Cahaya dalam Fisika

Fisika merupakan ilmu yang mempelajari banyak hal dalam kehidupan sehari-hari yang berhubungan dengan gejala-gejala fisik alam. Sehingga banyak dari gejala yang terjadi dapat dijelaskan dengan menggunakan teori fisika. Teori-teori inilah yang menjadi landasan bagi ilmuan untuk merumuskan permasalahan dan menemukan penyelesaian dari masalah tersebut.

Salah satu cabang fisika yang banya memberi konstribusi bagi kehidupan manusia adalah "cahaya". Penjelasan secara terperincih mengenai cahaya akan dibahas pada kesempatan ini sengan menggunakan beberapa reverensi. cahaya merupakan salah satu unsur terpenting  yang dibuthkan oleh mahluk hidup untuk bertahan hidup, dengan kata lain mahluk hidup tidak dapat berpisah dengan cahaya.

Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik yang kasat mata dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nm. Pada bidang fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak. Gelombang elektromagnetik dapat digambarkan sebagai dua buah gelombang yang merambat secara transversal pada dua buah bidang tegak lurus yaitu medan magnetik dan medan listrik. Merambatnya gelombang magnet akan mendorong gelombang listrik, dan sebaliknya, saat merambat, gelombang listrik akan mendorong gelombang magnet.

Diagram di atas menunjukkan gelombang cahaya yang merambat dari kiri ke kanan dengan medan listrik pada bidang vertikal dan medan magnet pada bidang horizontal. Selain itu, cahaya adalah paket partikel yang disebut foton. Kedua definisi tersebut merupakan sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan sehingga disebut "dualisme gelombang-partikel". Paket cahaya yang disebut spektrum kemudian dipersepsikan secara visual oleh indera penglihatan sebagai warna. Bidang studi cahaya dikenal dengan sebutan optika, merupakan area riset yang penting pada fisika modern.

Studi mengenai cahaya dimulai dengan munculnya era optika klasik yang mempelajari besaran optik seperti: intensitas, frekuensi atau panjang gelombang, polarisasi dan fase cahaya. Sifat-sifat cahaya dan interaksinya terhadap sekitar dilakukan dengan pendekatan paraksial geometris seperti refleksi dan refraksi, dan pendekatan sifat optik fisisnya yaitu: interferensi, difraksi, dispersi, polarisasi. Masing-masing studi optika klasik ini disebut dengan optika geometris (en:geometrical optics) dan optika fisis (en:physical optics).

Pada puncak optika klasik, cahaya didefinisikan sebagai gelombang elektromagnetik dan memicu serangkaian penemuan dan pemikiran, sejak tahun 1838 oleh Michael Faraday dengan penemuan sinar katode, tahun 1859 dengan teori radiasi massa hitam oleh Gustav Kirchhoff, tahun 1877 Ludwig Boltzmann mengatakan bahwa status energi sistem fisik dapat menjadi diskrit, teori kuantum sebagai model dari teori radiasi massa hitam oleh Max Planck pada tahun 1899 dengan hipotesa bahwa energi yang teradiasi dan terserap dapat terbagi menjadi jumlahan diskrit yang disebut elemen energi, E.

Pada tahun 1905, Albert Einstein membuat percobaan efek fotoelektrik, cahaya yang menyinari atom mengeksitasi elektron untuk melejit keluar dari orbitnya. Pada pada tahun 1924 percobaan oleh Louis de Broglie menunjukkan elektron mempunyai sifat dualitas partikel-gelombang, hingga tercetus teori dualitas partikel-gelombang.

Albert Einstein kemudian pada tahun 1926 membuat postulat berdasarkan efek fotolistrik, bahwa cahaya tersusun dari kuanta yang disebut foton yang mempunyai sifat dualitas yang sama. Karya Albert Einstein dan Max Planck mendapatkan penghargaan Nobel masing-masing pada tahun 1921 dan 1918 dan menjadi dasar teori kuantum mekanik yang dikembangkan oleh banyak ilmuwan, termasuk Werner Heisenberg, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, David Hilbert, Roy J. Glauber dan lain-lain.

Era ini kemudian disebut era optika modern dan cahaya didefinisikan sebagai dualisme gelombang transversal elektromagnetik dan aliran partikel yang disebut foton. Pengembangan lebih lanjut terjadi pada tahun 1953 dengan ditemukannya sinar maser, dan sinar laser pada tahun 1960. Era optika modern tidak serta merta mengakhiri era optika klasik, tetapi memperkenalkan sifat-sifat cahaya yang lain yaitu difusi dan hamburan.

