Difraksi Celah Tunggal 2d16d

JURNAL OPTIKA MODERN (2014)

1

Difraksi Cahaya oleh Celah Tunggal Fajar Timur, Faridawati, M.Si Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 e-mail: [email protected]

Abstrak—Telah dilakukan percobaan difraksi cahaya oleh celah tunggal yang bertujuan untuk mempelajari proses difraksi yang terjadi saat cahaya melewati celah tunggal, serta mengetahui adanya proses interferensi gelombang pada difraksi celah tunggal. Prinsip yang digunakan dalam percobaan ini yaitu cahaya dapat mengalami proses interferensi serta difraksi atau pelenturan sebagaimana sifat cahaya sebagai gelombang. Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini antara lain laser, 2 buah potongan silet, isolasi, layar, statip. Percobaan dilakukan dengan cara mengarahkan cahaya laser pada celah yang terbuat dari pisau silet kemudian mengamati pola cahaya tampak pada layar pengamatan. Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, diketahui bahwa cahaya yang melewati celah tunggal mengalami proses difraksi atau pelenturan. Cahaya dapat terdifraksi diakibatkan cahaya memiliki sifat sebagai gelombang. Sedangkan adanya pola gelap terang yang tampak pada layar pengamatan menunjukkan adanya proses interferensi gelombang cahaya. Kata

Kunci—difraksi celah tunggal, interferensi gelombang

prinsip

400 nm hingga elektromagenetik :

600

nm.

Spektrum

gelombang

huygens,

I. PENDAHULUAN Cahaya merupakan hal yang terkait erat dan tak dapat lepas dari dari kehidupan manusia sehari-hari, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak. Selain itu, cahaya adalah paket partikel yang disebut foton. Kedua definisi tersebut merupakan sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan sehingga disebut "dualisme gelombang-partikel". Karena memiliki sifat sebagai gelombang, cahaya dapat terdifraksi atau melentur. Pada percobaan kali ini akan dipelajari salah satu fenomena difraksi, yaitu difraksi oleh celah tunggal. Percoban dilakukan dengan bertujuan untuk mempelajari proses difraksi yang terjadi saat cahaya melewati celah tunggal, serta mengetahui adanya proses interferensi gelombang pada difraksi celah oleh tunggal A. Cahaya Cahaya merupakan radiasi elektromagnetik yang memungkinkan kita untuk dapat melihat benda – benda disekitar kita yang memantulkan cahaya pada spektrum cahaya tampak. Kecepatan cahaya pada ruang hampa yaitu sebesar 299.792.459 meter per detik. Cahaya bergerak lurus ke semua arah dan hal ini dapat diilustrasikan seperti titik pusat bola yang berperan sebagai sumber cahaya dan cahaya yang dipancarkan akan bergerak ke seluruh arah ruang bola. Cahaya dapat melakukan perambatan tanpa adanya medium perambatan dan memiliki panjang gelombang antara antara

Gambar 1.1 Spektrum gelombang elektromarnetik Cahaya juga memiliki sifat diantaranya dapat dipantulkan (refleksi), dibiaskan (refraksi), dilenturkan (difraksi), bergabung/dijumlahkan (interfrensi), diuraikan (dispersi) dan diserap (polarisasi). Dan cahaya juga dapat mengalamai polarisasi dengan berbagai cara, antara lain karena peristiwa pemantulan, pembiasan, bias kembar, absorbsi selektif, dan hamburan.[1] B. Difraksi Difraksi adalah penyebaran gelombang karena adanya halangan. Semakin kecil halangan, penyebaran gelombang semakin besar. Penghalang itu dapat berupa layar dengan celah kecil yang mengizinkan sebagian kecil muka gelombang datang untuk lewat. Selain itu juga dapat berupa benda kecil, contohnya kawat atau cakram. [2]. Difraksi cahaya dapat terjadi ketika cahaya melewati suatu celah sempit (lebar celah lebih kecil dari panjang gelombang), sehingga gelombang cahaya tampak melebar pada tepi celah. Efek yang sama terjadi ketika gelombang cahaya berjalan melalui medium dengan indeks bias bervariasi. Difraksi terjadi pada semua gelombang, termasuk gelombang suara, gelombang air, dan gelombang elektromagnetik seperti cahaya tampak, sinar-X dan gelombang radio. Sebagai objek fisik yang memiliki sifat seperti gelombang (pada tingkat

JURNAL OPTIKA MODERN (2014)

2

atom), difraksi juga terjadi dengan materi dan dapat dipelajari sesuai dengan prinsip-prinsip mekanika kuantum.

