Cahaya dan Sepktrum Gelombang Elektromagnetik

Fisika Kelas X: Cahaya dan Sepktrum Gelombang Elektromagnetik

Belajar Fisika Yuk-Pada pembahasan kali ini kita akan belajar tentang cahaya dan spektrum gelombang elektromagnet. Pelajaran ini terdapat di kelas X tepatnya masih dalam bahasan gelombang elektromagnetik pada semester ke dua dan termasuk materi akhir semester setelah materi listrik dinamis. Tentunya jika sekolah kalian belum menggunakan kurikulum 2013 atau masih menggunakan kurikulum KTSP. Cahaya, atau lebih tepatnya cahaya tampak (visible light) merupakan bagian dari spektrum gelombang elektromagnet. Kata spektrum pasti masih asing pada telinga teman-teman semua. Arti spektrum dalam pembahasan ini adalah ragam/variasi/macam dari gelombang elektromagnetik berdasarkan frekuensi dan panjang gelombangnya. Ya iyalah, karena kecepatannya sama maka jika frekuensinya berubah maka panjang gelombangnya juga berubah. Hal serupa juga berlaku jika sebaliknya, yakni panjang gelombangnya berubah maka frekuensinya juga berubah. Walaupun, cahaya tampak termasuk dalam spektrum gelombang elekromagnetik. Pembahasan dalam artikel ini akan dimulai dari cahaya tampak terlebih dahulu, kemudian dilanjutkan dengan spektrum dari gelombang elektromagnet supaya lebih kontekstual, karena cahaya tampak lebih mudah kita amati dengan mata kita sendiri.

Cahaya Tampak

Pada pembahasan sebelumnya mengenai gelombang elektromagnet telah disinggung bahwa Maxwell telah melakukan perhitungan secara teoritis dengan menggunakan permitivitas ruang hampa dan permeabilitas ruang hampa sehingga kecepatan gelombang elektromagnetik di ruang hampa adalah sebesar 3*(10^8) m/s. Besarnya nilai tersebut sama dengan nilai dari kecepatan cahaya yang terukur. Hal ini membuktikan adanya kemungkinan bahwa cahaya merupakan salah satu bentuk dari gelombang eletromagnetik. Pernyataan Maxwell ini diperkuat oleh eksperimen dari Heinrich Hertz (1857 - 1894). Hertz melakukan eksperimen dengan menggunakan perangkat celah bunga api. Dalam eksperimen tersebut muatan digerakkan bolak-balik dalam waktu singkat sehingga membangkitkan gelombang elektromagnet dengan frekuensi sekitar (10^9) Hz. Bagaimana ia bisa tahu gelombang elektromagnet tersebut? Ia mendeteksi gelombang tersebut dari jarak tertentu dengan menggunakan loop kawat yang bisa membangkitkan ggl jika terjadi perubahan pada medan magnet. Dalam bahasa yan lebih mudah, dia menggunakan sebuah rangkaian dimana akan ada arus listrik pada rangkaian tersebut jika terjadi perubahan medan magnet yang berasal dari perangkat celah bunga api. Gelombang ini terbukti merambat dengan kecepatan 3*(10^8) m/s serta menunjukkan seluruh karakteristik dari cahaya yang sudah diketahui sebelumnya (pemantulan, pembiasan, dan interferensi). 

Cahaya tampak memiliki panjang gelombang (λ :baca lambda) dengan rentang antara 4,0*(10^-7) m dengan warna ungu hingga 7,5*(10^-7) m dengan warna merah (biasa dituliskan dengan menggunakan satuan nanometer, 400 nm hingga 750 nm). Nilai dari frekuensi cahaya tampak dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut ini. c = λf dengan keterangan sebagai berikut:

f adalah frekuensi dari gelombang elektromagnet dengan satuan hertz (Hz)atau 1/s (seper sekon)
λ adalah panjang gelombang elektromagnet dengan satuan meter (m)
c adalah kecepatan cahaya yang bernilai hampir mendekati 3*(10^8) meter per sekon (m/s)

Kita dapat menentukan frekuensi cahaya tampak bernilai antara 4,0*(10^14) Hz hingga 7,5*(10^14) Hz. Karena nilai kecepatannya adalah konstan dan panjang gelombangnya yang bervariasi maka nilai panjang gelombangnya juga ikut bervariasi. Variasi tersebut memiliki hungungan yang terbalik dimana jika panjang gelombangnya besar maka nilai frekuensinya akan kecil, pun sebaliknya jika panjang gelombangnya kecil maka nilai dari frekuensinya akan besar. Oleh karenanya, warna ungu memiliki panjang gelombang yang kecil tetapi frekuensinya besar, sebaliknya merah memiliki panjang gelombang yang besar dan frekuensi yang kecil.

Bagaimana dengan warna warna jingga, kuning, hijau, biru dan seterusnya? 

Warna-warna tersebut juga memiliki frekuensi khusus dan jika diurutkan dari panjang gelombang terbesar ke terkecil maka akan mengikuti urutan warna pada pelangi, yakni mejikuhibiniu (merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila dan ungu).

Cahaya tampak yang dihasilkan melalui suatu pijaran juga disebabkan karena elektron yang mengalami percepatan di dalam filamen panas. Cahaya yang kita lihat dibumi sebgian besar adalah dari Matahari. Matahari tidak hanya memancarkan cahaya tampak, tetapi juga inframerah (IR) dan ultraviolet (UV) dalam jumlah yang tetap. Panas yang kita rasakan adalah efek dari radiasi inframerah yang dipancarkan pula oleh Matahari. Gelombang elektromagnetik yang kita terima diserap oleh tubuh dengan caya yang berbeda-beda. Variasi penyerapan tergantung pada panjang gelombangnya. Mata kita dapat mendeteksi panjang gelombang antara 4*(10^-7) m sampai 7*(10^-7) m (cahaya tampak), sedangkan kulit kita mendeteksi panjang gelombang yang lebih besar. Sebagian besar gelombang elektromagnetik tidak dapat kita deteksi secara langsung dan memerlukan peralatan bantu.

