin ( /d)

Gambar 2.15

Mengingat jarak dari celah ke layar D, maka lebar terang pusat adalah

D 2 sin −1 ( /d) = 2D sin −1 ( /d).

Bila  <<d, maka lebar terang pusat adalah 2D/d. Semakin sempit celah yang dipakai, maka terang pusat semakin lebar. Hal ini sebenarnya sudah dapat disimpulkan dari Gambar 2.13.

Contoh 4 : Carilah lokasi untuk tiga garis gelap pertama untuk difraksi dari celah tunggal yang mempunyai lebar d = 10 !

Jawab : Kita dapat menghitung lokasi garis gelap dengan menggunakan persamaan (2.14), yaitu

Untuk m = 1

  1  sin ( 0 , 1 )  5 , 74 

Untuk m= 2

  1  sin ( 0 , 2 )  11 , 5 

Untuk m = 3

  1  sin ( 0 , 3 )  17 , 5 

Contoh 5 : Sebuah celah yang lebarnya d disinari oleh cahaya putih. Untuk nilai d berapakah minimum pertama cahaya merah (  = 650 nm = 6500 Å) jatuh pada  = 30?

Minimum merupakan istilah lain untuk garis gelap. Minimum pertama berarti m = 1. Dengan mengambil nilai ini, maka

m    1 650 nm 

2.4.2 Difraksi Pada Kekisi

Kekisi merupakan barisan celah-celah sangat sempit yang sama lebarnya. Kekisi merupakan peranti yang sangat berguna dalam menganalisa sumber cahaya. Contoh untuk ini adalah pemanfaatan kekisi untuk mengukur panjang gelombang suatu sinar dengan sangat akurat. Kekisi pun dapat pula berperan sebagai prisma yakni sebagai penguarai cahaya atas komponen-komponennya. Untuk pemisahan dua komponen cahaya dengan panjang gelombang yang berdekatan, kekisi memiliki daya pisah yang lebih tinggi dibandingkan prisma. Kekisi transmisi dibuat dengan cara menggores kaca dengan intan secara teliti. Kaca selebar 1 mm dapat digores sejumlah 7000 goresan. Daerah antara dua goresan dapat ditembus oleh cahaya dan karena itu berperan sebagai celah. Kekisi pantulan dibuat dengan jalan menggores permukaan bahan-bahan yang memantulkan. Kekisi memiliki tetapan yang disebut tetapan kekisi. Tetapan ini menyatakan berapa jumlah goresan tiap 1 mm. Misalnya, sebuah kisi memiliki tetapan

2000 garis/mm, artinya lebar tiap celah per goresan adalah 1/2000 mm = 5. 10 -7 m.

Gambar 2.16

Gambar 2.16 merupakan gambar difraksi fraunhofer pada kekisi secara skematis. Cahaya yang melalui celah kekisi dilenturkan dan memiliki fase sama. Masing-masing berkas memiliki beda lintasan sebesar dsin . Jika perbedaan lintasan ini, merupakan kelipatan panjang gelombang ketika masing-masing berkas berinterferensi pada saat mencapai layar sehingga menghasilkan garis terang. Karena itu, kedaan yang dibutuhkan untuk menghasilkan garis terang adalah

d sin   m  , m = 0, 1, 2, ... (2.16)

Patut dicatat bahwa ini merupakan keadaan yang sama dengan interferensi celah ganda. Efek meningkatnya jumlah celah akan membentuk ketajaman pola interferensi. Jika tetapan kekisi diberi simbul K, maka

Oleh karena itu persamaan untuk garis terang adalah

sin 

 m  , m = 0, 1, 2, ... (2.16)

Contoh 6 : Suatu cahaya monokromatik dengan panjang gelombang 500 nm disorotkan ke kekisi yang mempunyai 1200 garis per mm. Carilah lokasi tiga garis terang pertama?

Jarak d antara celah-celah dapat dihitung dengan membalik jumlah garis per mm, yaitu

 10 nm 

mm = (8,33 x 10 mm)

Lokasi garis terang dapat kita hitung dengan menggunakan persamaan 2.16,

 1  m     sin 

Garsi terang pertama terjadi ketika m = 0 dan karena itu

  1  sin 0  0  .

Dengan demikian, maksimum pusat (garis terang pusat) terjadi pada saat  = 0. Untuk nilai m = 1, garis terang pertama berlokasi di

 1   1 500 nm 

dan untuk m = 2

 1   2 500 nm 

Namun, nilai masimum untuk sinus hanyalah 1, sehingga untuk m = 2 dengan nilai sin  = 1,2 merupakan nilai yang tidak mungkin. Dengan demikian garis terang kedua tidak ada.

Kekisi Difraksi sebagai Pengurai Cahaya

Telah disebutkan bahwa kekisi dapat pula digunakan untuk menguraikan cahaya atas komponen-komponennya. Bila  1 dan  2 dua panjang gelombang yang paling dekat nilainya yang masih dapat dibedakan oleh suatu alat pengurai cahaya, maka daya urai (R)

peranti itu didefinisikan sebagai

  dengan  = ( 1 +  2 )/2 dan  = ( 1 − 2 ). Dapat dibuktikan bahwa daya urai sebuah kekisi pada orde ke m dapat dihitung menurut persamaan

R = Nm,

dengan N jumlah garis kekisi yang disinari.

Latihan Konsep 2.4 :

1. Andaikan sebuah benda yang berpenampang cakram ditempatkan di antara sebuah sumber cahaya (berupa titik) dan sebuah layar. Sumber titik itu diletakkan sedemikian rupa sehingga segaris dengan pusat benda berpenampang cakram dan pusat layar. Apakah akan didapati terang di pusat layar?