Gambar 1.2 Proses terjadinya difraksi pada gelombang Hasil dari peristiwa difraksi adalah garis-garis terang dan garis garis gelap seperti pada peristiwa interferensi. Difraksi cahaya sulit untuk diamati karena biasanya sumber cahaya polikromatik, sehingga pola difraksi yang ditimbulkan setiap gelombang cahaya saling tumpang tindih dan sumber cahaya terlalu lebar sehingga pola difraksi yang ditiimbulkan masing masing bagian akan saling tumpang tindih dan cahaya tidak selalu koheren yang menyebabkan polanya berubah-ubah sesuai beda fasenya. [3]

Dari gambar 1.3 dapat dilihat bagaimana prinsip Huygens menjelaskan perpindahan posisi dari AB ke posisi CD. Setiap titik pada muka gelombang AB berperan sebagai sumber gelombang titik yang sangat kecil yang memancar ke arah CD. Muka gelombang CD merupakan pembungkus atau permukaan gelombang AB. Prinsip Huygens bisa dipakai untuk menerangkan terjadinya difraksi cahaya pada celah kecil. Pada saat melewati celah kecil, muka gelombang akan menimbulkan wavelet baru yang jumlahnya tak terhingga sehingga gelombang tidak mengalir lurus saja, tetapi menyebar.[3] D.Difraksi celah tunggal Pada difraksi celah tunggal, apabila celah lebih lebar daripada gelombang tunggal cahaya, maka akan terjadi efek seperti interferensi pada celah. Hal ini dapat dijelaskan dengan menganggap bahwa celah bertindak sebagai sumber dari banyak titik yang terpisah secara merata. Difraksi mengacu pada penyimpangan (deviasi) dari perambatan garis lurus yang terjadi ketika suatu gelombang bergerak melewati suatu penghalang parsial. Ini biasanya sesuai dengan pembengkokan atau penyebaran gelombang pada tepi-tepi lubang dan penghalang. Bentuk paling sederhana dari difraksi cahaya adalah difraksi Fraunhofer atau far-field. Difraksi ini diamati pada sebuah layar yang sangat jauh dar lubang atau penghalang yang mengganggu arus gelombanggelombang datar yang datang. [4]

C.Prinsip Huygens Prinsip Huygens menerangkan bahwa tiap-tiap titik dari sebuah muka gelombang dapat ditinjau dari sebuah muka gelobang dapat ditinjau sebagai sumber gelombanggelombang kecil sekunder yang menyebar keluar ke segala arah dengan laju yang sama degnan laju perambatan gelombang itu. Muka gelombang yang baru pada suatu waktu kemudian akan didapatkan dengan membangun sebuah permukaan yang menyinggung gelombang kecil sekunder, atau yang dinamakan pembungkus dari gelombang itu.

Gambar 1.4 Proses difraksi pada celah tunggal

.

Syarat terjadinya garis gelap ke m adalah : d sin θ = mλ…………………………………………(1.1) dengan m = 1, 2, 3… untuk sudut θ yang kecil berlaku : λ Gambar 1.3 Prinsip Huygens menjelaskan pemancaran gelombang cahaya

………………………………………….....

(1.2) Syarat terjadinya garis terang ke m adalah : d sin θ = ( m +

) λ ………………………………...

JURNAL OPTIKA MODERN (2014) (1.3)

3

dengan m= 0, 1, 2,…. untuk sudut θ yang kecil berlaku : λ

………………………………….....

(1.4)