Kelajuan cahaya (kelajuan cahaya dalam ruang vakum; kecepatan cahaya) adalah sebuah konstanta fisika yang disimbolkan dengan huruf c, singkatan dari celeritas (yang dirujuk dari dari bahasa Latin) yang berarti "kecepatan". Konstanta ini sangat penting dalam fisika dan bernilai 299.792.458 meter per detik. Nilai ini merupakan nilai eksak disebabkan oleh panjang meter didefinisikan berdasarkan konstanta kelajuan cahaya.[1] Kelajuan ini merupakan kelajuan maksimum yang dapat dilajui oleh segala bentuk energi, materi, dan informasi dalam alam semesta. Kelajuan ini merupakan kelajuan segala partikel tak bermassa dan medan fisika, termasuk radiasi elektromagnetik dalam vakum. Kelajuan ini pula menurut teori modern adalah kelajuan gravitasi (kelajuan dari gelombang gravitasi). Partikel-partikel maupun gelombang-gelombang ini bergerak pada kelajuan c tanpa tergantung pada sumber gerak maupun kerangka acuan inersial pengamat. Dalam teori relativitas, c saling berkaitan dengan ruang dan waktu. Konstanta ini muncul pula pada persamaan fisika kesetaraan massa-energi E = mc2.

Kelajuan cahaya yang merambat melalui bahan-bahan transparan seperti gelas ataupun udara lebih lambat dari c. Rasio antara c dengan kecepatan v(kecepatan rambat cahaya dalam suatu materi) disebut sebagai indeks refraksi n material tersebut (n = c / v). Sebagai contohnya, indeks refraksi gelas umumnya berkisar sekitar 1,5, berarti bahwa cahaya dalam gelas bergerak pada kelajuan c / 1,5 ≈ 200.000 km/s; indeks refraksi udara untuk cahaya tampak adalah sekitar 1,0003, sehingga kelajuan cahaya dalam udara adalah sekitar 90 km/s lebih lambat daripada c.

Meski bergerak dengan kecepatan tinggi, bukan berarti cahaya tidak dapat dihentikan. Ilmuwan telah berhasil menghentikan laju cahaya selama satu menit menggunakan prinsip fisika kuantum. Sebelumnya pada tahun 1999 mereka mampu memperlambat gerak cahaya higga 17 meter per detik. Hal ini mampu memberikan kemajuan dalam mengembangkan komunikasi kuantum.

Dalam banyak hal, cahaya dapat dianggap bergerak secara langsung dan instan, namun untuk jarak yang sangat jauh, batas kelajuan cahaya akan memberikan dampak pada pengamatan yang terpantau. Dalam berkomunikasi dengan wahana antariksa, diperlukan waktu berkisar dari beberapa menit sampai beberapa jam agar pesan yang dikirim oleh wahana tersebut diterima oleh Bumi. Cahaya bintang yang kita lihat di angkasa berasal dari cahaya bintang yang dipancarkan bertahun-tahun lalu. Hal ini mengijinkan kita untuk mengkaji dan mempelajari sejarah alam semesta dengan melihat benda-benda yang sangat jauh. Kelajuan cahaya yang terbatas juga membatasi kecepatan maksimum komputer, oleh karena informasi harus dikirim dari satu chip ke chip lainnya dalam komputer.

Read more...

Difraksi Cahaya

Kamu telah tahu bahwa difraksi adalah peristiwa pelenturan muka gelombang ketika melewati celah sempit. Pola difraksi gelombang cahaya dapat diamati dengan eksperimen menggunakan difraksi celah tunggal dan kisi difraksi.

1. Difraksi celah tunggal

Setiap titik pada celah tunggal dapat dianggap sebagai sumber gelombang sekunder. Selisih antara kedua berkas yang terpisah sejauh d adalah d sin θ.

 

Gambar 6. Pola difraksi celah tunggal.

Analogi dengan pola interferensi celah ganda Young, pola terang difraksi celah tunggal diperoleh jika:

d sin θ = n λ, dengan n = 0, 1, 2, 3, …

dengan d adalah lebar celah.

Interferensi minimum (garis gelap) terjadi jika

d sin θ = (n – ½ )λ, dengan n = 1, 2, 3, …

 2. Difraksi pada kisi

Kisi difraksi terdiri atas banyak celah dengan lebar yang sama. Lebar tiap celah pada kisi difraksi disebut konstanta kisi dan dilambangkan dengan d. Jika dalam sebuah kisi sepanjang 1 cm terdapat N celah konstanta kisinya adalah:

Pola terang oleh kisi difraksi diperoleh jika:

d sin θ = n λ, dengan n =0, 1, 2, 3, …

dengan d adalah konstanta kisi dan θ adalah sudut difraksi.

Interferensi minimum (garis gelap) terjadi jika

d sin θ = (n – ½ )λ, dengan n =1, 2, 3, …

Gambar 7. Skema difraksi oleh kisi.

Dalam optika dikenal difraksi Fresnel dan difraksi Fraunhofer. Difraksi Fresnel terjadi jika gelombang cahaya melalui celah dan terdifraksi pada daerah yang relatif dekat, menyebabkan setiap pola difraksi yang teramati berbeda-beda bentuk dan ukurannnya, relatif terhadap jarak. Difraksi Fresnel juga disebut difraksi medan dekat.

Difraksi Fraunhofer terjadi jika gelombang medan melalui celah atau kisi, menyebabkan perubahan hanya pada ukuran pola yang teramati pada daerah yang jauh. Gelombang-gelombang cahaya yang keluar dari celah atau kisi pada difraksi Fraunhofer hampir sejajar. Difraksi fraunhofer juga disebut difraksi medan jauh.

