Teori Cahaya

FISIKA OPTIK

TUJUAN:

▪ Menjelaskan tentang fenomena cahaya dan pengujian terhadap teori cahaya.

Pokok - pokok Bahasan:

1. Teori-teori tentang cahaya

➢ Teori Newton ( Partikel )

➢ Teori Huygens ( Gelombang Memerlukan Medium )

➢ Teori Planck ( Paket Energi )

➢ Teori Maxwell ( Gelombang Elektro magnetic )

2. Percobaan-percobaan untuk membuktikan kebenaran Teori:

➢ Percobaan Foucoult

➢ Percobaan Young & Fresnel

➢ Percobaan Michelson & Morley

➢ Percobaan R. Hertz

➢ Percobaan Zeeman

➢ Percobaan Stark

➢ Percobaan Photo Listrik

3. Pengertian Muka gelombang & Sinar Cahaya

Sifat Cahaya

Cahaya adalah suatu zat yang sangat banyak membantu kehidupan

mahluk hidup antara lain:

1. Proses malihat benda

2. Membedakan warna benda

3. Proses photo sintesis

4. Proses photo listrik

5. Dsb

Fenomena cahaya telah dipelajari oleh manusia dan menghasilkan berbagai teori

antara lain :

1. Teori Emisi dari Newton

Cahaya dianggap terdiri dari partikel-partikel yang sangat kecil dan ringan

( yang disebut Korpuskul ) yang dipancarkan dari sumbernya ke segala

arah menurut garis lurus dengan kecepatan yan sangat tinggi. Lintasan-

lintasan partikel berasal dari sumber itu disebut sinar cahaya.

2. Teori gelombang dari Huygens

Cahaya adalah gejala gelombang seperti halnya bunyi cahaya merambat

dengan perantaraan gelombang yang disebut gelombang cahaya. Menurut

teori ini cepat rambat cahaya memenuhi persamaan:

C = λ* f

C = Cepat rambat

λ = Panjang gelombang

f = Frekwensi ( Hz atau cps ).

Menurut teori ini cahaya marambat melalui medium untuk menjelaskan

cahaya dapat mengalir melalui ruang hampa maka dibuat hypotesa bahwa

diseruh ruangan terdapat medium yang dinamakan Eter

3. Teori kuantum cahaya dari Max Planck

Cahaya dipancarkan dari sumbernya dalam bentuk paket-paket energi yang

disebut kuantu. Paket-paket energi ini yang dipancarkan secara periodic

dari sumbernya.

Besarnya kuantum energi cahaya adalah:

E = h.f

Dimana:

h = Konstanta Planck 34 10 63 .6 - × J.s

f = Frekwensi ( cps )

Untuk menguji kebenaran teori-teori diatas dilakukan percobaan-percobaan antara

lain:

1. Percobaan Foucoult

Dalam percobaannya Foucoult berhasil menghitung dan menentukan

kecepatan rambat cahaya dalam berbagai medium. Kecepatan rambat cahaya

diudara yang dihitung mendekati 8 10 3× m/s. lebih besar dari kecepatannya

didalam zat cair. Hasil percobaan ini ternyata telah melemahkan teori

Newton.menurut Newton keccepatan rambat cahaya dalam zat cair lebih besar

kecepatannya diudara.

2. Percobaan Young dan Fresnel

percobaan ini membuktikan bahwa cahaya dapat berinterferensi dan

mengalami difaksi. Percobaan ini memperkuat teori gelombang cahaya.

Huygens memperlemah teori partikel Newton karena menurut teori Newton

cahaya merambat melalui garis lurus.

3. Percobaan menurut Michaelson dan Moreley

Percobaan ini dilakukan untuk membuktikan ada atau tidak adanya eter

diseluruh ruang dijagat raya ini, karena medium eter terdapat dimana-mana

maka bumi yang berputar pada porosnya dengan kecepatan translasi sekitar 30

km/s dan sekitar bumi terdapat eter maka akan terjadi angina eter Michaelson

dan Moreley melakukan pengujian terhadap angina eter maka mereka

berkesimpulan bahwa angin eter tidak ditemukan, percobaan ini memperlemah

teori gelombangnya Huygens.

4. Percobaan Maxwell dan Rudolp Hertz

Maxwell menganalisa dan meramalkan bahwa cahaya merupakan bagian dari

gelombang elektromagnetik yang dipancarkan akibat dari terjadinya medan

magnet atau medan listrik yang tidak konstan (“berubah terhadap waktu”).

Analisa Maxwell ini diuji oleh R.Hertz dengan membuat perubahan medan

listrik.

Pada percobaan ini sepasang lilitan dengan N2 (jumlah lilitan skunder) jauh

lebih banyak dibanding N1 ( lilitan primer ) pada lilitan skunder dipasang bola

konduktor dan ditempat lain disimpan pasangan bola konduktor juga ketika

saklar ( S ) ditutup-buka pada bola konduktor sebelah kiri terdapat percikan

bunga api dan ternyata pada pasangan konduktor yang lain terjadi pula

percikan bunga api. Gelombang yang dihasilkan oleh percobaan ini

menunjukan sifat-sifat pemantulan ( refleksi ), difraksi dan polarisasi dapat

diukur pula cepat rambat gelombang tersebut sama dengan cepat rambat

gelombang cahaya yaitu  3×10^8 m/s

5. Percobaan Zeeman

Percobaan ini menunjukan adanya pengaruh medan magnet terhadap cahaya,

artinya cahaya dapat dibelokan oleh medan magnet yang kuat (Efek Zeeman ).

