copy Optik BAB 1..doc

8/15/2019 copy Optik BAB 1..doc

1/19

Bab I

GELOMBANG CAHAYA

1. Apa itu Cahaya

Sebelum membicarakan siat-sifat dari cahaya perlu diketahui dulu apa yang

dimaksudkan dengan cahaya?

Untuk itu ada beberapa teori atau pendapat mengenai cahaya, diantaranya:

a. Teori emisi oleh Sir Isaac Neton ! "#$%-"&%%'

(enurut teori emisi Neton, baha dari sumber cahaya dipancarkan partikel-

partikel yang sagat kecil dan ringan ke segala arah dengan kecepatan yang sama

besar, bila mengenai mata kita maka kita mendapatan kesan melihat sumber

cahaya tersebut.

b. Teori gelombang oleh )hritian *uygens !"#%+-"##'

(enurut *uygen cahaya pada dasarnya sama degan bunyi, berbeda hanya dalam

hal frekuensi dan panang gelombangnya.

c. ercobaan Thomas /oung !"&&0-"1%+' dan 2gustin fresnel !"&11-"1%&'

Thomas young dan 3resnel menyatakan baha cahaya dapat melentur dan

berinterferensi, dan peristia ini tidak dapat diterangkan oleh teori emisi Neton.

d. ercobaan 4ean beon 3oucault!"1"+-"1#1'

5ari hasil percobaan ia mendapatkan baha cepat rambat cahaya dalam 6at cair

lebih kecil dibandingkan dengan cepat rambat cahaya di udara, hal ini uga

bertentangan dengan teori emisi Neton

e. ercobaan 4ames )lerk (a7ell !"10"-"1&+'

Ia menyatakan baha cepat rambat gelombang-gelombang elektro magnetik sama

dengan cepat rambat cahaya, sebesar 0 7 "81 m9detik. 4adi (a7ell

berkesimpulan cahaya adalah gelombang elektromagnetik f. ercobaan *einrick udolph *er6 !"1&-"1+$'

Ilmuan ini membuktikan baha gelombang elektromagnetik adalah gelombang

trans;ersal, ini sesuai dengan kenyataan baha cahaya dapat mengalami

polarisasi, ini memperkuat kesimpulan (a7ell

g. ercobaan (a7 udig lanck !"11-"+$&'

5engan teori dan prcobaan radiasi (a7 lanck berkesimpulan baha cahaya

adalah paket-paket kecil yang disebut kuanta. Teori ini disebut teori kuantum

"


2/19

cahaya.


3/19

disadari baha cahaya pastilah muncul dari obyek-obyek yang terlihat dan memasuki

mata sehingga menyebabkan sensasi penglihatan. ertanyaan tentang apakah cahaya

terdiri dari sebuah sorotan dari partikel-partikel atau semacam gerakan gelombang

adalah yang paling menarik dalam searah sains. Tokoh yang paling berpengaruh

dalam teori partikel cahaya adalah Neton. (emakai teori tersebut, Neton dapat

menelaskan hukum-hukum refleksi dan refraksi. Neton menurunkan hukum

refraksi berdasarkan asumsi baha cahaya beralan dalam air atau

gelas lebih cepat dari pada di udara, sebuah asumsi yang akhirnya terbukti salah.

Tokoh-tokoh utama dari teori gelombang cahaya adalah )hristian *uygens dan

obert *ooke. (emakai teori perambatan gelombang, *uygens dapat menelaskan

refleksi dan refraksi dengan asumsi cahaya beralan di gelas atau air lebih lambat

daripada di udara. Neton sudah mengerti ada baiknya teori gelombang cahaya,

terutama dalam menelaskan arna-arna yang di bentuk oleh film-film tipis, seperti

yang sudah dipelaarinya secara luas. Tetapi ia menolak teori tersebut berdasarkan

kenyataan yang terlihat baha perambatan cahaya adalah garis lurus. ada saat itu

pembelokan cahaya di sekitar penghalangA yang disebut difraksi, belum diamati.


4/19

tersebut lebih kecil dibanding lau cahaya di udara, yang berarti menyingkirkan teori

partikel Neton. ada tahun "1#8 #a$e Clerk Ma%&ell mempublikasikan teori

matematisnya tentang elektromagnetisme, yang memprediksikan keberadaan

gelombanggelombang elektromagnetik yang merambat dengan lau yang setelah

dihitung dari hukum-hukum kelistrikan dan kemagnetan bernilai 0 7 "81 m9s , yang

berarti sama dengan lau cahaya. 'eori Ma%&ell didukung oleh Hert( yang pada

tahun "11& dengan menggunakan sebuah sirkuit untuk mendeteksinya. ada paruh

kedua abad ke-"+) *irchho++ dan beberapa ilmuan lainnya menerapkan persamaan

Ma%&ell untuk menelaskan interferensi dan difraksi cahaya dan gelombang-

gelombang elektromagnetik lainnya dan meletakkan metode-metode konstruksi

empirisnya *uygens pada kerangka matematika yang mantap.