Daya Urai Optik

Jika kita memiliki dua benda titik yang terpisah pada jarak tertentu, bayangan kedua benda bukanlah dua titik tetapi dua pola difraksi.  Jika jarak pisah kedua benda titik terlalu dekat maka pola difraksi kedua benda saling menindih.

Kriteria Rayleigh yang ditemukan Lord Rayleigh menyatakan bahwa dua benda titik yang dapat dibedakan oleh alat optik, jika pusat pola difraksi benda titik pertama berimpit dengan pita gelap  (minimum) ke satu pola difraksi benda kedua.

Ukuran sudut pemisah agar dua benda titik masih dapat dipisahkan secara tepat berdasarkan Kriteria Rayleigh disebut sudut resolusi minimum (θm)

D=diameter bukaan alat optik

l =jarak celah ke layar

dm=jari-jari lingkaran terang

θ = sudut resolusi

Pola difraksi dapat diperoleh dengan menggunakan sudut θ yang menunjukkan ukuran sudut dari setiap cincin yang dihasilkan dengan persamaan:

dengan λ merupakan panjang gelombang cahaya yang digunakan.

Untuk sudut-sudut kecil, maka diperoleh θ≈sinθ ≈ tan θ = dm/l dan sama dengan sudutnya θ  sehingga dapat ditulis:

Read more...

10 Teori Tentang Cahaya

10 Teori Cahaya :

1. AL-KINDI 

Seorang Ilmuwan Muslim yang mencurahkan pikirannya untuk mengkaji ilmu optik adalah Al-Kindi (801 M - 873 M). Hasil kerja kerasnya mampu menghasilkan pemahaman baru tentang refleksi cahaya serta prinsip-prinsip persepsi visual. Buah pikir Al-Kindi tentang optik terekam dalam kitab berjudul “De Radiis Stellarum”. Buku yang ditulisnya itu sangat berpengaruh bagi sarjana Barat seperti Robert Grosseteste dan Roger Bacon.

Tak heran, bila teori-teori yang dicetuskan Al-Kindi tentang ilmu optik telah menjadi hukum-hukum perspektif di era Renaisans Eropa. Secara lugas, Al-Kindi menolak konsep tentang penglihatan yang dilontarkan Aristoteles. Dalam pandangan ilmuwan Yunani itu, penglihatan merupakan bentuk yang diterima mata dari obyek yang sedang dilihat. Namun, menurut Al-Kindi, penglihatan justru ditimbulkan daya pencahayaan yang berjalan dari mata ke obyek dalam bentuk kerucut radiasi yang padat.

2. TEORI PARTIKEL/ZARAH

Sir Isaac Newton (1642-1727) merupakan ilmuwan berkebangsaan Inggris yang mengemukakan pendapat bahwa,

“Dari sumber cahaya dipancarkan partikel-partikel yang sangat kecil dan ringan ke segala arah dengan kecepatan yang sangat besar. Bila partikel-partikel ini mengenai mata, maka manusia akan mendapat kesan melihat benda tersebut.”

Alasan dikemukakanya teori ini adalah sebagai berikut:

• Karena partikel cahaya sangat ringan dan berkecepatan tinggi maka cahaya dapat merambat lurus tanpa terpengaruh gaya gravitasi bumi.

• Ketika cahaya mengenai permukaan yang halus maka cahaya akan akan dipantulkan dengan sudut sinar datang sama dengan sudut sinar pantul sehingga sesuai dengan hukum pemantulan Snellius. Peristiwa pemantulan ini dijelaskan oleh Newton dengan menggunakan bantuan sebuah bola yang dipantulkan di atas bidang pantul.

• Alasan berikutnya adalah pada peristiwa pembiasan cahaya yang disamakan dengan peristiwa menggelindingnya sebuah bola pada papan yang berbeda ketinggian yang dihubungkan dengan sebuah bidang miring. Dari permukaan yang lebih tinggi bola digelindingkan dan akan terus menggelinding melalui bidang miring sampai akhirnya bola akan menggelinding di permukaan yang lebih rendah. Jika diamati perjalanan bola, maka sebelum melewati bidang miring lintasan bola akan membentuk sudut α terhadap garis tegak lurus pada bidang miring. Setelah melewati bidang miring lintasan bola akan membentuk sudut β terhadap garis tegak lurus pada bidang miring. Jika permukaan atas dianggap sebagai udara dan permukaan bawah dianggap sebagai air serta bidang miring merupakan batas antara udara dan air, gerak bola dianggap sebagai jalannya pembiasan cahaya dari udara ke air, maka Newton menganggap bahwa kecepatan cahaya dalam air lebih besar dari pada kecepatan cahaya dalam udara.

Pendapat ini masih bertahan hingga akhirnya seorang ahli fisika Prancis, Jean Focault (1819 - 1868) melakukan percobaan tentang pengukuran kecepatan cahaya dalam berbagai medium. Dalam percobaannya Jeans Focault mendapatkan kesimpulan bahwa kecepatan cahaya dalam air lebih kecil dari pada kecepatan cahaya dalam udara.

