Jurnal Difraksi Celah Tunggal ; Single Slit Diffraction PDF

Preview

Summary

DIFRAKSI CELAH TUNGGAL Single Slit Diffraction Rizaldy Firstky Aminul Wahib, Putra Aditya Rachman, Nafaul Mubarokah, Salma Yumna Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Matematika, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Soedarto No.50257 Abstrak Pada praktikum ini dilakukan pengamatan proses difraksi cahaya...

Description

DIFRAKSI CELAH TUNGGAL Single Slit Diffraction Rizaldy Firstky Aminul Wahib, Putra Aditya Rachman, Nafaul Mubarokah, Salma Yumna Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Matematika, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Soedarto No.50257 Abstrak Pada praktikum ini dilakukan pengamatan proses difraksi cahaya dengan tujuan untuk 1.) Memahami efek difraksi dan 2.) Menentukan panjang gelombang sebuah sumber cahaya. Pada percobaan digunakan Laser He-Ne sebagai sumber cahaya yang nantinya akan diamati hasi ldifraksinya. Sinar laser diperoleh dengan mengstimulasi emisi foton dari atom Helium yang terjadi di dalam laser. Stimulasi emisi terjadi dengan membuat atom Helium menyerap energi dari tumbukan electron (absorption) sehingga elektron tereksitasi. Elektron yang tereksitasi akan kembali ketingkat dasar dengan melepaskan energi berupa foton atau disebut dengan emisi. Elektron yang tereksitasi ada yang mengalami emisi spontan (dengan sendirinya secara langsung kembali ketingkat dasar) dan ada yang pula membutuhkan stimulasi dari foton agar elektron mengalami emisi stimulasi. Untuk terjadi stimulasi emisi maka diperlukan kondisi populasi inversi, kondisi atom tereksitasi lebih banyak daripada atom pada tingkat dasar. Hasil dari proses ini akan menghasilkan sinar laser. Sinar laser kemudian dilewatkan pada celah sempit dan diamati pola terang-gelap yang terbentuk pada layar. Pola terang-gelap terbentuk dikarenakan efek difraksi dan interferensi konstruktif maupun interferensi destruktif. Hasil pengukuran jarak n-terang ke terang inti dengan variasi data pada jarak celah dengan layer digunakan untuk memperoleh nilai panjang gelombang laser He-Ne. Katakunci : Difraksi, interferensi, laser, absorption, eksitasi, populasi inversi, emisi spontan, emisi stimulasi, celah tunggal

Abstract In this practicum, the light diffraction is being observed aimed for 1.) Understanding diffraction effect and 2.) Determining wavelength of a light source. In this experiment, He-Ne Laser is used as light source which later the diffraction result being observed. Laser beam gained from stimulating photon emission from Helium atom located inside laser body. Stimulating emission happen by making Helium atom absorb energy from electron collision so the electron of Helium atom is excited. The excited electron will eventually fall to its initial/elementary state. Some excited electron is experiencing spontaneous emission (immediately falls to its elementary state by itself) and there are some electrons need to be stimulated by photon therefore the electron experiencing stimulated emission. Stimulated emission occurs under inversion population condition, a condition which excited atoms is more than normal state atoms. The result from these processes is a laser beam being formed. Then laser beam will go through a single slit and pattern of light and dark that formed in screen is observed. Pattern of light and dark formed caused by diffraction effect and constructive interference as well as disrupttive interference. The measurement between n-light to center light length with data variation in distance between slit and screen used to calculate the wavelength of He-Ne laser light Keywords : Diffraction, interference, laser, absorption, excitation, inversion population, spontaneous emission, stimulated emission, single slit.