(eskipun teori gelombang pada umumnya dapat mendeskripsikan cahaya !dan

gelombang-gelombang elektromagnetik lainnya', namun teori tersebut gagaI

menelaskan semua sifat-sifat cahaya, khususnya tentang interaksi cahaya dengan

materi. 5alam percobaan tahun "11&B yang terkenal mendukung teori gelombang

(a7ell, *ert6 uga menemukan efek fotolistrik, yang akan dibahas.

=fek ini hanya dapat dielaskan dengan sebuah model partikel cahaya, seperti

yang ditunukkan oleh =instein hanya beberapa tahun sesudahnya. 5engan demikian,

sebuah model partikel cahaya diperkenalkan kembali. artikel-partikel cahaya disebut

+oton. =nergi dari sebuah foton E dihubungkan dengan frekuensi f dari gelombang

cahaya melalui rumus =instein E C h f, di mana h disebut konstanta Planck.

emahaman lengkap tentang sifat dualisme cahaya baru muncul pada tahun "+%8-an

$

Dambar "-". >aser terbukti mempunyai bayangan Dambar "-%. >aser karbon dioksida


5/19

melalui percobaan-percobaan oleh ).4. 5a;isson dan >. Dermer, serta oleh D..

Thompson, yang menunukkan baha elektron-elektron !dan partikel-partikellainnya'

uga mempunyai sifat dualisme, dan !percobaan-percobaan mereka uga'

menunukkan sifat-sifat gelombang dalam interferensi dan difraksi di samping sifat-

sifat partikel yang sudah dikenal. !


6/19

menggunakan sinar (ray) untuk mendiskripsikan perambatan cahaya secara garis lurus

dan mengabaikan efek -efek interferensi dan difraksi. Seperti dibahas dalam @ab

berikutnya, pendekatan sinar berlaku untuk perambatan di setiap pergerakan

gelombang ika panang gelombangnya kecil dinyatakan dengan lubang lensa

(aperture) atau penghambat apapun. *al ini adalah situasi yang kerapkali teradi

dalam optik karena panang gelombang cahaya tampak memiliki inter;al dari $88 nm

!" nm C "8-+ m' pada cahaya ungu hingga &88 nm untuk cahaya merah.

,. A(a Huy!en) +ront !elo$ban! -an inar.

(uka gelombang !front gelombang' adalah tempat kedudukan beberapa titik-titik

yang senantiasa mempunyai fase sama. Suatu sumber gelombang akan memancarkan

gelombang yang lain kesegala arah di dalam suatu medium maka didalam medium

tersebut dapat dibuat front gelombang primer.

*uygen menyatakan baha titik-titik sumber sekunder yang memancarkan uga front

gelombang sekunder. Selubung front gelombang sekunder dalam arah perambatan

gelombang adalah merupakan front gelombang primer berikutnya.

Sumber arah gelombang

Dambar "-0 front gelombang primer E sekunder

Daris-garis tegak lurus front gelombang adalah disebut: FSIN2F yang arahnya sama

dengan rambat arah gangguan. (acam-macan perambatan gelombang dari bentuk

geometris FsinarFnya.

". Delombang datar ika sinar-sinarnya seaar %. Delombang bola !sferis ika sinar-sinarnya radial ke luar dan front gelombang

berbentuk bola

0. Delombang silendris ika sinar-sinarnya radial dalam arah dua dimensi dan

ront gelombangnya berbentruk sylendris !ika sumbernya terletak pada suatu

garis lurus'

,.1 Pera$batan Cahaya Prinip Huy!en

Sebagian bidang gelombang (wave front ' seperti yang memancar dari sebuah sumber titik. @idang gelombang adalah kumpulan titik-titik dengan fase konstan, ika

#


7/19

ari-ari bidang gelombang adalah r pada saat t, ari-arinya pada t + ∆t adalah r G c

∆t, di mana c adalah lau gelombang.

Namun ika sebagian gelombang itu dihadang oleh hambatan atau ika gelombang

meleati medium berbeda, seperti pada Dambar "-$ penentuan bidang gelombang

baru pada saat t G ∆t menadi auh lebih sulit.

