Contoh Soal Difraksi Cahaya
Difraksi cahaya adalah fenomena yang terjadi ketika gelombang cahaya melewati sebuah celah sempit atau bergerak di sekitar hambatan dan menyebar keluar. Fenomena ini memberikan bukti bahwa cahaya mempunyai sifat gelombang dan merupakan konsep penting dalam fisika. Dalam artikel ini, kita akan membahas contoh-contoh soal difraksi cahaya yang sering ditemukan, lengkap dengan pembahasan dan penjelasannya.
Pendahuluan
Difraksi pertama kali dijelaskan oleh ilmuwan asal Italia, Francesco Maria Grimaldi, pada abad ke-17. Difraksi terjadi ketika gelombang cahaya mengubah arah penyebarannya karena melewati celah atau hambatan. Ini menyebabkan terjadinya pola interferensi yang menjadi ciri khas dari difraksi. Pada umumnya, difraksi lebih jelas terlihat apabila panjang gelombang cahaya sebanding dengan ukuran celah atau hambatan yang dilaluinya.
Fenomena difraksi dapat dijelaskan dengan dua model fisika yaitu Model Gelombang dan Model Optik Geometri. Untuk menghitung dan memprediksi pola difraksi cahaya, biasanya digunakan persamaan difraksi yang dikembangkan oleh Augustin-Jean Fresnel dan Joseph von Fraunhofer.
Konsep Dasar Difraksi
Sebelum membahas contoh soal, penting untuk memahami beberapa konsep dasar dalam difraksi cahaya:
1. Celah Tunggal dan Ganda : Pola difraksi yang paling sederhana dapat diamati ketika cahaya melewati sebuah celah tunggal atau ganda. Pola yang terbentuk adalah serangkaian pita terang dan gelap pada layar pengamatan.
2. Garis Interferensi : Garis-garis terang dan gelap pada layar adalah hasil dari interferensi antara gelombang cahaya yang terbelokkan. Garis-garis terang disebut sebagai garis interferensi konstruktif, sedangkan garis-garis gelap adalah hasil dari interferensi destruktif.
3. Panjang Gelombang : Panjang gelombang cahaya yang digunakan sangat memengaruhi hasil pola difraksi. Cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang akan menghasilkan pola difraksi yang lebih lebar.
4. Sudut Difraksi : Sudut pada mana cahaya terdifraksi dapat ditentukan menggunakan prinsip-prinsip trigonometri dan panjang gelombang cahaya yang digunakan.
Contoh Soal Difraksi Cahaya
Mari kita bahas beberapa contoh soal yang biasa ditemukan dalam studi difraksi cahaya.
Contoh Soal 1: Difraksi Celah Tunggal
Soal : Sebuah cahaya laser dengan panjang gelombang 600 nm melewati sebuah celah tunggal yang lebarnya 0,2 mm. Hitunglah sudut difraksi θ untuk orde pertama (m=1).
Pembahasan : Dalam kasus difraksi celah tunggal, kita bisa menggunakan persamaan difraksi berikut:
\[ a \sin \theta = m\lambda \]
dimana:
– \( a \) adalah lebar celah,
– \( \theta \) adalah sudut difraksi,
– \( \lambda \) adalah panjang gelombang cahaya,
– \( m \) adalah orde difraksi.
Diberikan:
– \( \lambda = 600 \) nm = \( 600 \times 10^{-9} \) m,
– \( a = 0.2 \) mm = \( 0.2 \times 10^{-3} \) m,
– \( m = 1 \).
Substitusi nilai ke persamaan,
\[ 0.2 \times 10^{-3} \sin \theta = 1 \times 600 \times 10^{-9} \]
Menyelesaikan untuk \( \sin \theta \),
\[ \sin \theta = \frac{600 \times 10^{-9}}{0.2 \times 10^{-3}} \]
Menghitung \( \sin \theta \),
\[ \sin \theta = 0.003 \]
Menggunakan kalkulator untuk mendapatkan sudut \( \theta \),
\( \theta \approx 0.172 \) derajat.
Jadi, sudut difraksi untuk orde pertama adalah sekitar 0.172 derajat.
Contoh Soal 2: Difraksi Celah Ganda
Soal : Cahaya dengan panjang gelombang 500 nm melalui celah ganda dengan jarak antar celah 0,1 mm. Hitunglah posisi garis terang kedua di layar yang berada 2 meter dari celah.
Pembahasan : Menggunakan persamaan difraksi celah ganda:
\[ d \sin \theta = m\lambda \]
dimana:
– \( d \) adalah jarak antara dua celah,
– \( \lambda \) adalah panjang gelombang cahaya,
– \( m \) adalah orde difraksi.
Untuk menemukan posisi di layar (\( y \)) dari \( \theta \), kita gunakan:
\[ y = L \tan \theta \]
Untuk \( \theta \) yang kecil, \( \tan \theta \approx \sin \theta \), dan \( L \) adalah jarak layar dari celah.
Diberikan:
– \( \lambda = 500 \times 10^{-9} \) m,
– \( d = 0.1 \times 10^{-3} \) m,
– \( L = 2 \) m,
– \( m = 2 \).
Substitusi nilai ke persamaan,
\[ 0.1 \times 10^{-3} \sin \theta = 2 \times 500 \times 10^{-9} \]
Menyelesaikan untuk \( \sin \theta \),
\[ \sin \theta = \frac{1000 \times 10^{-9}}{0.1 \times 10^{-3}} \]
Menghitung \( \sin \theta \),
\[ \sin \theta = 0.01 \]
Anggap \( \sin \theta = \tan \theta \) untuk jarak yang relatif jauh, dan substitusi ke persamaan posisi,
\[ y = 2 \times 0.01 = 0.02 \] m atau 20 mm.
Jadi, posisi garis terang kedua di layar adalah 20 mm dari pusat layar.
Penutup
Difraksi cahaya merupakan topik yang menunjukkan bahwa cahaya memiliki sifat sebagai gelombang. Fenomena ini menyediakan aplikasi penting dalam berbagai bidang ilmu, terutama dalam optik dan spektroskopi. Pemahaman mengenai difraksi tidak hanya didasarkan pada teori, tetapi juga melalui penyelesaian berbagai soal praktis yang dapat membantu memahami lebih dalam tentang sifat-sifat gelombang cahaya.
Dengan berkembangnya teknologi dalam pengamatan dan pemahaman sifat cahaya, fenomena difraksi terus digunakan dalam berbagai penemuan dan aplikasi teknologi baru, dari teleskop hingga alat ukur presisi tinggi. Oleh karena itu, mempelajari difraksi tidak hanya menarik secara akademis tetapi juga memiliki dampak praktis dalam kehidupan sehari-hari dan pengembangan teknologi.
