Gelombang Cahaya - Prinsip Huygens, Refraksi, Difraksi

Konsep cahaya sebagai gelombang
Konsep cahaya sebagai gelombang.

Di dalam dunia fisika, sempat menjadi perbincangan apakah cahaya merupakan gelombang atau partikel. Bapak Einstein mempercayai bahwa, cahaya adalah suatu partikel yang merambat sehingga terbentuklah gelombang.

Daftar Isi

Prinsip Huygens

Tapi jangan dibuat pusing ya kawan, kita gak bakal memperdebatkan masalah itu, pada kesempatan ini kita bakal ngebahas tentang cahaya yang diasumsikan sebagai gelombang.

Cahaya Sebagai Gelombang

Pada pembahasan mengenai ciri-ciri gelombang mekanik, sempat disinggung bahwa cahaya dapat mengalami pembiasan atau refraksi, dan mengalami difraksi.

Menarik untuk diketahui bagaimana proses-proses tersebut diekspresikan secara matematis. Oke kalau gitu, sekarang kita mulai dari mana?

Perdebatan mengenai cahaya apakah partikel atau gelombang, menjadikan kita semata wayang tidak bisa menggunakan persamaan gelombang seperti sebelum-sebelumnya.

Tapi tenang bro, di tahun 1678, seorang fisikawan Belanda bernama Christian Huygens telah membuat suatu prinsip mengenai cahaya sebagai gelombang.

Prinsip gelombang cahaya oleh Christian Huygens

Prinsip beliau kurang lebih dapat diartikan sebagai berikut. Muka gelombang (suatu bidang yang tegak lurus terhadap arah rambat) cahaya yang terbentuk pada suatu waktu, misal t, maka titik-titik pada muka gelombang tersebut berperan sebagai sumber cahaya yang membentuk sebuah riakkan.

Kemudian, apabila cahaya telah melakukan rambatan satu panjang gelombang. Terus kita cari lagi muka gelombang berhimpit secara tegak lurus terhadap seluruh riakan yang dihasilkan oleh muka gelombang pertama. Maka muka gelombang tersebut akan berperan sebagai sumber cahaya, dan begitu seterusnya.

Refraksi

Kalau kalian sudah sampai materi ini, harusnya sudah pada tahu kan kalau refraksi itu adalah fenomena pembelokkan cahaya. Tapi, seperti apa sih representasi matematisnya?

Oke, dengan menggunakan prinsip Huygens sebelumnya, kita bisa mengetahui bagaimana proses refraksi itu dimodelkan. Tapi kita harus tahu dulu mengapa cahaya berbelok ketika merambat pada dua medium yang berbeda, misal dari udara terus ke air.

Hukum Snellius

Hal tersebut dapat terjadi karena adanya penurunan cepat rambat cahaya saat di air. Nah terus apa hubungannya dengan berbeloknya?

Sebenarnya cahaya tidak akan mengalami refraksi kalau cahaya jatuh secara tegak lurus pada permukaan air.

Namun, pembelokkan cahaya tersebut terjadi ketika ada sudut lancip yang dibentuk. Saat cahaya memasuki air, kecepatannya menjadi menurun atau melambat, nah kalau berdasarkan prinsip Huygens sebelumnya, semua titik sumber berada pada muka gelombang yang sama.

Untuk mengkompensasi adanya kelajuan yang melambat itu, dilakukanlah pembelokkan supaya berada pada muka gelombang yang sama.

Pemaparan fenomena refraksi dengan prinsip Huygens

Sebagai informasi, frekuensi suatu gelombang cahaya selalu sama pada medium apa pun, dengan demikian, karena v = \lambda f, kita punya persamaan.

\frac{v_1}{\lambda_1} = \frac{v_2}{\lambda_2} \rightarrow \frac{\lambda_2}{\lambda_1} = \frac{v_2}{v_1}

Perhatikan bahwa, kita bisa memanfaatkan dua segitiga dengan masing-masing sisinya adalah panjang gelombang, dan dengan diagonal yang sama yaitu warna garis merah tersebut.

Dengan demikian, kita dapatkan hubungan kedua sudut antara \theta_1 dan \theta_2.