6. Percobaan Stark

Percobaan ini cahaya dilewatkan pada medan megnet yang kuat dan ternyata

cahaya mengalami pembelokan akibat medan listrik yang kuat.

Percobaan Zeeman dan Sark menunjukan bahwa cahaya mempunyai sifat

kelistrikan dan kemagnetan hal ini membuktikan bahwa cahaya merupakan

gelombang elektromagnetik.

7. Percobaan Einstein

Dalam tahun 1905 Einstein memperluas gagasan yang diutarakan oleh Planck

lima tahun sebalumnya dan mempostulatkan bahwa energi dalam berkas

cahaya tidak terdistribusi secara merata didalam gelombang elektromagnetik,

tetapi terkonsentrasi dalam paket-paket kecil yang dinamakan foton.

Einstein berhasil menunjukan percobaan yang dapat membuktikan teorinya

yakni efek photo listrik, sketsa dari percobaan photo listrik adalah sebagai

berikut:

Cahaya dengan frekwensi tertentu dikenakan pada plat yang terdapat pada

tabung hampa ternyata pada ampere meter menunjukan adanya arus listrik

yang mengalir, kemudian beda potensial kawan diberikan pada pasangan plat

dan pada potensial tertentu arus akan berhenti.

 

Percobaan dilakukan dengan menambah internsitas cahaya dua kali dengan

frekwensi tetap dan ternyata arus berhenti pada potensial kawat yang sama

tetapi arus yang terjadi dua kali lipat.

Potensial kawat akan naik ketika frekwensi cahaya naik.

Peristiwa photo listrik ini hanya bisa dijelaskan menggunakan teori kuantum

cahaya-cahaya berupa paket energi ( photon ) sebesar

E = h.f

Energi tersebut jika menumbuh plat sebagian energi digunakan untuk

melepaskan electron dari ikatannya dan sisanya sebagai energi kinetic

hf = hfo + Ek

hfo = energi untuk melepaskan elektron dari ikatannya.

Jika hf < hfo tidak akna terjadi arus listrik karena electron tidak sempat keluar

dari ikatannya untuk melawan EK dari sumber yang frekwensinya tetap

diperlukan harga yang sama intensitas cahaya yang semakin besar dapat

dijelaskan dengan jumlah partikel yang semakin banyak, hal ini bertentangan

dengan teori gelombang mekanik dimana energi berbanding lurus dengan

intensitasnya.

Gelombang, Muka gelombang dan Sinar

Gelombang adalah rambatan energi atau energi yang merambat dari

satu tempat ke tempat lain.

Parameter-parameter gelombang antara lain :

Perioda (T) dari suatu gelombang adalah waktu yang diperlukan untuk satu

gelombang penuh.

Frekwensi ( f ) adalah jumlah getaran yang dihasilkan per detik (f=1/T).

Panjang gelombang ( λ ) adalah jarak yang ditempuh gelombang dalam satu periode.

Amplitudo ( A ) adalah simpangan maksimum dari gelombang.

Kecepatan ( V ) adal;ah jarak yang ditempuh gelombang dalam tiap satuan waktu

 

Maka gelombang didefinisikan sebagai tempat kedudukan semua titik dimana fase

getaran dan fase geerak selaras suatu besaran fisika adalah sama.

Prinsip Huygens merupakan metoda geometris untuk menentukan bentuk muka

gelombang pada suatu saat bila diketahui muka gelombang ( sebagiannya ) pada saat

sebelumnya.

Menurut Prinsip Huygens

“ Setiap titik pada suatu muka gelombang, dapat dipandang sebagai pusat gelombang

skunder yang memancarkan gelombang baru ke ssegala arah dengan kecepatan yang

sama denga kecepata rambat gelombang. Muka gelombang yang baru diperoleh

dengan cara melukis sebuah permukaan yang menyinggung ( menyelubangi )

gelombang-gelombang skunder tersebut ”

Gambaran prinsip Huygens untuk gelombang siferis

 

Gambar diatas melukiskan gelombang cahaya yang dipancarkan oleh sebuah titik M

ke segala arah, pada suatu saat muka gelombang digambarkan sebagai permukaan

bola AB, akan dicari muka gelombang baru pada t detik kemudian.

Menurut prinsip Huygens, setiap titik pada muka gelombang AB merupakan pusat

gelombang baru ( gelombang skunder ) misalnya titik PQR, dengan titik tersebut

dilukis sebagai pusat gelombang baru dengan jari-jari yang sama sebesar R = ct. maka

gelombang baru yang berpusat di M adalah suatu permukaan yang menyelubangi

semua gelombang-gelombang skunder tersebut yaitu permukaan A’B’.

Sinar gelombang adalah garis khayal yang ditarik dalam arah gerak gelombang.

Untuk gelombang siferis ( bola ) seperti gambar diatas adalah geris PP’; RR’; atau

jika dilihat dari sumber MP; MQ; MR garis-garis tersebut selalu tegak lurus muka

gelombang untuk gelombang yang bersumber dari jauh sekali dapat digambarkan

sebagai gelombang datar sebagai berikut

Gambaran prinsip Huygens untuk gelombang datar

PQRS adalah muka gelombang

P’QRS’ adalah muka gelombang baru