3. TEORI KUANTUM

Adalah Max Planck (1858-1947), ilmuwan fisika teori Jerman, yang mencetuskan gagasan awal tentang teori kuantum. Ini lahir dari upayanya untuk menjelaskan teka-teki fisika yang berkaitan dengan pancaran tenaga (energi) gelombang elektromagnet oleh benda (hitam) panas. Pemecahannya ia temukan pada 1901 dengan anggapan bahwa “tenaga gelombang elektromagnet dipancarkan dan diserap bahan dalam bentuk catu-catu tenaga (diskrit) yang sebanding dengan frekuensi gelombang elektromagnet”.

Catu tenaga ini disebutnya kuanta (latin: sekian banyak: kuantum, bentuk tunggalnya). Dengan demikian, tahun 1901 dicatat sebagai awal bergilirnya bola teori kuantum. Namun, para fisikawan seangkatannya memandang gagasan Planck ini tidak mempunyai makna fisika yang jauh melainkan sekadar sebagai suatu kiat matematika belaka.

Empat tahun kemudian, pemuda Albert Einstein (1879-1955) mencatat dirinya sebagai orang pertama yang menerapkan gagasan Planck lebih jauh dalam fisika. Salah satunya, berkaitan dengan “efek fotolistrik”, yaitu teka-teki terbebaskannya elektron-elektron dari permukaan logam bila disinari cahaya (gelombang elektromagnet).

Penjelasannya, karena elektron-elektron itu ditumbuk dan ditendang keluar oleh kuanta-kuanta cahaya yang berperilaku sebagai partikel (zarah). Kuanta cahaya ini disebut Einstein, foton. Dengan demikian, cahaya (gelombang elektromagnet) yang mulanya dipandang sebagai gelombang, kini diperlakukan pula sebagai partikel oleh Einstein.

Bahwa foton menumbuk elektron, seperti halnya tumbukan dua bola bilyard, kemudian dibuktikan dengan percobaan oleh Arthur H. Compton (1892-1962) dari Amerika Serikat pada 1923, yang mengabadikan namanya dengan peristiwa itu.

Gelombang partikel

Gagasan foton Einstein kemudian diterapkan Louis de Broglie pada 1922, sebelum Compton membuktikannya, untuk menurunkan Hukum Wien (1896). Ini menyatakan bahwa “bagian tenaga elektromagnet yang paling banyak dipancarkan benda (hitam) panas adalah yang frekuensinya sekitar 100 milyar kali suhu mutlak (273 + suhu Celsius) benda itu”. Pekerjaan ini ternyata memberi dampak yang berkesan bagi de Broglie.

Pada musim panas 1923, de Broglie menyatakan, “secara tiba-tiba muncul gagasan untuk memperluas perilaku rangkap (dual) cahaya mencangkup pula alam partikel”. Ia kemudian memberanikan diri dengan mengemukakan bahwa “partikel, seperti elektron juga berperilaku sebagai gelombang”. Gagasannya ini ia tuangkan dalam tiga makalah ringkas yang diterbitkan pada 1924; salah satunya dalam jurnal vak fisika Perancis, Comptes Rendus.

Penyajiannya secara terinci dan lebih luas kemudian menjadi bahan tesis doktoralnya yang ia pertahankan pada November 1924 di Sorbonne, Paris. Tesis ini berangkat dari dua persamaan yang telah dirumuskan Einstein untuk foton, E=hf dan p=h/. Dalam kedua persamaan ini, perilaku yang “berkaitan” dengan partikel (energi E dan momentum p) muncul di ruas kiri, sedangkan ruas kanan dengan gelombang (frekuensi f dan panjang gelombang , baca: lambda). Besaran h adalah tetapan alam yang ditemukan Planck, tetapan Planck.

Secara tegas, de Broglie mengatakan bahwa hubungan di atas juga berlaku untuk partikel. Ini merupakan maklumat teori yang melahirkan gelombang partikel atau de Broglie. Untuk partikel, seperti elektron, momentum p adalah hasilkali massa (sebanding dengan berat) dan lajunya. Karena itu, panjang gelombang de Broglie berbanding terbalik dengan massa dan laju partikel. Sebagai contoh, elektron dengan laju 100 cm per detik, panjang gelombangnya sekitar 0,7 mm.

4. TEORI GELOMBANG ROBERT HOOKE

Tidak berlebihan bila kita menyebutkan bahwa Ilmu Kekuatan Material (Strength of Material), dibangun di atas hukum Hooke. Oleh karenanya nama Robert Hooke sangat familiar bagi siapa saja yang menggeluti dunia mekanika material. Hukum Hooke itu berbunyi,perubahan panjang suatu benda berbanding lurus dengan beban yang diterimanya. Material yang memenuhi syarat ini terkenal dengan namaHookean Material.Sedangkan yang tidak, seperti karet dan sebagian besar polimer yang superelastis, disebut Non-Hookean Material.

Hooke adalah seorang genius yang memiliki keahlian di banyak bidang, antara lain biologi, arsitektur, filsafat, mekanika, bahkan astronomi. Tapi sayang Robert Hooke tidak mendapatkan penghargaan yang setimpal dengan karyanya dari sejarah. Salah satu penyebabnya adalah, dia menjadi rival berat Isaac Newton dan menjadi salah satu penentang sengit teori-teori Newton. Pada akhirnya sejarah lebih berpihak kepada Newton, dan menenggelamkan nama Robert Hooke.

