Interferensi Cahaya pada Celah Ganda Young (Materi fisika kelas 11)

 

Gambar 1. Interferensi pada gelombang air

(sumber : University Physics with Modern Physics)

Interferensi gelombang dapat terjadi ketika gelombang di hasilkan dari dua sumber yang koheren (kedua gelombang selalu memiliki beda fase yang tetap) seperti yang terlihat pada gelombang air di atas. Interferensi pada gelombang air memang mudah dilihat akan tetapi interferensi pada gelombang cahaya susah untuk dilihat, hal ini dikarenakan cahaya yang merambat pada medium yang sama tidak dapat dilihat.

Sekitar tahun 1800 seorang ilmuwan asal inggris Thomas Young mengawali eksperimen untuk meneliti interferensi pada cahaya dengan melakukan percobaan. Skema percobaan yang dilakukan oleh Young digambarkan seperti berikut

Gambar 2. Skema percobaan interferensi cahaya celah ganda Thomas Young

(sumber : University Physics with Modern Physics)

Pada gambar 2a, terlihat sebuah sumber cahaya monokromatis ditembakkan melalui celah sempit (S_o) dengan lebar sekitar 1 μm,. Namun, cahaya yang keluar dari celah ini tidak cocok untuk digunakan dalam percobaan Inteferensi karena masih belum koheren. Oleh karena itu, oleh Young cahaya yang keluar dari celah pertama di teruskan ke dua celah selanjutnya (S₁ dan S₂) yang memiliki lebar sekitar 1 μm dan berjarak sepersepuluh atau seperseratus μm. Muka gelombang yang keluar dari celah pertama berbentuk Cylindrical kemudian menyebar hingga masuk ke celah ganda S₁ dan S₂, gelombang cahaya yang masuk ke kedua celah ini memiliki fase yang sama karena menempuh jarak yang sama dari celah pertama. Gelombang cahaya yang keluar dari celah ganda juga akan tetap sefase, sehingga celah ganda ini dapat disebut sebagai sumber cahaya yang koheren sehingga cocok digunakan dalam percobaan interferensi gelombang cahaya.

Untuk memvisualisasikan hasil interferensinya, gelombang cahaya yang keluar dari celah ganda kemudian ditangkap oleh layar sehingga terbentuk pola gelap terang pada layar seperti yang terlihat pada gambar paling kanan. Perhatikan gambar 2b yakni bentuk geometri dari interferensi cahaya yang digunakan untuk menyederhanakan dalam melakukan analisis interferensi cahaya pada titik P berkas cahaya yang berkumpul akan lebih terang hal ini menandakan terjadinya interferensi konstruktif dan di daerah sebelahnya terlihat lebih redup, hal ini menandakan terjadinya interferensi destruktif.

kita asumsikan bahwa jarak R (di beberapa buku kadang jarak celah ke layar diberi simbol “L”) dari celah ke layar jauh lebih besar daripada jarak antara kedua celah d sehingga berkas sinar-sinar yang keluar sangat mendekati sejajar (2c), hasil seperti biasanya terjadi pada percobaan dengan cahaya, jarak antar celah yang berkisar pada beberapa milimeter dibandingkan dengan jarak celah ke layar yang berkisar beberapa meter atau lebih, sehingga perbedaan panjang lintasan berkas sinar sesuai dengan persamaan 

r₂ – r₁ = d sin θ ... (1)

dimana θ merupakan sudut antara berkas sinar yang keluar dari celah dengan jarak celah ke layar (gambar 2c).

Interferensi konstruktif dan destruktif pada celah ganda

Sebelum masuk ke penjelasan interferensi konstruktif dan destruktif pada celah ganda, mari kita sejenak mengingat kembali bagaimana proses terjadinya interferensi konstruktif maupun destruktif pada gelombang. Perhatikan gambar berikut.

Gambar 3. Interferensi pada gelombang bunyi

(sumber : University Physics with Modern Physics)

Gambar 3 menunjukkan dua buah sumber gelombang S₁ dan S₂ memancarkan gelombang dengan amplitudo dan panjang gelombang (λ) yang sama, serta  fase yang konstan. misalkan kita meninjau sebuah titik a yang berada pada sumbu x dengan jarak yang sama dari kedua sumber gelombang (gambar 3a). Jika gelombang yang dihasilkan oleh kedua sumbernya memiliki amplitudo, panjang gelombang dan fase yang sama ketika gelombang meninggalkan kedua sumber adalah sefase, maka gelombang tersebut akan tiba di titik a dalam waktu yang sama dan tetap sefase. Sehingga amplitudo total di titik a akan menjadi dua kali amplitudo awalnya karena terjadi interferensi dari kedua gelombang tersebut. Hal tersebut berlaku juga untuk semua area. 

