KISI DIFRAKSI (2016) Kisi Difraksi

Transkripsi

1 KISI DIFRAKSI (2016) Kisi Difraksi Rizqi Ahmad Fauzan, Chi Chi Novianti, Alfian Putra S, dan Gontjang Prajitno Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia rizqi.ahmad.fauzan14@mhs.physics.its.ac.id Abstrak Telah dilakukan percobaan kisi difraksi dengan tujuan untuk mempelajari mempelajari gejala difraksi, menera konstanta kisi difraksi, dan mengetahui pengaruh jarak kisi ke layar terhadap pola gelap terang yang dihasilkan. Percobaan ini dilakukan dengan cara mengamati pola gelap terang pada layar yang dihasilkan setelah cahaya melewati kisi, kemudian diukur kedudukan masing-masing pola terang pada layar dan jarak dari terang pusat terhadap terang ke - n. Dari percobaan yang telah dilakukan, secara fisis telah terjadi pendifraksian cahaya laser ketika melewati kisi. Sesuai dengan prinsip Huygens, cahaya yang lolos dari kisi ini akan menjadi sumber gelombang yang baru. Gelombang-gelombang ini akan membentuk superposisi baik konstruktif maupun destruktif yang akan tampak sebagai pola gelap-terang pada layar. Pola gelap terang akan terjadi pada layar secara selang-seling. Kesimpulan dari praktikum ini yaitu proses terjadinya difraksi cahaya adalah cahaya monokromatik melewati celah sempit dari kisi (celah) seolah-olah menyebar riak-riak gelombang cahaya. Amplitudo kedua gelombang akan bergabung untuk membuat interferensi konstruktif ataupun interferensi destruktif, nilai dari konstanta kisi difraksi pada kisi pertama adalah ,6842; sedangkan pada kisi kedua adalah ,6046; dan semakin jauh jarak dari kisi ke layar, maka akan semakin jauh pula jarak antara pola gelap-terang yang dihasilkan. Kata Kunci difraksi, interferensi, kisi, pola gelap-terang. H I. PENDAHULUAN al yang melatarbelakangi dilakukannya praktikum mengenai kisi difraksi ini adalah adanya sifat cahaya yang apabila melalui suatu celah sempit, maka cahaya akan membentuk pola gelap-terang yang dapat terlihat pada layar. Pola gelap-terang ini dihasilkan oleh peristiwa difraksi yang terjadi pada cahaya tersebut. Cahaya yang merupakan salah satu contoh gelombang elektromagnetik ini akan bersuperposisi dengan pola tertentu yang dapat dilihat pada layar. Bentuk pola gelap-terang yang dihasilkan akan bergantung pada bentuk celah yang dilewati oleh cahaya tersebut. Peristiwa difraksi cahaya melalui celah sempit ini dapat kita amati fenomenanya dalam kehidupan sehari-hari. Sinar matahari yang melalui celah sempit pada jendela rumah akan membentuk suatu pola tertentu. Apabila jarak jendela dengan pancaran sinar matahari dekat, maka pola yang dihasilkan akan berbeda apabila dibandingkan dengan pola yang terbentuk jika jendela berjarak jauh dari sinar matahari. Dari fenomena ini, akan dapat kita ketahui bahwa pada jarak yang sangat jauh, garis-garis dari cahaya yang terbentuk akan hampir sejajar. Bukti konkrit bahwa cahaya merupakan gelombang datang dari fenomena difraksi dan interferensi yang teramati pada cahaya. Ketika cahaya melalui sebuah perintang, bayangan yang terbentuk tidak akan tajam sebagaimana yang diprediksikan melalui prinsip Huygens. Cahaya dapat mengalami difraksi dengan syarat cahaya tersebut melewati celah yang sempit artinya ukuran panjang gelombang yang melewati celah lebih besar dibandingkan dengan lebar celah. Jika suatu cahaya dengan panjang x melewati suatu celah sempit dengan lebar d, dimana d < λ, maka cahaya tersebut mengalami