Perambatan gelombang apapun melalui ruang dapat digambarkan

mengunakan metode geometris yang ditemukan oleh )hristian huygens kira-kiratahun "#&1 yang sekarang dikenal sebagai prinip Huy!en atau kontruki

*uygens:

Setiap titik pada bidang gelombang primer !utama' bertindak sebagai sebuab sumber

anak gelombaHg (wavelets) sekunder yang kemudian berkembang dengan lau dan

frekuensi sama dengan gelombang primemya.

Dambar "-.


8/19

adalah benar-benar sumber titik, maka akan ada gelombang-gelombang pada arah

yang berlaanan. *uygens mengabaikan gelombang-gelombang balik ini.

rinsip *uygens kemudian dimodifikasi oleh 3resnel sedemikian sehingga bidang

gelombang baru dihitung dari bidang gelombang lama dengan memakai superposisi

anak gelombang dengan memperhatikan amplitudo dan fase relatifnya.


9/19

2. Bayan!an Gelap)

@ayangan gelap adalah: bagian di belakang obyek yang tidak terkena sinar karena

sinar terhalang benda tadi bayangan gelap ini adalah dua macam bergantung pada

besarnya sumber cahaya.

Umbra : @ayangan gelap utama ika sumber cahaya dimisalkan sebagai suatu

sumber titik yang letaknya sedikit agak auh.

enumbra : @ayangan gelap samar-samar yaitu akibat cahaya dari sumber

dipancarkan ke segala arah.

3. *ecepatan Cahaya

engukuran galileo pada tahun "##&.

)ahaya akan diukur kecepatannya dengan mengetahui aktu tempuhnya melalui

arak tertentu. ada puncak dua buah bukit yang araknya melaui arak tertentu. ada

puncak dua buah bukit yang araknya diketahui berdiri dua orang yang memegang

lentera yang menyala. Salah seorang menutup lenteranya dan begitu melihat lentera

temannya gelap, seorang yang lain uga seketikamenutup lenteranya. Derakan ini

diamati oleh orang yang pertama tadi. Kaktu antara seorang pertama menutup

lenteranya samapai ia melihat lentera temannya gelap adalah aktu tempuh cahaya

dalam menalani dua kali arak kedua puncak bukit, sehingga kecepatan cahaya dapat

dihitung. Tetapi ternyata karena kecepatan cahaya besar sekali, maka aktu yang

dicatat amat pendek sekali dan dapat diukur pada saat itu.

ercobaan Llaf oemer !"#&'

+

Dambar "-&. Derhana matahari


10/19

5engan pengamatan gerhana dari /upiter

Satelit Lrbit /upiter

Lrbit @umi @" 4"

(

@%

4% Satelit

Dambar "-1. Lrbit @umi mengelilingi (atahari

ada posisi @" pengamat mengamati tepat teradinya gerakan (atahari.


11/19

radial mm

π π =

%

%............................................................................................................

!"'

ada saat itu kecepatan putar roda adalah !diameter' n rotasi9detik, adi kecepatan

putar :

%π n rad9detik

Kaktu yang diperlukan untuk menempuh sudut putar π9m rad adalah:

ik mn

t det%

"=∆ ..........................................................................................................

!%'

5ari oengukuran ini didapat ) C 0," 7 "81

m9sercobaan dengan prinsip yang sama dilakukan oleh:

(ichelson !"1&1 "+0' dengan sedikit perbaikan oleh 2nderson pada thn !"+0&-

"+$"', menghasilkan harga-harga ) adalah:

) C %,++&&$ 7 "81 m9s....................................................!(ichelson'

) C %,++& 7 "81 m9s.....................................................!2nderson'

Usaha pertama urituk mengukur lau cahaya dilakukan oleh Dalileo. Ia dan

seorang kaan berdiri pada puncak bukit dengan arak beberapa kilometer, masing-

masing dengan sebuah lentera dan penutupnya. Dalileo bermaksud mengukur aktu

yang dibutuhkan oleh cahaya untuk bergerak bolak-balik antara mereka berdua. (ula-

mula salah seorang akan membuka penutup lentera dan ketika yang lain melihat

cahaya, ia uga membuka penutup lenteranya. Kaktu antara orang pertama membuka

penutup lentera dan melihat cahaya dari lentera yang lain akan menadi aktu yang

dibutuhkan cahaya untuk bolak-balik antara kedua orang yang melakukan percobaan

itu. (eskipun metoda ini pada prinsipnya masuk akal, namun kecepatan cahayaterlalu besar sehingga arak aktu yang akan diukur sangat kecil dibandingkan

fluktuasi dalam aktu tanggapan manusia, sehingga Dalileo gagal mendapatkan nilai

lau cahaya.