Sekarang kita perhatikan gambar 3b, terlihat bahwa jarak dari sumber ke dua (S₂) ke titik b lebih panjang 2λ dari pada jarak dari sumber kedua (S2) ke titik b. Hal ini menyebabkan sebuah puncak dari sumber pertama akan tiba di titik b dua kali lebih awal dari pada puncak dari sumber kedua yang memancar bersamaan dari sumber satu dan sumber dua. Ketika dua  puncak gelombang tiba bersamaan pada suatu titik (disebut sefase) maka amplitudo pada titik tersebut akan menjadi dua kali semula sebagai akibat dari interferensi dari kedua gelombang yang datang. Interferensi yang terjadi ketika kedua amplitudo ini saling menguatkan disebut dengan interferensi konstruktif. Misalkan jarak dari sumber pertama ke titik b disebut dengan r1 dan jarak dari sumber kedua ke titik b disebut dengan r2 maka agar terjadi interferensi konstruktif selisih jarak kedua sumber ini harus kelipatan bilangan bulat dari panjang gelombangnya (λ). Secara matematis hubungan ini dapat ditulis

r₂ – r₁ = mλ → ( m = 0, ± 1, ± 2, ±3, ... ) ... (2)

Agak sedikit berbeda jika kita melihat gambar 3c, selisih dari jarak sumber pertama ke titik c (r₁) dengan jarak dari sumber kedua ke titik c (r₂) adalah -2,50 λ, yang mana merupakan kelipatan setengah dari panjang gelombangnya. Ketika sebuah puncak gelombang (amplitudo positif) dari sumber 1 tiba di titik c, pada saat yang bersama dari sumber ke dua yang datang adalah lembah gelombang (amplitudo negatif), sehingga terjadi interferensi dari puncak dan lembah gelombang yang mengakibatkan keduanya saling melemahkan dan amplitudo di titik c sama dengan nol. Interferensi yang terjadi ketika kedua amplitudo saling melemahkan disebut dengan interferensi destruktif. Dengan kata lain interferensi destruktif akan terjadi jika selisih jarak kedua sumber ke suatu titik harus kelipatan dari setengah panjang gelombangnya (λ). secara matematis dapat ditulis

r₂ – r₁ = (m + ½) λ → ( m = 0, ± 1, ± 2, ±3, ... ) ... (3)

Interferensi konstruktif dan destruktif juga terjadi pada gelombang cahaya sehingga terjadi pola pita gelap terang pada layar seperti ditunjukkan gambar berikut.

Gambar 4. Pola gelap terang percobaan interferensi celah ganda Young yang tertangkap pada layar 

(sumber : University Physics with Modern Physics)

Pola terang menandakan terjadinya interferensi konstruktif pada titik tersebut, sedangkan pola gelap menandakan terjadinya interferensi destruktif pada titik tersebut. Dengan mensubstitusikan persamaan (1) ke persamaan (2) kita akan mendapatkan persamaan saat terjadi pita terang (interferensi konstruktif) sebagai berikut.

Sedangkan jika kita mensubstitusikan persamaan (1) ke persamaan (3), kita akan mendapatkan persamaan saat terjadi pita gelap (interferensi destruktif) sebagai berikut

perhatikan kembali gambar 2a dan gambar 4, terdapat persamaan bahwa bagian tengah dari pola tersebut terlihat paling terang, pola ini kita sebut sebagai terang pusat jarak dari pita terang atau gelap ke terang pusat adalah y (gambar 2b). berdasarkan gambar 2b kita dapat menuliskan bahwa

tan θ = y/R ... (6)

Karena jarak pola pita ke terang pusat (y) jauh lebih kecil daripada jarak dari celah ke layar (R) maka sudut θ yang terbentuk sangat kecil, sehingga nilai tan θ ≈ sin θ, sehingga persamaan (6) dapat kita tulis

sin θ = y/R ... (7)

Dengan mensubstitusikan persamaan (7) ke persamaan (4) dan (5) kita dapatkan persamaan baru yakni.

untuk pola pita terang, dan

untuk pola pita gelap.

persamaan-persamaan di atas adalah untuk menentukan jarak dari pita terang atau gelap ke terang pusat, bagaimana jika yang ditanyakan di soal adalah jarak antar pita terang, jarak antar pita gelap, atau jarak pita ke n sampai ke m? untuk itu silahkan di baca konsep tambahan tentang materi ini yakni terkait dengan frinji pada interferensi celah ganda (gelombang cahaya)

Demikian uraian singkat tentang interferensi gelombang cahaya, semoga dapat membantu para pembaca dalam memahami materi ini. Untuk lebih memahami materi ini silahkan dilihat Latihan Soal Interferensi Cahaya Celah Ganda