2. Bagaimanakah prinsip Huygens menghasilkan gambar muka gelombang yang diperlihatkan pada gambar 2.13? Perlihatkan dengan gambar bagaimana muka- muka gelombang pada gambar 1.13 dihasilkan!

3. Kalau setiap partikel memiliki gelombang sebagaimana hipotesa de Broglie, akankah berkas-berkas partikel juga mengalami difraksi?

4. Bila pintu sebuah kamar terbuka sedikit saja, maka anda dapat mendengar dengan baik suara-suara yang berasal dari ruangan itu tetapi anda tidak dapat melihat apa yang terjadi di ruangan itu mengapa?

5. Pada difraksi cahaya celah tunggal, apakah yang terjadi dengan jarak antara dua garis gelap bila cahaya yang dipakai diganti dengan cahaya yang memiliki panjang gelombang yang lebih panjang?

6. Perkirakanlah sudut  untuk titik P yang berada pada terang pertama setelah terang pusat pada difraksi celah tunggal.

7. Mengapa gelombang radio terdifraksi oleh bangunan-bangunan gedung, sedangkan cahaya tidak?

8. Mengapa permukaan CD tampak berwarna-warni pada saat di letakkam di bawah sinar matahari? Jelaskan mengapa warna dan intensitasnya tergantung dari orientasi CD itu relatif terhadap mata kita dan matahari?

2.5 Polarisasi

Telah diketahui bahwa gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal. Getaran yang dijalarkan sebagai gelombang elektromagnetik adalah medan listrik dan medan magnet yang berubah-ubah secara periodik baik arahnya maupun besarnya. Seberkas cahaya biasa terdiri dari sejumlah gelombang dengan arah getar yang berbeda- beda. Jika getaran yang merambat sebagai gelombang cahaya ini memiliki arah yang mengikuti pola teratur, maka cahaya yang demikian ini disebut sebagai cahaya yang terpolarisasi. Jika ujung vektor medan listrik dan meda magnet bergerak dalam lintasan berbentuk elips maka dikatakan bahwa gelombang elektromagnetik (cahaya) tersebut terpolarisasi elips. Bila ujung vektor medan listrik dan medan magnet bergerak dalam lintasan berupa lingkaran maka gelombang elektromagnetik tersebut dikatakan terpolarisasi lingkaran. Bila arah vektor medan listrik hanya bolak-balik dalam satu sumbu saja, maka gelombang elektromagnetik tersebut dikatakan terpolarisasi bidang. Dikatakan terpolarisasi bidang karena sepanjang penjalarannya, medan listrik bergetar pada bidak yang sama demikian pula dengan medan magnet. Untuk lebih jelasnya, lihatlah gambar penjalaran gelombang elektromagnetik berikut.

Gambar 2.17 Gelombang Elektromagnetik terpolarisasi bidang

Istilah polarisasi sebenarnya memiliki lebih dari satu makna. Polarisasi bisa kita temukan pada saat mempelajari muatan listrik, reaksi kimiawi maupun gelombang. Dalam kaitannya dengan kajian gelombang, istilah polarisasi memiliki arti sebagai pembatasan arah getaran gelombang transversal pada satu arah getar tertentu. Dalam suatu radiasi gelombang elektromagnetik yang tidak terpolarisasi, vektor medan listrik dan juga medan magnet bergetar ke segala arah tegak lurus arah penjalarannya.

Dengan demikian, polarisasi cahaya merupakan proses pembatasan getaran vektor listrik gelombang cahaya sehingga menjadi satu arah getar saja. Pada cahaya yang tidak terpolarisasi, medan listrik bergetar ke segala arah tegak lurus arah rambatannya. Setelah mengalami pemantulan atau diteruskan melalui bahan-bahan tertentu (disebut bahan- Dengan demikian, polarisasi cahaya merupakan proses pembatasan getaran vektor listrik gelombang cahaya sehingga menjadi satu arah getar saja. Pada cahaya yang tidak terpolarisasi, medan listrik bergetar ke segala arah tegak lurus arah rambatannya. Setelah mengalami pemantulan atau diteruskan melalui bahan-bahan tertentu (disebut bahan-

Pada cahaya yang terpolarisasi melingkar, ujung vektor listrik menunjukkan spiral

(a)

(b)

Gambar 2.18 Dua macam berkas cahaya dilihat dari arah depan. Anak-anak panah itu menunjukkan getaran medan listrik ataupun medan magnet gelombang cahaya. (a) Berkas tak terpolarisasi (b) Bekas terpolarisasi

melingkar mengelilingi arah rambat dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi cahaya. Besar vektor di sini tetap tidak berubah. Sementara pada cahaya yang terpolarisasi eliptis, vektor juga berputar mengelilingi arah rambatan tetapi amplitudonya berubah. Proyeksi vektor pada sebuah bidang tegak lurus arah rambat menerangkan sebuah elips. Baik cahaya yang terpolarisasi melingkar maupun eliptis dapat dihasilkan dengan menggunakan sebuah keping yang disebut retardasi. Keping ini merupakan keping transparan yang terbuat dari bahan bias ganda seperti kuarsa yang dipotong sejajar dengan sumbu optiknya.

Contoh polarisasi yang terkenal adalah polarisasi pantulan yang akan terjadi jika sinar pantulan membentuk sudut 90  dengan sinar bias. Peristiwa ini dikenal juga sebagai hukum Brewster.