1. PENDAHULUAN Difraksi merupakan peristiwa pembelokan gelombang di sekitar sudut yang terjadi saat sebagian muka gelombang melewati sebuah rintangan. Percobaan difraksi celah tunggal menggunakan sinar laser sebagai sumber cahaya yang kemudian akan diamati pola difraksi cahayanya. Difraksi cahaya pernah diamati oleh ilmuwan bernama Christian Huygens pada abad ke 19 dan kemudian disempurnakan oleh Augustin Fresnel. Hasil dari pengamatan saat itu menghasilkan prinsip Huygens yang nantinya juga menjadi dasar bagi kami dalam melakukan pengamatan.

dan sebagian lainnya akan diteruskan melalui medium yang dikenai cahaya atau disebut refraksi (Young,2003). 2.2.4 Dispersi Cahaya putih biasa merupakan superposisi dari gelombang dengan panjang gelombang yang membentang melalui sebuah spectrum tampak, kebergantungan laju gelombang dan indeks refraksi pada tiap panjang gelombang disebut disperse (Young,2003). 2.2.5 Menembus benda bening Misalkan kaca yang bening dapat ditembus oleh cahaya, saat kaca tersebut dihalangi oleh benda lain, cahaya tidak akan dapat menembusnya (Heinz,2008).

Gagasan atau Postulat Planck yang dicetuskan pada 1900 membuat munculnya pandangan baru terhadap penjelasan mengenai peristiwa difraksi cahaya pada celah tunggal. Sehingga pada percobaan kali ini, kelompok kami dengan menggunakan dasar-dasar penelitian sebelumnya akan mengamati pola difraksi yang dihasilkan oleh cahaya saat melalui celah tunggal dengan tujuan untuk mengetahui Panjang gelombang dari cahaya yang digunakan.

2.2.6 Intensitas cahaya Intensitas cahaya adalah besaran pokok dalam fisika yang menyatakan daya yang dipacarkan oleh suatu sumber cahaya pada arah tertentu per satuan sudut. Satuan internasional untuk intensitas cahaya adalah candela (cd). Definisi baku untuk 1 candela adalah intensitas cahaya pada arah tertentu dari sumber cahaya dengan frekuensi 540x1012 Hz dengan intensitas radian pada arah 1/682 watt per steradan. Alat ukur yang sering digunakan untuk mengukur intensitas adalah lightmeter, illuminance, dan luxmeter (Cassidy,2002).

2. METODEOLOGI PENELITIAN 2.1

Cahaya Cahaya merupakan energi berbentuk gelombang elektromagnetik yang kasat mata dengan panjang gelombang sebesar 380-750 nm. Pada suhu yang cukup tinggi, semua materi memancarkan cahaya tampak yang cukup banyak sehingga terlihat sebagai materi yang bersinar sendiri. Sebuah benda yang sangat panas terlihat “panas meah” atau “panas putih”. Jadi materi panas dalam bentuk apapun adalah sumber cahaya (Young, 2003).

2.4

Kata laser adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, yang artinya perbesaran intensitas cahaya oleh pancaran. Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monkromatik dan amat lurus. Cara kerjanya mencakup optika dan elektronika. Para ilmuwan biasanya menggolongkannya dalam bidang elektronika kuantum laser yang memancarkan sinar tampak disebut laser-optik (Cassidy,2002).

2.2 Sifat-sifat Cahaya 2.2.1 Merambat lurus Misalkan ketika menggunakan lampu senter, cahaya dari lampu senter arah rambatnya menuju garis lurus. Hal ini membuktikan bahwa cahaya merambat lurus (Heinz,2008). 2.2.2 Refleksi Misalnya bila memandang keluar atau ke dalam jendela, maka melihat pemandangan di belakang anda namun orang lain dapat melihat dengan pemandangan yang sama (Young,2003). 2.2.3 Refraksi Pada umumnya, sebagian gelombang cahaya akan direfleksikan

Laser

2.5

Difraksi Cahaya Difraksi adalah penyebaran gelombang karena adanya halangan. Semakin kecil halangan, penyebaran gelombang semakin besar. Penghalang itu dapat berupa layar dengan celah kecil yang mengijinkan sebagian muka gelombang dating untuk lewat. Selain itu juga dapat berupa benda kecil

contohnya cakram (Halliday,2005).