Lahir tahun 1635, di Pulau White, dekat kota Portsmouth Inggris bagian selatan. Putera kedua seorang asisten gereja. Setelah lulus dari Oxford University, Hooke memulai karirnya sebagai peneliti dengan menjadi asisten Professor Robert Boyle (perumus hukum termodinamika Boyle). Setelah itu Hooke menjadi sekjen Asosiasi Peneliti London (New Royal Society) yang didirikan oleh ratu Inggris. Pada tahun 1672, Newton yang baru saja menjadi anggota asosiasi tersebut mengeluarkan teorinya bahwa cahaya terdiri dari partikel (corpuscular theory). Terhadap hipotesa ini Hooke menentang dengan sangat sengit dan menguatkan teori bahwa,

“cahaya adalah gelombang (wave theory).. Pada sains modern akhirnya terbukti bahwa cahaya memiliki dualisme antara sifat partikel dan gelombang.”

Pada tahun 1687, Newton menulis buku fenomenalnya The Principiadan di dalamnya ada hukum mengenai gravitasi universal, yang besarnya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara dua benda. Hukum ini bisa menjelaskan postulat-postulat sebelumnya dari Kepler dan lainnya. Hooke mengklaim bahwa ide besar tersebut berasal darinya dan Newton mengambilnya dari korespondensi mereka berdua.

Setelah Hooke meninggal tahun 1703, Newton terpilih menjadi presiden Royal Society. Diceritakan bahwa ketika gedung Royal Society dipindah, Newton melenyapkan semua gambar dan paper Hooke yang ada di dalam gedung lama. Karena itu Hooke terkadang disebut sebagai, “Manusia Yang Dihapus Oleh Newton”. Mungkin karena temperamennya yang dikenal tidak stabil, Hooke meski menyandang julukan Da Vinci abad ke-17 tidak mendapat popularitas yang selevel dengan karya-karyanya.

5. TEORI EUCLID DAN PTOLEMY

Teori tentang penglihatan dicetuskan oleh Ptolomeus dan Euclid. Menurut mereka,

“ penglihatan dihasilkan oleh pancaran cahaya dari mata.”

Namun, teori ini tidak bisa memberikan penjelasan yang masuk akal. Teori ini juga tidak bisa menjelaskan mengapa ukuran objek bergantung dari jarak objek dengan orang yang melihatnya.

6. TEORI ELEKTROMAGNETIK FARADAY

Pada 1845 Faraday menemukan bahwa sudut polarisasi dari sebuah sinar cahaya ketika sinar tersebut masuk melewati material pemolarisasi dapat diubah dengan medan magnet.Ini adalah bukti pertama kalau cahaya berhubungan dengan Elektromagnetisme. Faraday mengusulkan pada tahun 1847 bahwa cahaya adalah getaran elektromagnetik berfrekuensi tinggi yang dapat bertahan walaupun tidak ada medium.

Teori ini diusulkan oleh James Clerk Maxwell pada akhir abad ke-19, menyebut bahwa gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnet sehingga tidak memerlukan medium untuk merambat. Pada permukaannya dianggap gelombang cahaya disebarkan melalui kerangka acuan yang tertentu, seperti aether, tetapi teori relativitas khususmenggantikan anggapan ini. Teori elektromagnet menunjukkan yang sinar kasat mata adalah sebagian daripada spektrum elektromagnet. Teknologi penghantaran radio diciptakan berdasarkan teori ini dan masih digunakan.

Kecepatan cahaya yang konstan berdasarkan persamaan Maxwell berlawanan dengan hukum-hukum mekanis gerakan yang telah bertahan sejak zaman Galileo, yang menyatakan bahwa segala macam laju adalah relatif terhadap laju sang pengamat. Pemecahan terhadap kontradiksi ini kelak akan ditemukan olehAlbert Einstein.

7. TEORI DUALITAS PARTIKEL GELOMBANG

Teori ini menggabungkan tiga teori yang sebelumnya, dan menyatakan bahwa cahaya adalah partikel dan gelombang. Ini adalah teori modern yang menjelaskan sifat-sifat cahaya, dan bahkan sifat-sifat partikel secara umum. Teori ini pertama kali dijelaskan olehAlbert Einstein pada awal abad 20, berdasarkan dari karya tulisnya tentang efek fotolistrik, dan hasil penelitian Planck. Einstein menunjukkan bahwa energi sebuah foton sebanding dengan frekuensinya. Lebih umum lagi, teori tersebut menjelaskan bahwa, semua benda mempunyai sifat partikel dan gelombang, dan berbagai macam eksperimen dapat di lakukan untuk membuktikannya. Sifat partikel dapat lebih mudah dilihat apabila sebuah objek mempunyai massa yang besar.

Pada pada tahun 1924 eksperimen oleh Louis de Brogliemenunjukanelektron juga mempunyai sifat dualitas partikel-gelombang. Einstein mendapatkan penghargaan Nobel pada tahun 1921 atas karyanya tentang dualitas partikel-gelombang pada foton, dan de Broglie mengikuti jejaknya pada tahun 1929 untuk partikel-partikel yang lain.