Indikasi pertama dalam pengukuran besaran yang benar akan lau cahaya datang

dari pengamatan astronomis dari periode Io, salah satu dari bulan-bulan !satelit' dari

planet 4upiter eriode ini ditentukan dengan mengukur aktu antara dua gerhana

!ketika bulan I8 lenyap di belakang 4upiter'. eriode gerhana kira-kira $%, am, tetapi

pengukuran-pengukuran yang dibuat ketika bumi menauhi 4upiter sepanang lintasan

""


12/19

ABC pada Dambar "-+ memberikan nilai yang lebih besar pada periode ini

dibandingkan dengan pengukuran-pengukuran yang dibuat ketika bumi mendekati

4upiter sepanang lintasan CA pada Dambar "-+ tersebut.


13/19

sebuah bukit !kira-kira 1,#0 km dari bukit pertama' ia menempatkan sebuah cermin

untuk memantulkan kembali cahaya agar dapat dilihat oleh pengamat seperti

ditunukkan.

oda bergerigi tersebut diputar, dan lau putaran diubah-ubah. ada lau putar

yang rendah, tidak ada cahaya yang dapat dilihat karena cahaya yang dipantulkan

terhalang oleh energi roda yang berputar tersebut.


14/19

ada tahun "18 3oucault mengukur "au cahaya di udara dan di air dan

menunukkan baha lau cahaya di air "ebih keci" dari "au cahaya di udara.

(emakai metode yang pada intinya sama, fisikaan 2merika 2.2 (ichelson

membuat pengukuran-pengukuran yang tepat akan "au cahaya dari tahun "118

hingga "+08.

(etoda lain da"am menentukan "au cahaya melibatkan pengukuran konstanta

e"ektrik 8ε untuk menentukan c dari rumus:

88

"

µ ε =c .

!0'


15/19

@ilangan yang menunukkan kekuatan pembiasan suatu medium relatif terhadap

medium sebelumnya. 5iperoleh dengan membagi kelauan gelombang datang dalam

medium pertama dengan kelauan gelombang bias dalam mediumkedua. . In-ek bi

$utlak 0$. Suatu medium adalah kelauan cahaya dalam ruang hampa !atau,

umumnya, dalam udara' dibagi dengan kelauan cahaya dalam medium tersebut.

8. Cahaya 9eba!ai Gelo$ban! Elektro Ma!netik

a. 'eori Elektro$a!net :ntuk $en-apatkan kecepatan ra$bat !elo$ban!

elektro$a!netik.

Delombang elektromagnetik merupakan gelombang periodik medan listrik = dan

medan magnet @ yang menalar dengan kecepatan :

µ ε

"=v ..........................................................................................................

!$'

ε dan µ adalah masing-masing tetapan permi;itas listrik dan tetapan

permi;itas magnet yang harganya tergantung pada enis medium. Untuk mediumruang hampa harganya adalah :

%"%

8 9"81$,1 %mC &

−

=ε

Am'e(er & 9"8#,"% &

8

−

= µ

2pabila harga-harga ini dimasukkan ke persamaan , diperoleh kecepatan

gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa c C %,++1 7 "81 m9s.


16/19

(a7ell kecepatan gelombang elektromagnetik ini tetap diselidiki dan menurut

(a7ell hanya tergantung oleh % faktor saa yaitu:

". ermiti;itas9dielektrik !ε8'

%. ermiti;itas magnet !µ8'

3aktor-faktor tersebut sesuai dengan sifat dan enis-enis kedu gelombang tersebut.

4adi kalau gelombang elektromagnetik merambat dalam ruang hampa atau udara,

maka hanya tergantung pada ε8 dan µ8. (elalui suatu penabaran besarnya cepat

rambat gelombang elektromagnetik ialah:

5imana :

ε8 C 1,1 7 "8-"% )9Nm%

µ8 C "%,& 7 "8-& Keber9amp.m

maka

sm &C

atau

smC

smC

&

&

C

& & &

C

9"80

9888.888.088

9%++%88888

&,"%11

"

"89"%&1,1

"

"8&,"%"81,1

"

1

%0

&"%

=

=

=

=

=

=

−−

Selanutnya hubungan antara frekuensi f, panang gelombang λ, dan kecepatan )

gelombang elektromagnetik dirumuskan sebagai:

) C λ 7 f...........................................................................................!'