atau

kawat

Hasil dari difraksi adalah garis-garis terang dan garis-garis gelap seperti pada interferensi. Difraksi cahaya sulit untuk diamati karena biasanya sumber cahaya polikromatik sehingga pola difraksi yang ditimbulkan setiap gelombang cahaya saling tumpang tindih. Dan sumber cahaya terlalu lebar sehingga pola difraksi yang ditimbulkan masing-masing bagian akan saling menyebar dan polanya berubah-ubah sesuai beda fasenya (Serway,2010) 2.6 Difraksi Celah Tunggal Pada difraksi celah tunggal, apabila celah lebih lebar daripada gelombang cahaya, maka akan terjadi efek seperti interferensi pada celah. Hal ini dapat dijelaskan dengan menganggap bahwa celah bertindak sebagai sumber dari banyak titik yang terpisah secara merata. Difraksi mengacu pada penyimpangan (deviasi) dari perambatan garis lurusyang terjadi ketika suatu gelombang bergerak melewati suatu penghalang parsial. Ini biasanya sesuai dengan penyebaran gelombang pada tepi-tepi lubang dan penghalang. Bentuk paling sederhana dari difraksi cahaya adalah difraksi franhofer dan difraksi far-field (Desmond,1999). 2.7 Prinsip Huygens Prinsip Huygens menerangkan bahwa tiap-tiap titik dari sebuah muka gelombang dapat ditinjau sebagai sumber gelombang-gelombang kecil sekunder yang menyebar keluar ke segala arah dengan laju yang baru pada suatu waktu kemudian akan didapatkan dengan membangun sebuah permukaan yang menyinggung gelombang kecil sekunder atau yang dinamakan pembungkus gelombang dari gelombang itu (Cassidy,2002). 2.8

Cahaya Menurut Tiga Ahli Descarter mengemukakan teori cahaya dalam tulisannya tentang topik pada tahun 1637 dan menyatakan bahwa cahaya adalah suatu impuls(gangguan) yang merambat luruss dengan cepat dari suatu tempat ke tempat lain. Seorang fisikawan dan ahli matematika mengungkapkan dalam teorinya yaitu Sir Isaac Newton (1642-1727) bahwa sumbersumber dari cahaya memancarkan

elemen-elemen sangat halus yang mengenai mata kita, sehingga memberikan kesan cahaya. Namun teori ini bertentangan dengan teori Huygens. Menurut Huygens, didalam sumber cahaya terdapapt sesuatu yang bergetar dan getaran tersebut merambat lurus ke mata kita sebagai gelombang. Pada tahun 1678, Huygens mengungkapkan sebuah prinsip yang berbunyi "setiap titik pada muka gelombang cahaya bisa bertindak sebagai sumber gelombang sekunder yang memancar dari pusatnya dengan frekuensi, kecepatan, dan panjang gelombang yang sama seperti gelombang sumbernya" (Desmond, 1999). 2.9 Laser He-Ne Laser helium-neon tidak dipompa secara optis, tetapi secaara elektrik. Medium aktifnya adalah campuran gas dari helium dan neon dengan perbandingan 5:1 pada tekanan sekitar tiga torr. Helium tereksitasi ke sebuah level tertentu karena tabrakan elektron. Energi ditransfer dengan cepat ke atom neon netral yang mempunyai tingkat energi sedikit dibawah atom helium. Ini adalah level laser yang lebih atas. Transisi laser yang paling penting pada panjang gelombang 633 nm (Weber, 2001). 2.10 Cara Kerja Laser Jika kita memberikan sejumlah energi pada sebuah atom, maka atom dapat meninggalkan keadaannya yang sekarang, yaitu keadaan yang disebut dengan keadaan tingkat energi dasar, untuk menuju ke tingkat energi tereksitasi. Besarnya tingkat energi eksitasi ini bergantung pada jumlah energi yang diberikan pada atom. Ketika sebuah elektron berpindah ke orbit yang dengan energi yang lebih tinggi, elektron ini pada akhirnya akan kembali ke keadaan dasarnya dengan melepaskan energinya dalam bentuk foton-partikel cahaya (Weber, 2001). Dalam sebuah laser, sebuah medium penguat akan dipompa sehingga atom-atom medium tersebut mengalami keadaan tereksitasi. Karena elektron menyerap sejumlah energi untuk dapat mencapai tingkat eksitasi, maka tentu saja elektron dapat juga melepaskan kembali energi ini. Energi yang dilepas ini dipancarkan dalam bentuk foton. Fotonfoton yang dipancarkan memiliki panjang gelombang yang khas yang bergantung pada energi elektron pada saat elektron tersebut dilepaskan. Dua buah atom yamg identik, masing-masing dengan elektron