8. TEORI ABAD KE 10

Ilmuwan Abu Ali Hasan Ibn Al-Haitham (965–sekitar 1040), dikenal juga sebagai Alhazen, mengembangkan teori yang menjelaskan penglihatan, menggunakan geometri dan anatomi. Teori itu menyatakan bahwa,

“setiap titik pada daerah yang tersinari cahaya, mengeluarkan sinar cahaya ke segala arah, namun hanya satu sinar dari setiap titik yang masuk ke mata secara tegak lurus yang dapat dilihat. “

Cahaya lain yang mengenai mata tidak secara tegak lurus tidak dapat dilihat. Dia menggunakan kamera lubang jarum sebagai contoh, yang menampilkan sebuah citra terbalik. Alhazen menganggap bahwa sinar cahaya adalah kumpulan partikel kecil yang bergerak pada kecepatan tertentu.

9. TEORI GELOMBANG/RAY

Teori gelombang berjalan merupakan suatu model matematika yangpenting di dalam ilmu fisika. Banyak fenomena alamyang nampaknyatidaksaling berkaitandapat diterangkanmenggunakan solusi persamaan gelombang, yakni persamaan dasar teori gelombang. Teorigelombang adalah satu bagian yang fundamentaldari teori kuantum modern dan solusi-solusipersamaan gelombang digunakan untuk menjelaskan sejumlah gejala-gejala klasik.Pemahaman yang baik mengenaiteori gelombang dikembangkandalam konsep cahaya akanmembantu di dalam memahami gejala phisik yang berbeda-beda seperti gelombang padapermukaan air, getaran pada dawai dan pegas, dan gelombang seismic.

Persaman matematika yang biasa digunakan dalam teori gelombang adalah persamaan diferensial orde kedua dan persamaan diferensial parsial.

Christian Huygens (1629-1695) mengembangkan teori gelombang cahaya . tahun 1678. Isaac Newton (1642-1727) mengusulkan satu teori berdasarkan pada partikel dari cahaya tampak.Ilmuwan newton memicu perselisihan pendapat dari beberapa ilmuwansepanjang abad 18th, sebagai contoh Leonard Euler (1707-1783) dan Benyamin Franklin(1706-1790), menerima teori gelombang dan menolak teori partikel dari Newton. Pada tahun1801 Thomas Young (1773-1829) dan pada tahun 1814 Augustin Jean Fresnel (1788-1827)melakukan percobaan-percobaanuntuk menunjukkan difraksi dan interferens cahaya danmemberikan penjelasan teoritis dari percobaan-percobaan melalui penggunaan teori gelombang. Fresnel bisa menjelaskan perambatan lurus menggunakan teori gelombang, dengan demikian dia dapat menjelaskan dari kelemahan utama Newton tentang teori gelombang. Teori gelombang ini menyatakan bahwa,

“gelombang cahaya akan berinterferensi dengan gelombang cahaya yang lain seperti gelombang bunyi (seperti yang disebut oleh Thomas Youngpada kurun ke-18), dan cahaya dapat dipolarisasikan.”

Kelemahan teori ini adalah gelombang cahaya seperti gelombang bunyi, memerlukan medium untuk dihantar. Suatu hipotesis yang disebutluminiferous aether telah diusulkan, tetapi hipotesis itu tidak disetujui.

10. TEORI ELEKTROMAGNETIK MAX WELL

Percobaan James Clerk Maxwell (1831 - 1879) seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris (Scotlandia) menyatakan bahwa cepat rambat gelombang elektromagnetik sama dengan cepat rambat cahaya yaitu 3×108 m/s, oleh karena itu Maxwell berkesimpulan bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Kesimpulan Maxwell ini di dukung oleh:

Seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman, Heinrich Rudolph Hertz (1857 - 1894) yang membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik merupakan gelombang tranversal. Hal ini sesuai dengan kenyataan bahwa cahaya dapat menunjukkan gejala polarisasi.

Percobaan seorang ilmuwan berkebangsaan Belanda, Peter Zeeman (1852 - 1943) yang menyatakan bahwa medan magnet yang sangat kuat dapat berpengaruh terhadap berkas cahaya.

Percobaan Stark (1874 - 1957), seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman yang mengungkapkan bahwa medan listrik yang sangat kuat dapat mempengaruhi berkas cahaya.

“ Source : http://bepositive7.multiply.com “

Read more...

Pembiasan Cahaya

 Cahaya

Berkas cahaya dari udara yang masuk ke dalam kaca akan mengalami pembelokan. Peristiwa tersebut disebut pembiasan cahaya. Hal ini disebabkan medium udara dan medium kaca memiliki kerapatan optik yang berbeda. Jadi, kamu dapat menyimpulkan bahwa pembiasan cahaya terjadi akibat cahaya melewati dua medium yang berbeda kerapatan optiknya. Sinar bias akan mendekati garis normal ketika sinar datang dari medium kurang rapat (udara) ke medium lebih rapat (kaca). Sinar bias akan menjauhi garis normal ketika cahaya merambat dari medium lebih rapat (kaca) ke medium kurang rapat (udara).

Terjadinya pembiasan tersebut telah dibuktikan oleh seorang ahli matematika dan perbintangan Belanda pada 1621 bernama Willebrord Snell. Kesimpulan hasil percobaannya dirumuskan dan dikenal dengan Hukum Snellius.

