Peristiwa yang tidak dapat dijelaskan dengan teori gelombang cahaya adalah

Semenjak abad ke-16 sampai dengan sekarang ini konsep tentang cahaya masih menjadi sesuatu yang misteri. Dua konsep penting dan saling bertentangan telah dikemukakan tentang pengertian cahaya. Pertama dikemukakan oleh Newton (1643-1727), yang mengatakan bahwa cahaya terdiri (tersusun) atas partikel individu yang dipancarkan oleh sumber cahaya dan merambat dalam ruang berbentuk garis lurus. Sebaliknya oleh Huggens (1629-1695) mengatakan bahwa cahaya berbentuk gelombang, seperti halnya gelombang air yang permulaannya berbentuk lingkaran. Dari dua konsep yang berbeda ini, sepanjang sejarah fisika terjadi perselisihan yang agak serius diantara fisikawan. Tetapi hal yang mengherankan kedua konsep tersebut, menurut pengetahuan kita sekarang ini, adalah benar dan dapat didefinisi dengan baik secara fisis dan matematis.

Setelah abad ke-16, orang mulai meninggalkan konsep ” Cahaya Sebagai Partikel” yang dikemukakan oleh Newton, para ilmuwan

mulai meyakini ide yang dikemukakan oleh Huggens. Hal ini disebabkan banyak eksperimen (seperti peristiwa difraksi, refleksi, interferensii, dst) dapat ditunjukkan oleh cahaya. Secara teoritis,

A . H a l i m |F i s i k a M o d e r n I |116

Maxwell (1813-1879) berhasil merumuskan persamaan gelombang cahaya yang merambat dalam ruang vakum. Ini merupakan suatu- suatunya teori yang memperkuat konsep cahaya sebagai gelombang dan Maxwell berhasil mengkategorikan cahaya sebagai gelombang elektromagnetik. Berikut kita akan bahas secara singkat bagaimana Maxwell merumuskan persamaan gelombang untuk cahaya tersebut.

Persamaan-persamaan dasar Maxwell tentang gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa ditulis dalam bentuk:

.( ) = ρ [coulomb/m2] (3.1a)

. = 0 [weber/m2] (3.1b)

= − [volt/m2] (3.1c)

= + ( ) [amper/m2] (3.1d)

Di mana  dan J adalah rapat muatan listrik (coulomb/m2) dan rapat arus listrik (ampere/m2). Kita dapat hitung parameter B dalam persamaan (3.1c) dengan melakukan operasi Curl pada komponen E dan B di kedua sisi persamaan (3.1c).

( ) = − ( ) (3.1e)

Kemudian kita samakan persamaan (3.1d) dengan (3.1c), sehingga didapat.

( ) + = −

Parameter ( ) dapat disederhanakan dengan pengambilan identitas vektor

A . H a l i m |F i s i k a M o d e r n I |117

( ) = .( . ) − ( . )

Bila medan E tidak divergen, maka . = , sehingga didapat hubungan dalam bentuk

( ) = − ( . ) (3.1f)

Dengan demikian bentuk di atas dapat ditulis menjadi,

. − = 0 (3.2)

Ini merupakan bentuk persamaan gelombang cahaya atau bentuk umum persamaan gelombang elektromagnetik dalam ruang tiga dimensi. Gelombang cahaya tersebut merambat dalam ruang hampa atau dalam ruang yang bebas dari sumber muatan dan sumber arus ( ). Persamaan 3.2 dapat diselesaikan dengan memilih solusi coba- coba

E=Eosin (kz–wt) (3.2a)

Di mana k adalah bilangan gelombang yang besarnya k = 2 /λ, sedangkan w adalah frekuensi angguler. Persamaan (3.20) dan (3.2a) dapat juga diturunkan untuk parameter B. Selanjutnya laju intensitas

(daya) P dapat ditentukan dari defenisi ”vektor poyting”S, yaitu:

= (3.2b)

Dan definisi daya dalam arah z P = S.A

A . H a l i m |F i s i k a M o d e r n I |118

Dengan memanfaatkan dua definisi tersebut, kita dapatkan intensitas gelombang cahaya ditulis dalam bentuk

P = Eo2A sin2(kz–wt) (3.3)

Dalam penjelasan yang akan datang, kita akan kemukakan percobaan yang hasilnya bertentangan dengan persamaan (3.2) dan (3.3). Hal yang menarik dari persamaan (3.3) adalah intensitas berbanding lurus dengan kuadrat amplitudo gelombang Eo2 dan berfluktuasi terhadap waktu frekuensi anggular w = 2 .

