Gelombang Cahaya

Spektrum Cahaya dan Dispersi Cahaya

Spektrum cahaya yang dapat tampak – Shutterstock.com.2157853313

Cahaya tampak adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang sekitar 4.000–7.000 Å. Cahaya ini dapat dilihat oleh mata manusia. Saat merambat dari satu medium ke medium lain, panjang gelombang dan kecepatan cahaya akan berubah, namun frekuensinya tetap sama.

dengan:

Cahaya memiliki sifat dispersi, interferensi, difraksi, dan polarisasi. Jika cahaya putih melewati prisma, cahaya dapat diuraikan menjadi warna merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Peristiwa pemisahan warna disebut dispersi, sedangkan kumpulan warna hasil uraian disebut spektrum cahaya.

Cahaya yang terdiri dari banyak warna disebut sinar polikromatik, sedangkan cahaya dengan satu warna disebut sinar monokromatik. Contoh sinar monokromatik adalah sinar merah atau sinar hijau. Tiga warna dasar cahaya adalah merah, biru, dan hijau. Pencampuran dua warna dasar menghasilkan warna sekunder, sedangkan pencampuran ketiga warna dasar menghasilkan cahaya putih. Warna sekunder juga bisa diperoleh dari pasangan warna komplementer.

Dispersi cahaya adalah peristiwa penguraian cahaya polikromatik saat melewati medium dengan indeks bias berbeda. Misalnya cahaya putih yang melewati prisma akan dibiaskan sekaligus diuraikan menjadi komponen warna. Ketika cahaya putih melewati prisma, setiap warna mengalami deviasi berbeda. Besarnya sudut dispersi adalah selisih deviasi terbesar (ungu) dan terk ecil (merah):

Sehingga:

dengan:

Q = sudut dispersi,

Interferensi Cahaya

Interferensi cahaya terjadi karena cahaya memiliki sifat gelombang. Dua gelombang cahaya dapat berinterferensi jika bersifat koheren (frekuensi sama, amplitudo tetap, dan beda fase konstan).

Fresnel menggunakan cermin datar untuk membagi satu sumber cahaya sehingga terbentuk dua sumber koheren. Young menggunakan celah ganda untuk membagi satu sumber cahaya menjadi dua berkas koheren. Interferensi dari kedua berkas cahaya menghasilkan pola garis terang dan gelap pada layar. Garis terang terjadi jika amplitudo saling menguatkan (konstruktif), sedangkan garis gelap terjadi jika amplitudo saling melemahkan (destruktif).

Jika cahaya monokromatik melalui celah ganda, beda lintasan antar gelombang dapat dinyatakan:

Interferensi maksimum (terang) terjadi jika beda lintasan merupakan kelipatan panjang gelombang:

Interferensi minimum (gelap) terjadi jika beda lintasan merupakan kelipatan ganjil setengah panjang gelombang:

dengan:

d = jarak antar celah,

p = jarak terang/gelap dari pusat,

m = orde terang atau orde gelap.

Warna-warna pada gelembung sabun atau lapisan minyak tipis terjadi karena adanya interferensi cahaya. Cahaya yang dipantulkan sebagian dari permukaan atas dan sebagian dari permukaan bawah lapisan tipis dapat saling memperkuat atau saling melemah sehingga menimbulkan pola warna.

Proses perambatan sinar:

Sinar datang menuju lapisan tipis dengan sudut tertentu. Sebagian dipantulkan dari permukaan atas, sebagian lagi masuk ke dalam lapisan.

Sinar yang masuk ke dalam lapisan dipantulkan kembali oleh permukaan bawah, kemudian keluar setelah melalui lapisan tersebut.

Kedua sinar (pantulan dari atas dan bawah) bersifat koheren sehingga dapat saling berinterferensi.

Perbedaan lintasan antara dua sinar inilah yang menentukan terjadinya interferensi maksimum (terang) atau minimum (gelap).

Perbedaan lintasan:

dengan:

n = indeks bias lapisan tipis

Hasil akhirnya didapat:

Agar terjadi interferensi maksimum:

Agar terjadi interferensi minimum:

dengan:

n = indeks bias lapisan

d = tebal lapisan (m)

r = sudut bias

m = orde terang atau gelap

Difraksi Cahaya

Cahaya yang melewati celah sempit akan mengalami pelenturan dan membentuk pola interferensi berupa garis-garis terang dan gelap.

Jika lebar celah d, interferensi minimum terjadi bila beda lintasan:

Secara umum:

atau untuk kondisi minimum:

dengan:

d = lebar celah (m)

m = 1, 2, 3, ...

Kisi merupakan kumpulan banyak celah sejajar yang dapat menghasilkan pola interferensi lebih tajam dibanding celah ganda.

Konstanta kisi:

dengan:

d = lebar satu celah kisi (cm)

k = jumlah celah tiap cm

Pola interferensi maksimum:

Pola interferensi minimum:

Untuk menganalisis struktur kristal, digunakan sinar-X karena panjang gelombangnya sangat pendek dan sebanding dengan jarak antar atom.

Interferensi maksimum terjadi bila beda lintasan memenuhi:

dengan:

d = jarak antar atom (m)

n = orde difraksi (1, 2, 3, …)

Polarisasi Cahaya

Cahaya merupakan gelombang transversal sehingga dapat dipolarisasi. Polarisasi adalah peristiwa perubahan cahaya alam yang bergetar ke segala arah menjadi cahaya yang bergetar pada satu bidang tertentu. Cahaya yang bergetar ke segala arah disebut cahaya alam, sedangkan cahaya yang bergetar pada satu bidang tertentu disebut cahaya terpolarisasi.

Faktor yang menyebabkan polarisasi antara lain adalah pemantulan, pembiasan, pembiasan ganda, dan absorpsi selektif.

Jika cahaya jatuh ke permukaan datar dengan sudut datang tertentu, sebagian sinar akan dipantulkan dengan getaran hanya pada satu bidang. Cahaya ini disebut terpolarisasi linier. Prinsip ini digunakan dalam pembuatan kacamata anti-UV.

Berdasarkan hukum Snellius:

Dengan syarat:

dengan:

r = sudut bias

Persamaan ini dikenal sebagai Hukum Brewster.

Jika cahaya memasuki kristal tertentu (seperti mika atau kalsit) yang memiliki dua nilai indeks bias, cahaya akan terbelah menjadi dua. Sinar pertama disebut sinar biasa (ordinary ray) yang mengikuti hukum Snellius, sedangkan sinar kedua disebut sinar istimewa (extraordinary ray) yang tidak mengikuti hukum Snellius. Inilah yang disebut pembiasan ganda.

Dengan menggunakan polaroid, cahaya alam dapat diubah menjadi cahaya terpolarisasi. Polaroid hanya meneruskan gelombang cahaya yang getarannya sejajar dengan sumbu transmisinya, sedangkan getaran tegak lurus sumbu tersebut diserap.

dengan:

I = intensitas cahaya terpolarisasi setelah polarisator (W/m²)

I' = intensitas cahaya terpolarisasi setelah analisator (W/m²)

dengan:

A = amplitudo cahaya setelah polarisator (m)

A' = amplitudo cahaya setelah analisator (m)