difraksi atau cahaya melentur sehingga dapat terdeteksi adanya penyimpangan sinar sebesar θ dari arah semula dan pada layar akan terlihat pola interferensi terang (maksimum). [1] Difraksi merupakan salah satu ciri khas dari gerak gelombang. Secara umum, gelombang merambat lurus pada medium yang homogen. Apabila jalannya cahaya terhalang oleh sesuatu, maka gelombang cahaya akan mengalami pembelokan. Difraksi dapat diamati jika cahaya terhalang oleh layar dengan celah kecil. Difraksi bisa juga disebut sebagai proses interferensi gelombang tertentu dengan dirinya sendiri. [2] Berdasarkan jarak pengamatan dan jumlah celah, difraksi terbagi menjadi difraksi celah tunggal, celah ganda, Fraunhoffer, dan Fresnel. Difraksi ditentukan oleh panjang gelombang dan lebar celah. Gelombang dengan panjang gelombang besar akan lebih mudah terdifraksi daripada gelombang yang pendek. Apabila celah lebar dilewati oleh gelombang, efek difraksi tidak tampak. Akan tetapi apabila celah sempit dilalui oleh gelombang seperti contoh pada gelombang cahaya ini, maka efek dari difraksi karena celah sempit yang terjadi akan tampak jelas. [2] Pada tahun 1820, eksperimen celah ganda Young telah menggambarkan efek interferensi gelombang yang diasosiasikan melalui cahaya. Secara singkat, eksperimen Young dapat diilustrasikan sebagai berikut

2 KISI DIFRAKSI (2016) Gambar 1.1. Percobaan Celah Ganda Young Kedua celah yang ada pada gambar sangat kecil apabila dibandingkan dengan jarak pemisahnya. Maka dari itu, setiap celah menghasilkan lingkaran gelombang yang terdifraksi dimana gelombang-gelombang tersebut tumpang tindih. Ketika gelombang-gelombang tersebut bertindihan, mereka saling berinterferensi satu sama lain, menghasilkan daerahdaerah yang tampak sebagai intensitas maksimum. Diantara daerah maxima adalah daerah yang memiliki intensitas minimum. Hasil dari pola yang ada pada layar menunjukkan dimana konstruksi interferensi akan terjadi dan dimana interferensi destruktif terjadi. Interferensi konstruktif akan terjadi di daerah maxima, dan interferensi destruktif akan terjadi di daerah minima. Ketika cahaya dari celah 1 dan celah 2 mendatangi titik yang sama pada layar, pola terang akan muncul. Ketika cahaya dari kedua celah berkombinasi destruktif pada lokasi manapun pada layar, pola gelap akan muncul. [3] Prinsip Huygens merupakan pembuktian dari hukum refleksi dan refraksi menggunakan metode geometri yang diusulkan oleh Huygens pada tahun Melalui prinsip difraksi dari Huygens ini, dapat diprediksi dimana muka gelombang yang diberikan akan berada pada waktu berapapun di masa yang akan datang jika kamu tahu pasti posisi dari muka gelombang tersebut sekarang. Prinsip yang dikemukakannya mengasumsikan bahwa setiap titik di sepanjang muka gelombang dapat dianggap sebagai titik sumber untuk menghasilkan lingkaran gelombang yang kedua. Setelah periode tertentu, posisi gelombang yang baru adalah tangen permukaan dari lingkaran-lingkaran gelombang yang kedua ini. [4] Secara sederhana, prinsip Huygens dapat diilustrasikan seperti berikut ini Gambar 1.2. Ilustrasi Prinsip Huygens Pertama, dimisalkan sebuah gelombang yang melaju seperti yang tempak pada gambar 1.2. Pada saat t = 0, muka gelombang diindikasikan oleh garis AA. Pada konstruksi Huygens, setiap titik pada gelombang ini dianggap sebagai titik sumber. Pada gambar 1.2, digambar tiga titik pada garis AA. Dengan sumber-sumber gelombang