Enam fenomena penting menggambarkan perilaku gelombang cahaya jika menemui rintangan di jalurnya. Fenomena tersebut meliputi pemantulan, pembiasan, polarisasi, dispersi, interferensi, dan difraksi cahaya. Artikel ini akan fokus pada yang terakhir.
Perselisihan tentang sifat cahaya dan eksperimen Thomas Young
Pada pertengahan abad ke-17, ada dua teori yang setara mengenai sifat sinar cahaya. Pendiri salah satunya adalah Isaac Newton, yang percaya bahwa cahaya adalah kumpulan partikel materi yang bergerak cepat. Teori kedua dikemukakan oleh ilmuwan Belanda Christian Huygens. Dia percaya bahwa cahaya adalah jenis gelombang khusus yang merambat melalui media dengan cara yang sama seperti suara merambat melalui udara. Medium cahaya, menurut Huygens, adalah eter.
Karena tidak ada yang menemukan eter, dan otoritas Newton sangat besar pada waktu itu, teori Huygens ditolak. Namun, pada tahun 1801, orang Inggris Thomas Young melakukan percobaan berikut: ia melewatkan cahaya monokromatik melalui dua celah sempit yang terletak berdekatan satu sama lain. Lewatdia memproyeksikan cahaya ke dinding.
Apa hasil dari pengalaman ini? Jika cahaya adalah partikel (sel darah), seperti yang diyakini Newton, maka gambar di dinding akan sesuai dengan dua pita terang yang jelas datang dari masing-masing celah. Namun, Jung mengamati gambaran yang sama sekali berbeda. Serangkaian garis-garis gelap dan terang muncul di dinding, dengan garis-garis terang muncul bahkan di luar kedua celah. Representasi skema dari pola cahaya yang dijelaskan ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Gambar ini mengatakan satu hal: cahaya adalah gelombang.
Fenomena difraksi
Pola cahaya dalam percobaan Young dihubungkan dengan fenomena interferensi dan difraksi cahaya. Kedua fenomena tersebut sulit untuk dipisahkan satu sama lain, karena dalam beberapa percobaan efek gabungan keduanya dapat diamati.
Difraksi cahaya terdiri dari perubahan muka gelombang ketika menghadapi rintangan di jalurnya, yang dimensinya sebanding dengan atau kurang dari panjang gelombang. Dari definisi ini jelas bahwa difraksi merupakan karakteristik tidak hanya untuk cahaya, tetapi juga untuk gelombang lain, seperti gelombang suara atau gelombang di permukaan laut.
Juga jelas mengapa fenomena ini tidak dapat diamati di alam (panjang gelombang cahaya adalah beberapa ratus nanometer, sehingga objek makroskopik menghasilkan bayangan yang jelas).
Prinsip Huygens-Fresnel
Fenomena difraksi cahaya dijelaskan oleh prinsip bernama. Esensinya adalah sebagai berikut: datar bujursangkar yang merambatmuka gelombang menyebabkan eksitasi gelombang sekunder. Gelombang-gelombang ini berbentuk bola, tetapi jika mediumnya homogen, maka, ditumpangkan satu sama lain, mereka akan mengarah ke bagian depan yang rata.
Begitu hambatan muncul (misalnya, dua celah dalam eksperimen Jung), itu menjadi sumber gelombang sekunder. Karena jumlah sumber ini dibatasi dan ditentukan oleh fitur geometris penghalang (dalam kasus dua celah tipis, hanya ada dua sumber sekunder), gelombang yang dihasilkan tidak akan lagi menghasilkan muka datar asli. Yang terakhir akan mengubah geometrinya (misalnya, ia akan memperoleh bentuk bola), selain itu, intensitas cahaya maksimum dan minimum akan muncul di bagian-bagiannya yang berbeda.
Prinsip Huygens-Fresnel menunjukkan bahwa fenomena interferensi dan difraksi cahaya tidak dapat dipisahkan.
Kondisi apa yang diperlukan untuk mengamati difraksi?
Salah satunya telah disebutkan di atas: itu adalah adanya hambatan kecil (dengan urutan panjang gelombang). Jika hambatannya berdimensi geometris relatif besar, maka pola difraksi hanya akan diamati di dekat tepinya.
Kondisi penting kedua untuk difraksi cahaya adalah koherensi gelombang dari sumber yang berbeda. Ini berarti bahwa mereka harus memiliki perbedaan fase yang konstan. Hanya dalam kasus ini, karena interferensi, dimungkinkan untuk mengamati gambar yang stabil.
Koherensi sumber dicapai dengan cara yang sederhana, cukup dengan melewatkan cahaya depan dari satu sumber melalui satu atau lebih rintangan. Sumber sekunder dari inirintangan sudah akan bertindak sebagai koheren.
Perhatikan bahwa untuk mengamati interferensi dan difraksi cahaya, sumber utama tidak harus monokromatik sama sekali. Ini akan dibahas di bawah ketika mempertimbangkan kisi difraksi.
Difraksi Fresnel dan Fraunhofer
Dalam istilah sederhana, difraksi Fresnel adalah pemeriksaan pola pada layar yang terletak dekat dengan celah. Difraksi Fraunhofer, di sisi lain, menganggap pola yang diperoleh pada jarak yang jauh lebih besar daripada lebar celah, di samping itu, mengasumsikan bahwa kejadian muka gelombang pada celah adalah datar.