Gambar 1.6 Pembentukan pita terang dan pita gelap pada layar Interferensi cahaya menghasilkan suatu pola interferensi (terang-gelap). Pada inteferensi, berlaku prinsip superposisi, yaitu “ Bila dua atau lebih gelombang tumpang tindih, maka pergeseran resultan di sembarang titik dan pada sembarang saat, dapat dicari dengan menambahkan pergeseran sesaat yang akan dihasilkan di titik itu oleh gelombang-gelombang itu seandainya setiap gelombang itu hadir sendirian. [2] Gambar 1.5 Proses difraksi celah tunggal ditinjau secara matematis Berkas-berkas cahaya yang melewati celah tunggal, akan dibelokkan dengan sudut tertentu (Ѳ). Cahaya yang memasuki suatu celah terdiri dari berkas-berkas cahaya. Setiap bagian celah berfungsi sebagai sumber gelombang sehingga cahaya dari bagian celah dapat mengalami superposisi pada suatu titik y pada layar dengan gelombang cahaya yang lainnya. [4] E. Interferensi gelombang Salah satu dari sifat cahaya adalah interferensi. Interferensi merupakan perpaduan dua gelombang atau lebih yang memiliki beda fase konstan dan amplitudo yang hampir sama. Interferensi dapat bersifat membangun dan merusak. Bersifat membangun jika beda fase kedua gelombang sama sehingga gelombang baru yang terbentuk adalah penjumlahan dari kedua gelombang tersebut. Bersifat merusak jika beda fasenya adalah 180 derajat, sehingga kedua gelombang saling menghilangkan. Prinsip Huygens menerangkan bahwa setiap wave front (muka gelombang) dapat dianggap memproduksi wavelet atau gelombang-gelombang baru dengan panjang gelombang yang sama dengan panjang gelombang sebelumnya. Wavelet bisa diumpamakan gelombang yang ditimbulkan oleh batu yang dijatuhkan ke dalam air. [2]

F. Laser Kata laser adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, yang artinya perbesaran intensitas cahaya oleh pancaran. Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan amat lurus. Cara kerjanya mencakup optika dan elektronika. Para ilmuwan biasa menggolongkannya dalam bidang elektronika kuantum. Laser yang memancarkan sinar tampak disebut laser - optik. Pada tahun 1917, Albert Einstein mempostulatkan pancaran imbas pada peristiwa radiasi agar dapat menjelaskan kesetimbangan termal suatu gas yangsedang menyerap dan memancarkan radiasi. Terdapat 3 proses yang terlibat dalam kesetimbangan itu, yaitu : serapan, pancarn spontan (disebut fluorensi) dan pancaran terangsang ( atau lasing dalam bahasa Inggrisnya, artinya memancarkan laser). Proses yang terakhir biasanya diabaikan terhadap yang lain karena pada keadaan normal serapan dan pancaran spontan sangat dominan. Sebuah atom pada keadaan dasar dapat dieksitasi ke keadaan tingkat energi yang lebih tinggi dengan cara menumbukinya dengan elektron atau foton. Setelah beberapa saat berada di tingkat tereksitasi ia secara acak akan segera kembali ke tingkat energi yang lebih rendah, tidak harus ke keadaan dasar semula. Proses acak ini dikenalsebagai fluoresensi terjadi dalam selang waktu rerata yang disebut umur rerata, lamanya tergantung pada keadaan dan jenis atom tersebut.[5] II.METODE Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini antara lain laser (sebagai sumber cahaya), 2 buah potongan silet (sebagai media untuk mendapatkan pola yang terlihat pada layar dengan celah tunggal), isolasi (sebagai perekat anatar 2 buah potongan silet, sehingga akan terbentuk celah sempit), layar (sebagai media pengamatan hasil difraksi), statip (sebagai tempat menegakkan peralatan).

JURNAL OPTIKA MODERN (2014)

4

Gambar 3.1 Celah tunggal yang terbuat dari pisau silet Langkah pertama dalam percobaan ini yaitu dipasangkan semua alat dan bahan yang digunakan pada statif, laser dinyalakan dan silet pada bagian tepi dalam keadaan sudah direkatkan dengan tepi silet yang lainnya, diatur sedemikian rupa sehingga cahaya yang dipancarkan oleh laser tersebut dapat melewati celah antar silet, sehingga akan muncul pola difraksi yang mncul pada layar dan difoto. I. HASIL DAN PEMBAHASAN Setelah dilakukan percobaan difraksi cahaya dengan menggunakan celah tunggal, didapatkan hasil sebagai berikut :