Berikut akan kita tunjukkan sesuatu eksperimen, dimana hasil eksperimen tersebut tidak dapat dijelaskan oleh cahaya, bila dianggap gelombang. Bila benda yang dikenai cahaya ukurannya jauh lebih besar dari panjang gelombangnya, maka efek pembiasan dan pemantulan yang lebih menonjol. Sebaliknya bila ukuran benda tersebut mendekati panjang gelombang, maka yang lebih menonjol adalah efek difraksi dan interferensii. Selanjutnya bila ukuran benda sama dengan panjang gelombang cahaya, maka saat cahaya mengenai benda (dalam hal ini sama dengan ukuran atom), maka ia akan diserap dalam bentuk energi radiasi. Kemudian elektron dalam atom akan memanfaatkan energi tersebut untuk membebaskan diri dari ikatan pola atom. Bila elektron berhasil melepaskan diri dari ikatan dengan atom, maka atom tersebut berubah menjadi ion positif atau atom tersebut terionisasi.

Dalam percobaan berikut, sumber cahaya kita gunakan lampu

Neon berwarna ”ultraviolet”, sementara ”benda” yang akan ”ditumbuk” oleh gelombang elektromagnetik u-v adalah tetesan

A . H a l i m |F i s i k a M o d e r n I |119

Gambar 3.1 Illuatrasi percobaan tetesan minyak Andrew Millikan (Sumber: Sutrisno, 2003; 34)

Sebelum percobaan kita laksanakan, kita membuat dulu dugaan berdasarkan persamaan (3.2) dan (3.3). Parameter yang bergetar dalam gelombang cahaya menurut kedua persamaan tersebut adalah medan listrik E. Selanjutnya, dari persamaan (3.3) dapat juga dilihat bahwa intensitas cahaya berbanding lurus dengan kuadrat medan E, ini artinya bial intensitas lemah, maka medan E juga lemah. Dengan kata lain bila intensitas cahaya lemah, maka efek getaran medan E terhadap elektron dalam atom juga lemah, sehingga untuk melepaskan elektron dalam atom memerlukan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan cahaya yang intensitasnya lebih besar. Ini dugaan yang kita buat !!.

Hasil percobaan menunjukkan atom-atom yang terionisasi terjadi setelah cahaya u-v disinari, baik intensitasnya lemah atau kuat ,itu tidak ada beda. Yang membedakan antara kedua intensitas

tersebut adalah ”jumlah” atom yang terionisasi. Untuk intensitas

lemah didapati jumlah atom yang terionisasi sedikit, sementara untuk intensitas kuat didapati jumlah ion yang lebih banyak, tapi keduanya terjadi dalam selang waktu yang sama. Hasilnya ditunjukkan dalam gambar 3.2. Berdasarkan diagram dalam gambar 3.2 tampak bahwa terjadi ionisasi oleh cahaya lemah sama dengan selang waktu yang

A . H a l i m |F i s i k a M o d e r n I |120

terjadi oleh cahaya kuat. Bedanya hanya pada jumlah atom yang terionisasi.

Gambar 3.2 Perbandingan jumlah ion positif terhadap selang waktu pada intensitas lemah dan kuat

(Sumber: Sutrisno, 2003; 35)

Bila dilihat dari hasil di atas, maka definisi intensitas yang diberikan oleh persamaan (3.3) kurang tepat. Seolah-olah definisi

intensitas berbanding lurus dengan jumlah ”sesuatu”, artinya bila intensitas lemah, maka ”sesuatu” itu jumlahnya sedikit, sementara

untuk intensitas kuat jumlahnya banyak. Sesuatu itu sekarang ini kita

kenal dengan istilah ”foton” atau partikel cahaya. Perbandingan

intensitas kuat atau lemah untuk definisi cahaya kita sekarang ditunjukkan oleh gambar 3.3

Akhirnya dapat dikatakan, pada saat cahaya bertumbukan dengan benda berukuran mikro (seperti atom), maka ia berperilaku sebagai partikel yang dikenal dengan foton. Sementara saat cahaya bertumbukan dengan benda berukuran makro (seperti cermin atau air), maka cahaya berperilaku sebagai gelombang. Dalam bahagian selanjutnya kita akan pelajari beberapa percobaan yang memerlukan definisi cahaya sebagai kumpulan partikel.