Kedua jenis difraksi ini dibedakan karena pola di dalamnya berbeda. Ini karena kompleksitas fenomena yang sedang dipertimbangkan. Faktanya adalah bahwa untuk mendapatkan solusi yang tepat dari masalah difraksi, perlu menggunakan teori gelombang elektromagnetik Maxwell. Prinsip Huygens-Fresnel, yang disebutkan sebelumnya, adalah pendekatan yang baik untuk mendapatkan hasil yang dapat digunakan secara praktis.
Gambar di bawah menunjukkan bagaimana bayangan dalam pola difraksi berubah ketika layar digeser dari celah.
Pada gambar, panah merah menunjukkan arah pendekatan layar ke celah, yaitu gambar atas sesuai dengan difraksi Fraunhofer dan yang lebih rendah untuk Fresnel. Seperti yang Anda lihat, saat layar mendekati celah, gambar menjadi lebih kompleks.
Selanjutnya dalam artikel ini kita hanya akan membahas difraksi Fraunhofer.
Difraksi oleh celah tipis (rumus)
Seperti disebutkan di atas,pola difraksi tergantung pada geometri penghalang. Dalam kasus celah tipis dengan lebar a, yang disinari dengan cahaya monokromatik dengan panjang gelombang, posisi minima (bayangan) dapat diamati untuk sudut-sudut yang bersesuaian dengan persamaan
sin(θ)=m × /a, di mana m=±1, 2, 3…
Sudut theta di sini diukur dari tegak lurus yang menghubungkan pusat slot dan layar. Berkat rumus ini, dimungkinkan untuk menghitung pada sudut berapa redaman penuh gelombang pada layar akan terjadi. Selain itu, dimungkinkan untuk menghitung orde difraksi, yaitu bilangan m.
Karena kita berbicara tentang difraksi Fraunhofer, maka L>>a, di mana L adalah jarak ke layar dari celah. Pertidaksamaan terakhir memungkinkan Anda untuk mengganti sinus sudut dengan rasio sederhana koordinat y dengan jarak L, yang mengarah ke rumus berikut:
ym=m×λ×L/a.
Disini ym adalah koordinat posisi minimum order m pada layar.
Difraksi celah (analisis)
Rumus yang diberikan pada paragraf sebelumnya memungkinkan kita untuk menganalisis perubahan pola difraksi dengan perubahan panjang gelombang atau lebar celah a. Dengan demikian, peningkatan nilai a akan menyebabkan penurunan koordinat minimum orde pertama y1, yaitu, cahaya akan terkonsentrasi di pusat maksimum yang sempit. Penurunan lebar celah akan menyebabkan peregangan maksimum pusat, yaitu menjadi buram. Situasi ini diilustrasikan pada gambar di bawah ini.
Mengubah panjang gelombang memiliki efek sebaliknya. Nilai besar darimenyebabkan kaburnya gambar. Ini berarti bahwa gelombang panjang difraksi lebih baik daripada gelombang pendek. Yang terakhir ini sangat penting dalam menentukan resolusi instrumen optik.
Difraksi dan resolusi instrumen optik
Pengamatan difraksi cahaya adalah pembatas resolusi instrumen optik apa pun, seperti teleskop, mikroskop, dan bahkan mata manusia. Ketika datang ke perangkat ini, mereka menganggap difraksi bukan oleh celah, tetapi oleh lubang bundar. Namun demikian, semua kesimpulan yang dibuat sebelumnya tetap benar.
Misalnya, kita akan mempertimbangkan dua bintang bercahaya yang berada pada jarak yang sangat jauh dari planet kita. Lubang tempat cahaya masuk ke mata kita disebut pupil. Dari dua bintang di retina, terbentuk dua pola difraksi, yang masing-masing memiliki maksimum pusat. Jika cahaya dari bintang jatuh ke pupil pada sudut kritis tertentu, maka kedua maxima akan bergabung menjadi satu. Dalam hal ini, seseorang akan melihat satu bintang.
Kriteria resolusi ditetapkan oleh Lord J. W. Rayleigh, sehingga saat ini menyandang nama keluarganya. Rumus matematika yang sesuai terlihat seperti ini:
sin(θc)=1, 22×λ/H.
Di sini D adalah diameter lubang bundar (lensa, pupil, dll.).
Dengan demikian, resolusi dapat ditingkatkan (kurangi c) dengan meningkatkan diameter lensa atau mengurangi panjangnyaombak. Varian pertama diimplementasikan dalam teleskop yang memungkinkan untuk mengurangi c beberapa kali dibandingkan dengan mata manusia. Pilihan kedua, yaitu mereduksi, diterapkan pada mikroskop elektron, yang memiliki resolusi 100.000 kali lebih baik daripada instrumen cahaya serupa.
Kisi difraksi
Ini adalah kumpulan slot tipis yang terletak pada jarak d satu sama lain. Jika muka gelombang datar dan jatuh sejajar dengan kisi ini, maka posisi maksimum pada layar digambarkan dengan ekspresi
sin(θ)=m×λ/d, dimana m=0, ±1, 2, 3…
Rumus menunjukkan bahwa maksimum orde nol terjadi di pusat, sisanya terletak di beberapa sudut.
Karena rumus mengandung ketergantungan pada panjang gelombang, ini berarti kisi difraksi dapat menguraikan cahaya menjadi warna seperti prisma. Fakta ini digunakan dalam spektroskopi untuk menganalisis spektrum berbagai objek bercahaya.
Mungkin contoh difraksi cahaya yang paling terkenal adalah pengamatan bayangan warna pada DVD. Alur di atasnya adalah kisi difraksi, yang, dengan memantulkan cahaya, menguraikannya menjadi serangkaian warna.