Gambar 3.1 Difraksi celah tunggal pertama

Gambart 3.2 Difraksi celah tunggal kedua

Gambar 3.3 Difraksi celah tunggal ke tiga Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, diketahui bahaya cahaya yang tampak pada layar pengamatan memiliki pola terang pada pusatnya lalu terdapat pola gelap terang disekitar pusat. Pola gelap terang pada layar tidak dapat dianalisa apabila menggunakan sifat cahaya sebagai partikel karena pola cahaya yang keluar dari celah akan menghasilkan satu titik cahaya saja pada layar pengamatan. Pola cahaya yang tampak pada layar pengamatan saat dilakukan percobaan hanya dapat dianalisa dengan menerapkan sifat cahaya sebagai gelombang. Proses difraksi celah tunggal dapat dijelaskan oleh fakta bahwa cahaya merupakan gelombang. Ketika cahaya koheren monokromatik menabrak sebuah celah, maka cahaya akan berbelok ketika melalui celah, fenomena ini dikenal dengan difraksi. Fenomena difraksi digambarkan sebagai pelenturan gelombang akibat mengalami hambatan kecil dan penyebaran dari gelombang melewati lubang kecil. Pada percobaan ini cahaya yang keluar melalui celah akan menyebar dan sesuai prinsip huygen yang menerangkan bahwa tiap-tiap titik dari sebuah muka gelombang dapat ditinjau sebagai sumber gelombang-gelombang kecil sekunder yang menyebar keluar ke segala arah dengan laju yang sama dengan laju perambatan gelombang itu. Prinsip Huygens bisa dipakai untuk menerangkan terjadinya difraksi cahaya pada celah kecil, pada saat melewati celah kecil, muka gelombang akan menimbulkan wavelet baru yang jumlahnya tak terhingga sehingga gelombang tidak mengalir lurus saja, tetapi menyebar. Laser pada percobaan ini menghasilkan cahaya koheren, yang berarti cahaya akan memasuki celah dengan fase yang sama. Apabila cahaya lalu jatuh pada layar yang ditempatkan dengan jarak tertentu dari celah maka akan terjadi suatu pola gelap terang pada layar. Pola cahaya tersebut dikenal dengan nama pola difraksi celah tunggal atau pola difraksi Fraunhoffer. Pada difrakasi celah tunggal, pola difraksi yang terbentuk ditentukan oleh panjang gelombang cahaya dan lebar dari celah penghalang. Apabila celah lebih lebar daripada gelombang tunggal cahaya, maka akan terjadi efek seperti interferensi pada celah. Hal ini dapat dijelaskan dengan menganggap bahwa celah bertindak sebagai sumber dari banyak titik yang terpisah merata. Apabila sumber cahaya bersifat koheren, maka gelombangya sefase. Cahaya

JURNAL OPTIKA MODERN (2014) yang tampak pada layar merupakan kontribusi dari tiap titik sumber dan jika perbedaan fase relative dari gelombang ini bernilai 2pi. Pola gelap terang yang tampak pada layar merupakan hasil dari adanya proses interferensi gelombang cahaya. Peristiwa interferensi adalah penggabungan atau superposisi gelombang. Gelombang ini saling tumpang tindih sehingga menimbulkan superposisi gelombang. Gelombanggelombang yang memiliki beda fase yang sama akan menghasilkan amplitude yang lebih besar sehingga interferensi ini disebut sebagai interferensi konstruktif atau menguatkan. Interferensi konstruktif ini menghasilkan pola terang. Sedangkan gelombang-gelombang yang memiliki beda fase yang berbeda akan saling merusak sehingga interferensi ini disebut sebagai interferensi destruktif. Interferensi destruktif ini menghasilkan pola gelap. I. KESIMPULAN Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, diketahui bahwa cahaya yang melewati celah tunggal mengalami proses difraksi atau pelenturan. Cahaya dapat terdifraksi diakibatkan cahaya memiliki sifat sebagai gelombang. Sedangkan adanya pola gelap terang yang tampak pada layar pengamatan menunjukkan adanya proses interferensi gelombang cahaya. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada Allah SWT, Rasulullah SAW, Dosen pengampu mata kuliah optika modern, Ibu Faridawati M.Si, dan semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan percobaan ini, sehingga percobaan ini dapat berjalan dengan lancar. DAFTAR PUSTAKA [1]

[2] [3] [4] [5]

Giancoli, D.C.; Physics for Scientists & Engineers, Third Edition, Prentice Hall, NJ, 2000. Microsoft Encarta 2009 Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 7th Edition, Extended Edition, John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2005. Serway. A.R and Faugh, J.S., 1989,”College Physics:Second Edition”, Amerika Serikat. Desmond. Phillip. K. 1999. Study on Light and Optics. Florida: Humprey Press David Cassidy, Gerald Holton, James Rutherford (2002). Understanding Physics. Birkhä

5