A . H a l i m |F i s i k a M o d e r n I |121

Gambar 3.3 Model cahaya instensitas lemah (a) dan intensitas kuat (b) (Sumber: Sutrisno, 2003;37)

Halo Sobat Zenius, kali ini gue mau ngebahas tentang Materi Gelombang Cahaya Kelas 11. Bagaimana karakteristik atau sifatnya, ciri-ciri dan penerapannya di berbagai bidang? Yuk, baca sampai selesai.

Gelombang sendiri jika didefinisikan secara singkat adalah getaran yang merambat, namun sebuah getaran belum tentu gelombang dan perlu diingat, ya! Kalo yang dimaksud dengan “merambat” itu hanya energinya saja bukan materinya. 

Contohnya kalo elo lagi di pinggir pantai, dan elo coba taro pelampung atau benda apapun. Nantinya gelombang air laut yang perlahan-lahan menarik benda tersebut ke tengah.  Pelampung atau benda tersebut tertarik ke tengah karena energi dari gelombang air laut, bukan air lautnya yang pindah bukan?

Sedangkan untuk “cahaya” pasti tau kan kalo fungsi cahaya dalam hidup pada dasarnya ya menerangi hidup, namun sebenarnya manfaat cahaya sendiri jauh lebih banyak dari itu.

Kalo kalian search kata “cahaya”  di google, pasti hampir semuanya mendefinisikan cahaya adalah gelombang elektromagnetik.

Elo penasaran gak sih kenapa cahaya itu didefinisikan sebagai gelombang? Emangnya cahaya bergetar? Di artikel ini akan dikasih penjelasannya termasuk pengertian cahaya dan sifat gelombang cahaya dalam ilmu Fisika.

Mengenal Gelombang Cahaya

Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yang kasat mata atau dapat terlihat. Cahaya memiliki spektrum atau paket cahaya yang dipersepsikan secara visual oleh indra penglihatan sebagai warna.  

Alasan kenapa cahaya disebut sebagai gelombang elektromagnetik adalah karena gelombang cahaya yang bergetar adalah medan elektromagnetik dan merambat di ruang tanpa permukaan medium.

Kenapa tanpa medium? Karena di antara matahari bumi ada ruang hampa, yang artinya tidak ada materi atau medium satupun yang bisa digunakan oleh gelombang cahaya untuk merambat.

Sifat Gelombang Cahaya

Meskipun jenis-jenis atau tipe-tipe gelombang ada banyak jenis nya, namun setiap gelombang memiliki sifat dan karakteristiknya masing-masing, berikut beberapa sifat atau karakteristik dari gelombang cahaya. 

Merambat Lurus

Sifat cahaya yang satu ini sepertinya merupakan sifat yang paling umum yang paling mudah elo temukan. Secara natural atau alamiah, cahaya akan memiliki arah rambatan yang lurus. 

Jika ingin membuktikannya, elo bisa mencoba menyalakan senter, laser atau flashlight di ponsel pintar. Cahayanya dapat berubah jika ada gangguan dari faktor eksternal seperti medium rambatan atau dari pergerakan sumber cahaya.

Dapat Dipantulkan (Refleksi)

Bentuk pantulannya berbeda tergantung bidang yang dipantulkan, berdasarkan bentuk pantulannya, jenis pemantulannya dibagi menjadi 2, yaitu dipantulkan dan dibiaskan. Untuk permukaan datar seperti cermin, maka cahaya akan dipantulkan seutuhnya, sedangkan untuk permukaan yang tidak rata seperti batu, maka cahaya akan dibiarkan.

Dapat Dibiaskan (Refraksi)

Refraksi merupakan perubahan arah cahaya datang yang merambat dari medium ke medium yang lain. Pembiasan biasanya terjadi karena adanya perbedaan index bias, dan besarnya perubahan arah yang dihasilkan tergantung dengan index bias kedua mediumnya. 

Contoh yang paling sering ditemukan adalah sedotan dalam gelas berisi air yang terlihat seakan-akan patah. Hal ini dikarenakan udara dan air memiliki index bias yang berbeda.

Dapat Diuraikan (Dispersi)

Dispresi merupakan proses terurainya atau terpisahnya cahaya putih atau cahaya polikromatik menjadi cahaya monokromatik dengan panjang gelombang yang berbeda setelah melewati sebuah medan pembias seperti prisma yang terbuat dari bahan gelas bening, atau yang sering kita temui sehabis hujan yaitu pelangi. 

Dapat Diserap (Absorpsi)

Ketika sebuah bahan atau material transparan yang terkena cahaya, maka sebagian energi dari cahaya tersebut akan terdisipasi (berkurang) oleh material atau bahan tersebut menjadi energi panas. Hal ini terjadi secara alami pada mata kita, untuk melihat warna disekitar kita.