Pembiasan Cahaya pada Kaca Plan Paralel

Hukum Snellius menyatakan sebagai berikut.

1. Sinar datang, sinar bias, dan garis normal terletak pada satu bidang datar.
2. Jika sinar datang dari medium yang kurang rapat menuju medium yang lebih rapat, sinar akan dibiaskan mendekati garis normal. Jika sinar datang dari medium yang lebih rapat menuju medium yang kurang rapat, sinar akan dibiaskan mendekati garis normal.

1. Indeks Bias

Berkas cahaya yang melewati dua medium yang berbeda menyebabkan cahaya berbelok. Di dalam medium yang lebih rapat, kecepatan cahaya lebih kecil dibandingkan pada medium yang kurang rapat. Akibatnya, cahaya membelok. Perbandingan laju cahaya dari dua medium tersebut disebut indeks bias dan diberi simbol (n). Jika cahaya merambat dari udara atau hampa ke suatu medium, indeks biasnya disebut indeks bias mutlak. Secara matematis dituliskan.

Indeks bias mutlak dari beberapa medium diperlihatkan pada Tabel berikut.

Tabel. Indeks Bias dari Beberapa Medium

Jika salah satu medium tersebut bukan udara, perbandingan laju cahaya tersebut merupakan nilai relatif atau indeks bias relatif. Misalnya, berkas cahaya merambat dari medium 1 dengan kelajuan v₁ masuk pada medium 2 dengan kelajuan v₂, indeks bias relatif medium 2 terhadap medium 1 adalah:

2. Sudut Deviasi

Prisma adalah benda bening, seperti kaca plan paralel yang ujungnya membentuk sudut. Pada saat kamu mempelajari perjalanan cahaya pada kaca plan pararel, kamu tahu bahwa cahaya yang datang dari udara akan sejajar setelah melewati kaca dan kembali ke udara. Bagaimanakah perjalanan sinar pada prisma?

Perambatan sinar pada prisma

Ketika sinar dilewatkan pada prisma, ternyata terjadi penyimpangan arah sinar datang pertama dengan sinar bias akhir. Hal ini diakibatkan karena ujung-ujung prisma membentuk sudut. Sudut yang dibentuk antaraperpanjangan sinar datang pertama dan sinar bias akhir disebut sudut deviasi atau sudut penyimpangan.

Read more...

Sensor Optik Fototransistor

Fototransistor

Pengertian Fototransistor

Fototransistor adalah salah satu detektor cahaya yang dapat mengubah efek cahaya menjadi signal listrik.

Kelebihan Fototransistor

Fototransistor memiliki kelebihan dibandingkan dengan komponen lain, yaitu  mampu mendetekasi gelombang cahaya sekaligus menguatkannya dengan sebuah komponen tunggal.

Bahan Fototransistor

Seperti jenis transistor lainnya , bahan utama fototransistor adalah silikon atau germanium 

Type fototransistor

• Type NPN
• Type PNP

Karakteristik Fototransistor

Berikut adalah karakteristik fototransistor yang berbeda dengan optik yang lain.

1. Bekerja pada daerah panjang gelombang infra merah jarak dekat.
2. Arus keluaran dapat dikuatkan 100 sampai 1.500 kali.
3. Respon waktu cukup cepat.
4. Dapat digunakan dalam bandwith yang lebar.
5. Dapat dipasangkan dengan hampir semua sumber cahaya yang memiliki panjang gelombang dekat infra merah, seperti IRED (LED infra merah), neon, fluorescent, lampu bohlam, cahaya laser, dan api.
6. Memiliki karakteristik seperti transistor, kecuali bagian basis yang digantikan oleh cahaya, sehingga semakin besar intensitas cahaya, semakin besar arus yang dikeluarkan oleh fototransistor.

Rangkaian Fototransistor

Read more...

Optik Fisis (masih tentang sifat Cahaya)

Optik geometri merupakan ilmu yang mempelajari cahaya dengan mengasumsikan bahwa cahaya merupakan partikel (berdasarkan pendapat Sir Isaac Newton), sehingga cahaya dapat dipantulkan dan dibiaskan. Berbeda dengan optik fisis, merupakan ilmu yang mempelajari cahaya dengan mengasumsikan bahwa cahaya merupakan gelombang (berdasarkan pendapatChristian Huygens), sehingga cahaya dapat mengalami fenomena seperti gelombang pada umumnya, yaitu: dispersi, polarisasi, difraksi dan interferensi.

 Adanya perbedaan pendapat tentang cahaya sebagai partikel atau gelombangini kemudian ditengahi oleh de Broglie yang mengajukan hipotesis dualismecahayanya.

Apa yang dimaksud dengan dualisme cahaya?