ini, kita gambar kurva lingkaran masing-masing memiliki radius cδt, dimana c adalah kecepatan cahaya pada ruang hampa dan Δt adalah sembarang waktu interval ketika gelombang mengalami propagasi. Permukaan tersebut digambar tegak lurus terhadap bidang BB, dimana bidang tersebut adalah muka gelombang pada saat t > 0. Gambar 1.2. merupakan konstruksi dari prinsip Huygens untuk gelombang yang bentuknya lingkaran. [3] Interferensi akan terjadi pada cahaya ataupun gelombang apabila dua atau lebih gelombang cahaya bersuperposisi. Peristiwa interferensi dari cahaya ini juga terjadi pada percobaan celah Young. Dimisalkan ada dua buah gelombang yang memiliki panjang gelombang dan fase yang sama. Maka, kedua gelombang tersebut akan menghasilkan gelombang superposisi yang memiliki amplitudo sebesar dua kali amplitudo gelombang penyusunnya. Akan tetapi apabila nilai maksimum dari salah satu gelombang mendekati nilai minimum dari gelombang yang lainnya, maka gelombang resultannya hampir tidak memiliki amplitudo karena terjadinya interferensi destruktif, yaitu kedua gelombang tersebut saling melemahkan. [4] Persamaan yang umum pada percobaan kisi difraksi ini adalah (1.1) dengan d adalah lebar celah, n merupakan pola interferensi ke n (1, 2, 3,..., n); dan juga adalah sudut yang dibentuk antara sinar datang dengan pola terang. Selain persamaan ini, ada juga persamaan trigonometri yang diturunkan dari persamaan (1.1) tersebut, yaitu (1.2) dengan adalah panjang gelombang sinar laser, d adalah jarak antar celah, m adalah, x jarak dari kisi ke

3 KISI DIFRAKSI (2016) layar, dan a adalah jarak antara pita tengah ke pita ke n. II. METODOLOGI A. Alat Alat yang digunakan pada percobaan kisi difraksi ini antara lain dua buah kisi dengan konstanta berbeda, laser, layar, rel presisi, mistar, dan statif. Kegunaan dari alat-alat ini antara lain kisi yaitu untuk mendifraksikan cahaya yang masuk agar membentuk pola gelap-terang pada layar, laser sebagai sumber cahaya yang akan didifraksikan, layar untuk menangkap pola gelap terang yang dihasilkan oleh difraksi sinar laser, rel presisi untuk mengatur jarak antara layar, kisi, dan laser; mistar yaitu untuk mengukur jarak antara terang pusat dengan terang ke n pada layar, dan statif digunakan sebagai tempat meletakkan layar, kisi, dan laser pada rel presisi. B. Metodologi Percobaan Pada percobaan ini, digunakan skema kerja sebagai berikut Start, Laser dipasang pada rel presisi Kisi dipasang pada statif, dipasang pada rel presisi dengan ketinggian sama dengan laser laser diatur sejauh 30 cm layar diatur dengan variasi Laser dinyalakan dan diamati pola gelap terangnya Kedudukan masing-masing pola terang pada layar dicatat dan diukur menggunakan mistar Layar Kisi Laser Apakah sudah variasi kisi? Belum Ya End Rel Presisi Gambar 2.1. Skema Kerja Kisi Difraksi Pertama, laser dipasang pada rel presisi. Kisi dipasangkan pada statif dan ditempatkan pada rel presisi dengan ketinggian yang sama dengan laser. Jarak antara kisi dengan laser diatur sejauh 30 cm. layar diatur dengan variasi yang ditentukan oleh asisten. Laser dinyalakan dan diamati pola gelap-terang yang dihasilkannya. Kedudukan masing-masing pola terang yang tampak pada layar dicatat dan diukur menggunakan mistar. Dengan langkah yang sama, kisi pertama diganti dengan kisi kedua Agar lebih singkat, maka dibuatlah flow-chart sebagai berikut. Gambar 2.2. Flowchart Praktikum Kisi Difraksi