Dapat Disearahkan (Polarisasi)

Polarisasi merupakan keadaan dimana intensitas cahaya berkurang, dikarenakan sifat cahaya yang secara natural tegak lurus dengan arah perambatannya, sehingga cahaya terbatas untuk satu arah bidang, dan jika arahkan ke media polarisator, intensitas cahaya berkurang akibat berkurangnya komponen gelombang cahaya.

Contoh penerapan sifat ini yang paling umum adalah filter pada kamera elo.

Dapat Menembus Benda Bening

Yap cahaya dapat menembus benda bening. Contoh paling umumnya adalah lampu rumah elo. Cahaya dapat menembus kaca pada bohlam lampu rumah sehingga bisa menerangi satu ruangan rumah. 

Mengalami Pelenturan (Difraksi)

Difraksi cahaya merupakan kecenderungan gelombang cahaya dapat menyebar atau berbelok pada celah sempit ketika merambat. Difraksi dapat diamati dalam 2 percobaan yaitu difraksi celah tunggal dan difraksi celah banyak.

Download Aplikasi Zenius

Tingkatin hasil belajar lewat kumpulan video materi dan ribuan contoh soal di Zenius. Maksimalin persiapanmu sekarang juga!

Interferensi Cahaya 

Interferensi Cahaya adalah interaksi atau penjumlahan dari dua gelombang cahaya atau lebih berpadu membentuk gelombang cahaya baru gabungan.  Agar interferensi terjadi diperlukan 2 syarat, yaitu:

• Sumber cahaya harus koheren, yaitu fasenya tetap (satu terhadap yang lain) dan frekuensi yang sama
• Sumber cahaya harus monokromatis, yaitu hanya mempunyai panjang gelombang tunggal

Interferensi Celah Ganda Young

Thomas Young, seorang fisikawan yang banyak berkontribusi di bidang cahaya, mekanika, energi, dan lainnya melakukan percobaan mengenai interferensi cahaya celah ganda dan berhasil mendemonstrasikan interferensi cahaya pada tahun 1801. Sekarang dikenal dengan interferensi celah ganda young.

Interferensi memiliki 2 sifat yang bertolak belakang yaitu membangun atau disebut interferensi konstruktif dan merusak atau disebut interferensi destruktif. Akibat dari kedua sifat ini interferensi cahaya memiliki 2 pola yaitu pola terang dan pola gelap.

Pola Terang dihasilkan karena superposisi yang konstruktif atau saling menguatkan

Pola Gelap dihasilkan karena superposisi yang destruktif atau saling melemahkan 

Dalam interferensi celah ganda young terdapat 2 persamaan, yaitu

Persamaan untuk interferensi maksimum di P (pola terang)

Persamaan untuk interferensi minimum di P (pola gelap)

Dimana, 

p  = Jarak dari garis gelap ke terang pusat

d  = Jarak antar 2 celah 

L  = Jarak celah ke layar

ƛ  = panjang gelombang cahaya

n  = orde interferensi (n= 1, 2, 3,…)

Interferensi pada Selaput Tipis

Sesuai dengan namanya, interferensi ini terjadi di pada lapisan tipis contohnya seperti sabun dan minyak.

Pada percobaan ini didapatkan bahwa jika sinar monokromatik mengenai lapisan tipis maka sebagian cahaya akan dipantulkan dan sebagiannya lagi akan dibiaskan dan kemudian dipantulkan lagi, kombinasi keduanya akan menyebabkan terjadinya interferensi. 

Seberkas cahaya datang pada selaput tipis dan membentuk sudut i, kemudian sebagian cahaya tersebut dipantulkan di bagian atas membentuk pantulan AE, dan sebagian lagi dibiaskan membentuk ABC dan kemudian keduanya saling berinterferensi ke titik P. Dalam interferensi selaput lapis, juga terdapat 2 persamaan, yaitu:

Persamaan untuk interferensi maksimum di P (pola terang)

Persamaan untuk interferensi minimum di P (pola gelap)

Dimana, 

d = tebal lapisan

n = indeks bias lapis tipis

r  = sudut bias sinar

ƛ  = panjang gelombang sinar

m = orde interferensi

Contoh Soal Interferensi Cahaya

Ciri-ciri Gelombang Cahaya

Kalo elo merasa udah kenal sama doi, udah bisa sebutin ciri-cirinya doi belum kayak apa? Kalo belum berarti kalian dianggap belum kenal betul sama dia. Sama halnya dengan gelombang cahaya. Yuk simak beberapa ciri-ciri gelombang cahaya di bawah ini:

1. Cahaya termasuk gelombang mekanis karena dapat merambat dalam ruang hampa dan tanpa medium apapun, karena merupakan gelombang elektromagnetik. 
2. Cahaya termasuk gelombang transversal karena arah rambatnya tegak lurus dengan arah getarannya. 
3. Gelombang cahaya dapat dipantulkan jika mengenai sebuah bidang, baik rata ataupun tidak.
4. Gelombang cahaya dapat diteruskan melalui medium gas, air, ataupun padat. 