Teori dualisme gelombang-partikel yang dikemukakan oleh de Broglie menyebutkan bahwa sebuah partikel tidak hanya memiliki identitas massa, tetapi juga panjang gelombang. Sementara gelombang sendiri tidak hanya memiliki karakteristik gelombang pajang gelombang, tetapi juga karakteristik partikel yaitu massa. Secara matematis persamaan de Broglie dinyatakan sebagai berikut:

Keterangan:

λ = panjang gelombang (nm)

h = konstanta Planck 6.62 x 10^-34 m².kg/s, 

m= massa (kg)

v = kecepatan (m/s).

kembali pada topik, materi yang dibahas pada minggu ini adalah tentang optic fisis. Optic fisis ini mencakup:

1. Interferensi

            Interferensi adalah penjumlahan superposisi dari dua gelombang cahaya atau lebih yang menimbulkan pola gelombang yang baru. Interferensi mengacu kepada interaksi gelombang yang saling berkorelasi dan koheren (mempunyai frekuensi, amplitudo dan beda fase yang tetap) satu sama lain, karena cahaya tersebut berasal dari sumber yang sama atau mempunyai frekuensi yang serupa.

        Untuk mendapatkan cahaya koheren dapat digunakan beberapa metode :

1. Percobaan cermin Fresnell.

Pada gambar diatas, sumber cahaya monokromatis S₀ ditempatkan di depan dua cermin datar yang dirangkai membentuk sudut tertentu. Bayangan sumber cahaya S₀ oleh kedua cermin, yaitu S₁dan S₂ berlaku sebagai pasangan cahaya kohern yang berinterferensi. Pola interferensi cahaya S₁dan S₂ditangkap oleh layar.

Jika terjadi interferensi konstruktif, pada layar akan terlihat pola terang. Jika terjadi interferensi destruktif, pada layar akan terlihat pola gelap.

b. Percobaan Young.

Pada eksperimen Young, dua sumber cahaya kohern diperoleh dari cahaya monokromatis yang dilewatkan dua celah. Kedua berkas cahaya kohern itu akan bergabung membentuk pola-pola interferensi.

 c. Cincin Newton

Fenomena cincin Newton merupakan pola interferensi yang disebabkan oleh pemantulan cahaya di antara dua permukaan, yaitu permukaan lengkung (lensa cembung) dan permukaan datar yang berdekatan. Ketika diamati menggunakan sinar monokromatis akan terlihat rangkaian pola konsentris (sepusat) berselang-seling antara pola terang dan pola gelap.

Jika diamati dengan cahaya putih (polikromatis), terbentuk pola cincin dengan warna-warni pelangi karena cahaya dengan berbagai panjang gelombang berinterferensi pada ketebalan lapisan yang berbeda. Cincin terang terjadi akibat interferensi destruktif.

d. Interferensi cahaya pada selaput tipis

Interferensi dapat terjadi pada lapisan tipis seperti lapisan sabun dan lapisan minyak. Jika seberkas cahaya mengenai lapisan tipis sabun atau minyak, sebagian berkas cahaya dipantulkan dan sebagian lagi dibiaskan kemudian dipantulkan lagi. Gabungan berkas pantulan langsung dan berkas pantulan setelah dibiaskan ini membentul pola interferensi.

2. Difraksi

Difraksi adalah penyebaran gelombang cahaya karena adanya halangan. Semakin kecil halangan, penyebaran gelombang semakin besar. Adapun macam-macam difraksi antara lain:

a. Difraksi Fresnel

Difraksi Fresnel adalah pola gelombang pada titik (x,y,z) dengan persamaan:

dimana:

  , dan  adalah satuan imajiner.

b. Difraksi Fraunhofer

Difraksi Fraunhofer adalah pola gelombang yang terjadi pada jarak jauh (en:far field) menurut persamaan integral difraksi fresnel sebagai berikut:

Persamaan di atas menunjukkan bahwa pola gelombang pada difraksi Fresnel yang skalar menjadi planar pada Difraksi Fraunhofer akibat jauhnya bidang pengamatan dari bidang halangan.

c. Difraksi Celah tunggal

Seberkas cahaya dilewatkan pada celah sempit, cahaya yang keluar di belakang celah akan menjalar dengan arah seperti pada gambar berikut:

Dari gambar di atas terlihat bahwa cahaya selain diteruskan juga dibelokkan.

d. Difraksi Celah ganda

Sebuah sumber cahaya koheren yang menyinari bidang halangan dengan dua celah akan membentuk pola interferensi gelombang berupa pita cahaya yang terang dan gelap pada bidang pengamatan.

3. Dispersi

Dispersi adalah peristiwa penguraian cahaya polikromatik (putih) menjadi cahaya-cahaya monokromatik (merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu) pada prisma lewat pembiasan atau pembelokan.

 Dispersi berawal pada penurunan kecepatan perambatan cahaya melewati medium. Karena bahan menyerap dan memancarkan kembali cahaya yang berfrekuensi dekat dengan frekuensi osilasi alami dari elektron yang ada di dalamnya, cahaya ini menyebarkan sedikit lebih lambat dibandingkan dengan cahaya frekuensi yang berbeda.

contoh peristiwa dispersi:

4. Polarisasi

Polarisasi adalah orientasi gelombang. Pada cahaya terdapat 3 jenis polarisasi, yakni:  

a. polarisasi linear  (berorientasi pada satu arah)

b. polarisasi melingkar (berputar searah atau berlawanan jarum jam)

c. polarisasi ellipsosilasi (berotasi bersamaan dengan arah rambatnya)

Contoh alat yang menggunakan sifat polarisasi cahaya adalah:

Read more...