III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN A. Analisa Data Dari percobaan kisi difraksi yang telah dilakukan, maka diperoleh hasil data berupa jarak antara terang pusat dengan terang ke n berdasarkan variasi jarak kisi ke layar seperti pada tabel berikut Tabel 3.1 Jarak antara pola terang pusat dengan terang ke n pada pola sebelah kiri di kisi 1 kiri layar (cm) ,5 3 4, ,5 8,7 40 2,7 5,4 8,3 11,4 Tabel 3.2 Jarak antara pola terang pusat dengan terang ke n pada pola sebelah kanan di kisi 1 kanan layar (cm)

4 KISI DIFRAKSI (2016) ,5 3 4, ,2 4,4 6,5 8,7 40 2,7 5,7 8 10,5 Tabel 3.3 Jarak antara pola terang pusat dengan terang ke n pada pola sebelah kiri di kisi 2 Jarak kisi ke layar (cm) Kiri Orde 1 Orde 2 Orde ,7 3,4 5,1 30 2,2 4,4 6,7 40 2,5 5 7,7 Tabel 3.4 Jarak antara pola terang pusat dengan terang ke n pada pola sebelah kanan di kisi 2 Jarak kisi ke layar (cm) Kanan Orde 1 Orde 2 Orde ,5 3,2 4,9 30 2,2 4,4 6,5 40 2,6 5,1 7,7 Selanjutnya, akan kita cari nilai konstanta kisi difraksi menggunakan rumus dengan m adalah pola ke n, λ adalah panjang gelombang, a adalah jarak kisi ke layar, dan x adalah jarak antar pita terang dimana a dan x dalam satuan meter (m). Panjang lambda referensi untuk sinar merah yang digunakan adalah 635 nm. Sebagai contoh perhitungan, maka digunakan data pertama pada tabel 3.1. pada 1. Maka akan didapatkan hasil sebagai n = ,446 Selanjutnya, kita akan mencari lebar celah yang digunakan. Menggunakan persamaan maka akan didapatkan hasil untuk data pertama sebesar Jarak kisi ke layar (m) Jarak kisi ke layar (m) Ratarata n tiap Ratarata n total Ratarata d total , , , , , ,1 Tabel 3.6 Hasil perhitungan nilai n kanan pada kisi 1 Orde kanan , , , , , , , , ,1 024 Tabel 3.7 Hasil perhitungan rata-rata n total dan d total kisi 1 Rata-rata n pada , , , , , , , , ,6842 9,05054E , , , , , , , , , , , , ,1 Namun pada perhitungan berikut, akan digunakan untuk mendapatkan d rata-rata = 1 / n rata-rata. Maka, data-data nilai konstanta kisi difraksi dan lebar celah yang lain ditulis pada tabel sebagai berikut layar (m) Tabel 3.5 Hasil perhitungan nilai n kiri pada kisi 1 Orde kiri ,4 3,5 9,5 9,1 Tabel 3.8 Hasil perhitungan nilai n kiri pada kisi 2 layar (m) Orde kiri ,3 5 7, ,3 3,1 6, , 97665, 99228, Tabel 3.9 Hasil perhitungan nilai n kanan pada kisi 2 Orde kanan

5 KISI DIFRAKSI (2016) layar (m) ,4 2 4, ,3 3,1 6, , 99228, 6, Tabel 3.10 Hasil perhitungan rata-rata n total dan d total kisi 2 layar (m) Rata-rata n pada , , , , , , , , 99228, , , Rata-rata n tiap rata-rata n total ,6046 rata-rata d total 8,81192E-06 Contoh pola gelap-terang yang tampak pada praktikum kisi difraksi ini adalah sebagai berikut Gambar 3.1. Pola gelap-terang yang terlihat pada layar B. Pembahasan Percobaan kisi difraksi ini memiliki tujuan untuk mempelajari gejala difraksi, menera konstanta kisi difraksi, dan mengetahui pengaruh jarak kisi ke layar terhadap pola gelap terang yang dihasilkan. Ada dua kegiatan pengolahan data pada percobaan kisi difraksi kali ini. Pertama adalah menera konstanta kisi dan yang kedua adalah tahap mengetahui pengaruh jarak kisi ke layar terhadap pola gelap terang yang dihasilkan. Pada percobaan untuk menera konstanta kisi, tahap pertama adalah memasang laser pada rel presisi lalu kisi dipasang pada statip dan ditempatkan pada rel presisi dengan ketinggian yang sama dengan laser, jarak antara kisi dengan laser diatur sejauh 30cm. Jarak