Meskipun terlihat mudah soal mengenai ciri-ciri gelombang sering kali menjadi jebakan loh pada saat ujian. Oleh karena itu memahami betul sifat-sifat dan ciri gelombang cahaya sebenarnya juga penting, Sobat Zenius.

Pemanfaatan Cahaya

Perlu diketahui, kalau cahaya dapat dimanfaatkan untuk berbagai hal, salah satunya dalam televisi. Saat ini, layar televisi sudah dibagi menjadi beberapa tipe seperti LCD dan LED. Ukuran untuk televisi pun sudah semakin beragam dan semakin tipis namun dapat menampilkan gambar berkualitas HD maupun 3D.

TV LCD menggunakan teknologi Liquid Crystal Display yang mempunyai dua lapisan kaca terpolarisasi dan saling menempel, di mana satu lapisan kaca terdapat cairan kristal.

Cairan kristal pada lapisan kaca tersebut berguna untuk memblokir cahaya agar menghasilkan gambar pada layar saat arus listrik melewatinya dan dibantu oleh serangkaian lampu neon yang terdapat di belakang layar televisi. Lampu neon ini akan membuat gambar yang dibuat oleh cairan kristal dapat dilihat oleh penonton.

Selanjutnya, TV LED memanfaatkan dua macam teknologi yaitu Full LED dan Edge LED. Sumber cahaya yang digunakan sebelum ini ditukarkan dari lampu kepada LED, sehingga gambar yang dihasilkan lebih jernih dan jelas.

Penerapan Gelombang Cahaya

Biar elo gak penasaran buat apa sih cahaya aja dipelajarin, sebenernya ilmu mengenai gelombang cahaya ini penting dan udah diterapkan dalam kehidupan sehari-hari yang mungkin elo gak sadari.

Selain cahaya berfungsi untuk keringin jemuran atau buat elo bisa bedain siang dan malam, berikut beberapa penerapan gelombang cahaya di bidang teknologi.

Sinar Gamma

Sinar gamma banyak dimanfaatkan dalam dunia pengobatan seperti untuk mendiagnosis dan terapi kanker, dan juga membantu perkembangan dalam bidang pengetahuan astronomi dan fisika. Sinar gamma memiliki frekuensi antara  Hz dengan panjang gelombang antara cm sampai  cm. 

Radar

Radar merupakan alat untuk mendeteksi keberadaan atau letak, kecepatan, dan arah benda dari kejauhan. Radar pada umumnya digunakan untuk sistem navigasi dan pemanduan, selain itu radar juga menghasilkan radiasi frekuensi radio dan masih banyak lagi. 

Sinar-X

Apa elo pernah menemani kerabat atau mengalami sendiri ke rumah sakit untuk melakukan radiografi untuk melihat apakah ada tulang yang patah atau retak? 

Jika iya, elo perlu bersyukur dengan adanya keberadaan sinar-x karena hal ini sangat mempermudah tenaga medis memeriksa kondisi seseorang tanpa harus membedahnya terlebih dahulu.

Sinar-x memiliki frekuensi Hz sampai Hz. Panjang gelombangnya sangat pendek yaitu cm –  cm.

Sekarang elo lebih paham kan mengenai gelombang cahaya, kalo ada yang membingungkan atau elo masih mau tau materi Fisika lainnya dapat langsung klik banner di bawah ini.

Jika elo ingin video penjelasan yang lebih singkat, jelas, dan mudah dimengerti elo bisa cek di Materi Gelombang Cahaya. Di situ, materinya dijelaskan oleh tutor fisika dari Zenius dengan video whiteboard, cuma tinggal login kok!

Selain materi gelombang cahaya ada banyak materi lainnya yang bisa kalian akses, selamat belajar!

Baca Juga Artikel Fisika Lainnya

Materi Konsep Termodinamika

Belajar UTBK Fisika

Persiapan UNBK SMA 2020

Originally Published: December 25, 2020
Updated By: Arieni Mayesha