5imana ) C


17/19

Deala ini persis sama dengan sifat-sifat cahay. Lleh karena itu dapat disimpulkan

baha cahaya adalah gelombang elektromagnetik. 5ibaah ini merupakan sumber-

sumber gelombang elektromagnetik yaitu:

". Sinar Ultra Unggu dari : busur karbon, lampu mencury, dan sinar matahari

%. Sinar infra merah dari A api, tanur, dan sinar matahari

0. Sinar O dari: penghentian elektron cepat oleh logam

$. Sinar gamma !γ ' dari : reaksi inti, peluruhan radioaktif

. Delombang radio, radar, dan TM

#. Sinar kosmis.

B. 9pektru$ !elo$ban! Elektro$a!netik

)ahaya bukan satu-satunya contoh dari gelombang elektromagnetik. Delombang

cahaya yang merupakan gelombang elektromagnetik yang dapat ditangkap oleh mata

memiliki selang frekuensi pendek mulai dari $,0 7 "8"$ *6 hingga sekitar &, 7 "8"$

*6.

Delombang elektromagnetik, atau kadang-kadang kita sebut radiasi

elektromagnetik telah dibuat atau terdeteksi dalam inter;al yang lebar yang

dinamakan spektrum elektromagnetik.

Semua gelombang elektromagnetik mempunyai kesamaan kecepatan rambatnya

yaitu 0 7 "81 m9s.Sedangkan perbedaannya terletak pada besarnya frekuensi dan

panang gelombang. Tingkatan-tingkatan spektrum gelombang elektromagnetik

berdasarkan frekuensi dan panang gelombang. )ahaya sebagai gelombang

elektromagnetik mempunyai daerah yang cukup luas, daerah frekuensi ini disebut

FSpektrumF

@road )ast 3rekuensi cps !cycles per second ' atau *er6 !*6'.

B. 9pektru$

enggunaan pertama kata spektrum dalam di bidang optik untuk

menggambarkan pelangi arna dalam cahaya tampak ketika cahaya tersebut

terdispersi oleh sebuah prisma.

"&


18/19

Dambar "-"%. )ahaya putih

didispersikan oleh sebuah

prisma menadi arna-

arna dalam spektrum

optik

Spektrum yang dihasilkan oleh sumber cahaya umumnya adalah spektrum

kontinu dimana batas antara arna satu dengan yang lainnya tidak elas seperti halnya

pada pelangi. Spektrum kontinu seperti ini sebenaranya terdiri dari hampir seluruh

panang gelombang. Namun untuk gas renggang yang memiar seperti gas hydrogen,

helium, dan lainnya spektrumnya berupa deretan garis terang yang disebut pula

dengan spektrum garis. 2da dua enis spectrum garis yaitu spektrum emisi yaitu

deretan garis terang yang dihasilkan oleh gas renggang yang memiar dan ada pula

spektrum serap !absorpsi' yaitu deretan garis gelap yang dihasilkan bila suatu radiasi

dileatkan melalui suatu gas yang dingin.

Deala ini pertama kali dielaskan oleh *ircho++ dalam tahun "1#+ dengan

mengaukan ti!a huku$ analii pectru$ yaitu :

". at padat atau pun 6at cair yang memiar akan memancarkan cahaya pada

seluruh panang gelombang sehingga menghasilkan spektrum kontinu.

%. Das renggang yang memiar akan memancarkan cahaya dengan spectrum

berupa garis garis terang yang dinamakan spektrum garis atau spektrum

emisi.

0. )ahaya putih dari suatu sumber cahaya bila dileatkan melalui gas renggang

yang dingin maka gas itu akan menyerap panang gelombang tertentu

"1


19/19

sehingga pada spectrum kontinu tersebut terdapat garis-garis gelap yang

dinamakan garis serap atau garis absorbsi.

Ternyata unsur-unsur kimia tertentu bila dalam keadaan gas akan

menghasilkan pola garis gelap atau garis terang yang memiliki ciri khusus

tertentu. Ini berarti tiap gas tertentu hanya menyerap atau memancarkan

panang gelombang cahaya tertentu saa.

ola-pola garis spektrum unsur-unsur ini dapat digunakan untuk menganalisis unsur-

unsur yang dikandung oleh suatu sumber cahaya.

Dambar "-"0. Spektrum Delombang =lektromagnetik.

ada gambar "-"0 diatas memperlihatkan spektrum elektromagnetik dari

frekuensi rendah yang dipakai dalam komunikasi radio hingga frekuensi tinggi yan

terdapat dalam sinar O dan sinar Damma.

Documents

copy Optik BAB 1..doc