yang berada dalam keadaa yang sama, akan melepaskan foton-foton dengan panjang gelombang yang indektik pula. Jiak foton ini bertemu dengan atom-atom lain yang memiliki sebuah elektron dengan keadaan eksitasi yang sama, maka emisi terstimulasi dapat terjadi. Foton yang pertama dapat menstimulasi atau memberikan emisi atomik sehingga foton yang terpencar berikutnya (dari atom yang kedua) bergetar dengan frekuensi yng sama dan dengan arah yang sama dengan foton yang datang (Weber, 2001) Pada percobaan difraksi celah tunggal ini menggunakan beberapa alat dan bahan yang digunakan, antara lain, celah tunggal dengan skala mikrometer, laser He-Ne, meteran, dan layer. Pada percobaan ini, celah tunggal berskala mikrometer digunakan untuk pembelokan berkas laser He-Ne, laser He-Ne berfungsi sebagai sumber cahaya monokromatik berwarna merah, meteran untuk mengukur jarak antara celah, dan layar berfungsi sebagai bidang yang menampilkan pola gelap-terang yang dihasilkan cahaya monokromatik pada laser yang diarahkan ke celah tunggal.

Mulai

Menyiapkan alat dan bahan

L, n, d

Menentukan lebar celah dan jarak layar

Menyalakan laser

Lewatkan berkas laser pada celah yang jelas

l

Pola terang-gelap dilihat pada layar

y,L

meteran

Gambar 1. Rangkaian Percobaan Cahaya Pada Celah Tunggal

Difraksi

Adapun langkah kerja pada praktikum ini, yaitu lewatkan berkas laser pada skala mikrometer. Variasikan lebar celah dengan memutar micrometer, kemudian amati pola difraksi yang terbentuk. Variasikan jarak antara layar dan celah, lalu ukur perubahan jarak gelap pertama (atau kedua) terhadap pusat difraksi. Kemudian bahas hasil eksperimen termasuk sumber-sumber ralat yang mungkin timbul pada percobaan, serta tentukan Panjang gelombang laser He-Ne seteliti mungkin.

Selesai

Gambar 2. Diagram Alir Percobaan Difraksi Cahaya Pada Celah Tunggal

3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Pengolahan Data

Dari praktikum yang dilakukan, praktikan mendapat beberapa data : 3.1.1 Data Pengamatan Didapatkan beberapa dilakukannya praktikum :

data

setelah

3.1.2.3 Menghitung Ralat Perambatan Perhitungan dilakukan dengan menggunakan rumus :

Tabel 3.1 Data Pengamatan L (m) Y (x10-3 m) 0,3 7 0,4 10 0,5 12 0,6 15 0,7 17 0,8 19 0,9 23 1,0 25 n=5 λ = 6,5 x 10-7 m

𝜕𝜆 𝜕𝐿 𝜕𝜆

=

= 𝜕𝑌

d Y = nλ √L2 + Y2 atau, d = nλ(√L2 + Y2) Y dan λ= dY n(√L2 + Y2)

dengan

−𝑑 𝑌 𝐿

𝜕

𝑑𝑌

( ) 𝜕𝑌 𝑛(𝐿2 +𝑌 2 )

rumus 𝜕𝜆

(3.1)

= 𝜕𝑌

(3.2)

(3.3)

3.1.2.1 Menghitung d L = 0,3 m, Y = 7 x 10-3 m, λ = 6,5 x 10-7 m n=5

(1 − 𝐿2 +𝑌2 ) (3.5) 𝑛(√𝐿2 +𝑌 2 ) maka

∆λ = √(

3.1.2.2 Menghitung λ L = 0,3 m, Y = 7 x 10-3 m, d = 1,39 x 10-4 m n=5

Tabel 3.2 Hasil Perhitungan λ L (m) λ (x10-7 m)