kisi dan layar diatur sesuai dengan variasi. Laser dinyalakan dan diamati pola gelap terang yang dihasilkan. Kedudukan masing-masing pola terang yang tampak dicatat dengan menggunakan mistar. Kemudian, kisi pertama diganti dengan kisi kedua. Sedangkan pada percobaan untuk mengetahui pengaruh jarak kisi ke layar terhadap pola gelap terang yang dihasilkan, maka langkah kerja seperti diatas diulangi dan mengubah jarak antara kisi dengan layar. Pada saat laser dinyalakan, cahaya monokromatik akan keluar dari laser. Cahaya ini akan merambat lurus ke kisi. Pada kisi ada sebagian cahaya yang terhalang, ada pula yang lolos melewati kisi. Cahaya yang mampu melewati kisi akan dibelokkan atau dilenturkan. Sesuai dengan prinsip Huygens, cahaya yang lolos dari kisi ini akan menjadi sumber gelombang yang baru. Sumber gelombang baru ini kemudian menyebar ke seluruh arah di belakang kisi. Gelombanggelombang ini akan membentuk superposisi. Superposisi dari gelombang ini disebut dengan interferensi gelombang. Interferensi gelombang ada yang saling menguatkan dan ada yang saling melemahkan. Gelombang yang saling menguatkan disebut interferensi konstruktif yang selanjutnya menghasilkan cahaya terang. Sedangkan interferensi yang saling melemahkan disebut interferensi destruktif dan hasil dari interferensi ini adalah pola gelap pada layar. Pola gelap terang akan terjadi pada layar secara selang-seling. Berdasarkan dari analisa data dan perhitungan yang telah dilakukan, didapatkan kesimpulan bahwa semakin kecil jarak kisi ke layar maka nilai dari konstanta kisi difraksi akan semakin besar. Rata-rata n pada kisi ke-1 adalah ,6842 dan rata-rata d adalah 9,05054 m. Rata-rata n pada kisi ke-2 adalah ,6046 dan rata-rata d adalah 8,81192 m. KESIMPULAN/RINGKASAN Dari percobaan yang telah dilakukan, didapat beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Proses terjadinya difraksi cahaya adalah cahaya monokromatik melewati celah sempit dari kisi (celah) seolah-olah menyebar riak-riak gelombang cahaya. Amplitudo kedua gelombang akan bergabung untuk membuat interferensi konstruktif ataupun interferensi destruktif. 2. Nilai dari konstanta kisi difraksi pada kisi pertama adalah ,6842; sedangkan pada kisi kedua adalah , Semakin jauh jarak dari kisi ke layar, maka akan semakin jauh pula jarak antara pola gelap-terang yang dihasilkan. UCAPAN TERIMA KASIH Saya, Rizqi Ahmad Fauzan mengucapkan terima kasih kepada Bapak Gontjang Prajitno selaku dosen Gelombang dan Optika saya, dan Mas Alfian Putra S. serta Mbak Chi Chi Novianti sebagai asisten laboratorium yang telah membimbing dalam pelaksanaan praktikum. Terima kasih juga saya sampaikan kepada teman-teman sekelompok praktikum yang baik secara langsung ataupun tidak langsung telah membantu dalam proses terselesaikannya laporan ini.

6 KISI DIFRAKSI (2016) DAFTAR PUSTAKA [1] Kholifudin, M.Y Sinar Laser Mainan sebagai Alternatif Sumber Cahaya Monokromatik Praktikum Kisi Difraksi Cahaya. Prosiding Pertemuan Ilmiah HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 25 April [2] Alfa, R. Minarni, dan Salomo Analisa Pola Difraksi Fraunhofer pada Celah Tunggal dan Pembuktian Prinsip Ketidakpastian Heisenberg. Kampus Binawidya. Pekanbaru [3] Serway, R.A. dan John W.J, Jr Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. Brooks/Cole Cengage Learning. California. [4] Vandergriff, L.J. et al Fundamentals of Photonics. S.P.I.E. Washington