\sin\,\theta_1 = \frac{\lambda_1}{d}
\sin\,\theta_2 = \frac{\lambda_2}{d}

Kemudian kita bandingkan kedua persamaan, menjadi.

\frac{\sin\,\theta_2}{\sin\,\theta_1} = \frac{\lambda_2}{\lambda_1}

Kalau kita definisikan perbandingan antara kelajuan cahaya di vakum dengan di medium, n = \frac{c}{v}, dengan c adalah kelajuan cahaya, maka didapatlah suatu hukum yang disebut sebagai hukum Snellius.

n_1\sin\,\theta_1 = n_2\sin\,\theta_2

Indeks Refraksi

Indeks refraksin_i menentukan seberapa besar pengaruh medium terhadap kelajuan gelombang cahaya dalam suatu medium. Nilai tercil dari indeks ini yakni sebesar 1, yaitu nilai yang dimiliki ruang hampa.

Air mempunyai indeks refraksi sebesar 1.333, yang artinya mempunyai kecepatan 1.333 kali lebih lambat dari kelajuan maksimal cahaya.

Dari persamaan sebelumnya juga didapat bahwa, semakin besar penurunan kelajuannya (maka n kecil) semakin besar sudut simpangannya (\sin\,\theta besar, sehingga sudut \theta juga sudah pasti besar).

Difraksi dan Interferensi Gelombang Cahaya

Kali ini kita bakal ngebahas tentang eksperimen nih, yaitu eksperimen yang dilakukan oleh Bapak Fresnel. Intinya, difraksi ini merupakan kecenderungan cahaya untuk menyebar saat melalui suatu halangan yang terdapat sebuah celah.

Difraksi Celah Tunggal

Kalau kita mendalami fenomena tersebut, tentu kalian akan berpikir bahwa cahaya bukanlah seperti suatu sinar yang lurus.

Ada satu hal yang menarik, mengapa ada pola gelap dan terang yang muncul? Seolah-olah kayak ada gelombang cahaya yang saling superposisi padahal celah cuman satu.

Difraksi pada suatu gelombang cahaya yang melalui celah atau kisi tunggal

Lagi-lagi prinsip Huygens membantu kita menjelaskan hal tersebut, perlu diketahui bahwa, muka gelombang yang melalui celah atau kisi, maka muka gelombang tersebut berperan sebagai sumber cahaya.

Kemudian beberapa sumber tersebut saling interferensi, ada yang destruktif (gelap) dan ada pula yang konstruktif (terang).

Umumnya orang-orang tertarik dengan pola gelap yang muncul pada dinding atau layar, kita langsung aja kali ini, pola tersebut ialah.

a\sin\,\theta=n\lambda, n=1,2,3,\dotsc

Dengan a adalah lebar celah, \lambda adalah panjang gelombang, dan n adalah urutan gelap itu muncul dimulai dari tengah.

Sebenernya ketika kita menjelaskan proses difraksi, secara tidak sengaja kita juga menggunakan konsep interferensi di dalamnya.

Difraksi Celah Ganda

Kemampuan untuk ber-interferensi merupakan salah satu sifat gelombang. Dan di sisi lain, terdapat eksperimen yang dilakukan oleh Bapak Thomas Young dengan skema yang serupa seperti sebelumnya, pada jamannya eksperimen tersebut memperkuat ide bahwa cahaya merupakan suatu gelombang.

Pada eksperimen yang satu ini, Pak Young menggunakan dua celah yang sangat kecil, ini yang membedakkan dengan eksperimen Pak Fresnel.

Difraksi pada suatu gelombang cahaya yang melalui celah atau kisi ganda

Untuk eksperimen ini, kita juga tertarik pada pola gelap dan terangnya, seperti sebelumnya kita langsung aja, untuk pola terangnya yaitu.

a\sin\,\theta=n\lambda, n=1,2,3,\dotsc

Sedangkan untuk pola yang gelapnya, yaitu.

a\sin\,\theta=\left(n+\frac{1}{2}\right)\lambda, n=1,2,3,\dotsc

Dengan penjelasan parameter yang sama seperti pada eksperimen celah tunggal.

Label

Komentar

Search icon