2

𝜕𝜆

∆𝐿) + (𝜕𝑌 ∆𝑌) 𝜕𝐿

2

(3.6)

L = 0,3 m, Y = 7 x 10-3 m, d = 1,39 x 10-4 m n=5 𝜕𝜆 − 1,39𝑥10−4 𝑥7𝑥10−3 𝑥0,3 = 𝜕𝐿 5((0,3)2 + (7𝑥10−3 )2 )√(0,3)2 + (7𝑥10−3 )2 𝜕𝜆 𝜕𝐿

d = 5x6,5x10-7(√(0,32)+(7x10-3)) 7x10-3 -4 d = 1,39 x 10 m

𝑌2

𝑑

𝜕𝜆

λ = 1,39x10-4x7x10-3 5(√(0,32)+(7x10-3)) λ = 1,39x7x10-7 5x0,3000816 λ = 6,5 x 10-7 m = 650 nm

(3.4)

𝑛(𝐿2 +𝑦 2 )√(𝐿2 +𝑌 2 ) dan

𝜕𝜆

dilakukan

𝜕

𝑑𝑌 ( ) 𝜕𝐿 𝑛(√𝐿2+𝑌2 )

=

𝜕𝐿

3.1.2 Perhitungan Perhitungan berikut :

6,5 6,96 6,69 6,96 6,77 6,62 7,12 6,96

= - 2,16 x 10-6

(7𝑥10−3)2 𝜕𝜆 1,39𝑥10−4 = (1 − ) 2 𝜕𝑌 5√(0,3)2 + (7𝑥10−3 )2 0,3 + (7𝑥10−3 )2

𝜕𝜆 𝜕𝑌

= 9,28 x 10-5

∆𝜆 = √(−2,16𝑥10−6𝑥5𝑥10−4 )2 + (9,28𝑥10−5 𝑥5𝑥10−4 )2 ∆λ = 4,64 x 10-8 m = 46 nm

Tabel 3.3 Hasil Perhitungan ∆λ λ (x10-7 m) ∆λ (x10-7 m) 6,5 0,46 6,96 0,35 6,69 0,28 6,96 0,23

6,77 6,62 7,12 6,96

0,19 0,17 0,15 0,14

3.1.2.4 Menghitung Ralat Bobot Perhitungan dilakukan dengan menggunakan rumus : 𝜆𝑛 ∆𝜆𝑛2 1 ∑8𝑛=1 ∆𝜆𝑛2

𝜆= (

∑8𝑛=1

)

(3.7)

dan

∆𝜆 = (

1

1 ∑8𝑛=1 ∆𝜆𝑛2

)

(3.8)

λ = 13491782675 1,96 x 1016 λ = 6,88 x 10-7 m = 688 nm ∆λ =

1 1,96 x 1016 ∆λ = 7,14 x 10-9 m = 7,14 nm Keterangan : λ = Panjang gelombang (nm) ∆λ = Ralat panjang gelombang (nm) d = Lebar celah (m) L = Jarak antara celah dengan layar (m) Y = Jarak antara terang pusat dengan terang orde ke-n (m) n = Orde terang 𝜕𝜆 = Turunan parsial terhadap L 𝜕𝐿 𝜕𝜆

𝜕𝑌

= Turunan parsial terhadap Y

3.2 Pembahasan Pada praktikum kali ini yang berjudul "Difraksi Celah Tunggal", Praktikan memiliki dua tujuan yaitu memahami efek difraksi dan menentukan panjang gelombang dari sebuah sumber cahaya. Untuk memenuhi tujuan tersebut, praktikan menyiapkan rangkaian alat untuk melakukan percobaan difraksi celah tunggal. Seperti laser He-Ne sebagai sumber cahaya, celah tunggal untuk mendifraksikan laser, layar proyeksi untuk melihat garis terang dan gelap, serta mistar/meteran untuk mengatur jarak antara layar dan celah tunggal. Dalam pelaksanaan percobaan, praktikan menemukan proses fisis yang dialami oleh rangkaian. Pertama, pada saat alat dihubungkan dengan sumber tegangan, arus listrik yang berisi elektron akan mengalir menuju medium anodakatoda laser. Aliran elektron akan menumbuk