1) Gelombang Radio

Gelombang radio memiliki rentang frekuensi sekitar 30 kHz hingga 100 GHz (pada ganbar a). Gelombang radio dapat dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan frekuensinya. Macam dari gelombang radio adalah:

• Low Frequency (LF), 
• Medium Frequency (MF), 
• High Frequency (HF), 
• Very High Frequency (VHF), 
• Ultra High Frequency (UHF), dan 
• Super High Frequency (SHF). 

Perhatikan tabel yang terdapat dalam gambar (b). Gelombang radio LF dapat diserap oleh ionosfer sehingga tidak dapat menjangkau tempat yang jauh, sedangkan MF dan HF dapat mencapai tempat yang jauh di permukaan bumi karena gelombang ini dapat dipantulkan oleh lapisan ionosfer. Untuk komunikasi dengan satelit, gelombang VHF dan UHF dapat digunakan karena gelombang ini dapat menembus ionosfer. Untuk lebih jelasnya, panjang gelombang, frekuensi dan manfaaat dari gelombang radio dapat dilihat pada gambar b.

2) Gelombang Mikro

Gelombang mikro adalah gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang dalam selang antara (10^-3) m hingga 0,03 m. Gelombang mikro dihasilkan oleh peralatan elektronik khusus, seperti dengan tabung Klystron. Gelombang mikro dapat dimanfaatkan untuk alat microwave, sistem komunikasi radar, dan analisis struktur molekul dan atomik.

3) Sinar Infra Merah

Radiasi inframerah merupakan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang yang mendekati cahaya merah tetapi lebih panjang dan lebih pendek daripada panjang gelombang radio. Dengan kata lain sinar inframerah terletak pada selang panjang gelombang 0,7 hingga 1 mm pada peta spektrum gelombang elektromagnetik (gambar a). Sinar inframerah dimanfaatkan dalam fotografi inframerah untuk keperluan pemetaan sumber alam dan diagnosis penyakit.

4) Cahaya Tampak

Seperti pada pembahasan sebelumnya bahwa cahaya tampak merupakan radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat dideteksi oleh mata manusia. Secara teknis, rangsang cahaya yang diterima oleh mata yang diinterpretasikan ke dalam bentuk warna. Pnjang gelombang cahaya tampak memiliki kisaran antara 4*(10^-7) m hingga 7,5*(10^-7) m.

5) Sinar Ultra Violet

Gelombang ultraviolet memiliki panjang gelombang yang pendek dan lebih pendek daripada cahaya tampak. Matahari merupakan pemancar radiasi ultraviolet yang kuat, dan membawa lebih banyak energi daripada gelombang elektromagnet yang lain. Karena inilah gelombang ultraviolet yang berasal dari matahari dapat masuk dan membakar kulit. Hal ini dikarenakan, kulit manusia sensitif terhadap sinar ultraviolet matahari. Beruntungnya, bumi kita memiliki atmosfer dengan lapisan ozon sehingga menghambat sebagian sinar ultraviolet yang merugikan. Sinar matahari berupa UV juga dapat menimbulkan kanker kulit. Hal yang perlu kita waspadai adalah, semakin tahun perkembangan dari lapisan ozon semakin menipis karena berbagai aktivitas manusia. Hal ini diperparah dengan dihasilkannya banyak gas rumah kaca sehingga suhu di atas permukaan bumi semakin meningkat.

6) Sinar X 

Sinar-X dapat dihasilkan dari penembakan atom-atom dengan partikel-partikel yang memiliki energi kuantum yang tinggi. Panjang gelombangnya memiliki kisaran antara (10^-11) m hingga (10^-9) m. Sinar-X juga dihasilkan oleh elektron-elektron yang berada di bagian dalam kulit elektron atom, atau pancaran yang terjadi karena elektron dengan kelajuan besar menumbuk logam. Oleh karena sifatnya yang tembus materi maka penggunaannya sendiri lebih banyak pada bidang medis dan bidang industri untuk menelaah struktur bagian dalam baik pada organ manusia seperti tulang maupun pada pipa-pipa.

7) Sinar Gamma

Sinar gamma adalah bentuk radioaktif yang dikeluarkan oleh inti-inti atom tertentu. Sina gamma memiliki panjang gelombang yang sangat pendek. Sebaliknya, sinar gamma ini memiliki frekuensi yang sangat tinggi. Oleh karena energi memiliki kesebandingan dengan frekuensi maka energi sinar gamma ini sangatlah besar. Besarnya energi yang dimiliki dan panjang gelombang yang sangat kecil membuat sinar gamma sangat kuat dan sifatnya dapat menembus benda-benda yang tebal seperti beton dan sangat berbahaya karena dapat membunuh sel hidup. Apalagi sinar gamma tingkat tinggi yang dilepaskan oleh reaksi nuklir seperti ledakan bom nuklir yang pernah dilepaskan di Jepang (Hiroshima dan Nagasaki).

Penutup

Sekian pembahasan untuk cahaya dan spektrum gelombang elektromagnetik. Semoga membantu teman-teman dalam belajar fisika. Terima kasih telah berkunjung dan jangan lupa di like ya…