atom helium dan neon lalu atom akan menyerap energi dari tumbukan yang biasa disebut absorbsi. Energi yang diserap membuat atom bereksitasi atau elektron naik ke orbit yang lebih tinggi. Karena bagian dasar orbit atom ada yang kosong, maka atom akan melepas energi dalam bentuk foton lalu kembali ke orbit dasar, hal ini disebut emisi spontan. Namun, terdapat juga atom yang tetap tereksitasi atau disebut dengan metastabil dan butuh suatu pemancing agar bisa kembali menuju orbit dasar. Foton dari hasil emisi spontan akan terus terbentuk hingga atom yang tereksitasi lebih banyak daripada total atom yang berada pada mediumnya disebut populasi inversi. Setelah terjadi hal ini, foton akan memancing atom yang sedang dalam keadaan metastabil untuk kembali ke orbit dasar dan mengeluarkan dua foton yang diisebut dengan emisi terstimulasi. Pada ujung-ujung medium terdapat cermin yang berfungsi untuk memantulkan foton-foton yang terbentuk supaya menjaga keadaan populasi inversi terus berlanjut. Salah satu cermin bentuknya hanya setengah dikarenakan berfungsi untuk memantulkan setengah foton dan meloloskan sebagian lainnya. Sebagian foton yang lolos dan keluar dari mediumnya yang biasa kita sebut sebagai cahaya laser. Laser akan menuju celah tunggal dan terjadi difraksi. Dari hasil difraksi laser, akan muncul garis terang dan garis gelap pada layar proyeksi. Timbulnya garis terang-gelap dikarenakan adanya dua jenis interferensi yang terjadi. Yaitu interferensi konstruktif yang membentuk garis terang dan interferensi destruktif yang membentk garis gelap. dari hasil pengamatan yang dilakukan oleh praktikan, dibuat data penelitian yang menghasilkan nilai konstanta sebagai jawaban dari tujuan. Pada jarak pertama (L = 0,3 m) didapatkan penjang gelombang sebesar (650 ± 46) nm. Pada jarak kedua (L = 0,4 m) didapatkan panjang gelombang (696 ± 35) nm. Pada jarak ketiga (L = 0,5 m) didapatkan panjang gelombang (669 ± 28) nm. Pada jarak keempat (L = 0,6 m) didapatkan panjang gelombang (696 ± 23) nm. Pada jarak kelima (L = 0,7 m) didapatkan panjang gelombang (677 ± 19) nm. Pada jarak keenam (L = 0,8 m) didapatkan panjang gelombang (662 ± 17) nm. Pada jarak ketujuh (L = 0,9 m) didapatkan panjang gelombang sebesar (712 ± 15) nm. Dan pada jarak kedelapan (L = 1,0 m) didapatkan panjang gelombang sebesar (696 ± 14) nm. Jika seluruh data dihitung dengan kesalahan yang mungkin terjadi, didapatkan besar panjang gelombang λ ± ∆λ = (688 ± 7,14) nm. Pada praktikum ini juga bisa terjadi suatu kesalahan secara praktik maupun secara teoritis, maka dari itu perlu dipersiapkan suatu rumus

untuk memperbaiki kesalahan tersebut. Namun, praktikan juga dapat memperkecil bahkan menghilangkan kesalahan jika memperhatikan secara mendetail. Hal-hal yang perlu diperhatikan supaya kesalahan dalam praktikum ini dapat dihindari diantaranya, memperhatikan jarak terang pusat dengan terang ordenya harus tepat dengan alat ukur, dan meletakan celah tunggal harus benar-benar sesuai dengan jarak yang diukur oleh mistar serta cahaya laser harus tepat menuju celah tunggal itu sendiri.

4. KESIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan Berikut merupakan kesimpulan yang dapat diperoleh dari hasil penelitian difr...