Interferometer Michelson

Interferensi oleh film (lapisan) tipis merupakan dasar dari interferometer Michelson (gambar A). Diciptakan oleh seorang Amerika, Albert A. Michelson. Cahaya monokromatik dari satu titik pada sumber yang dipanjangkan terlihat menimpa cermin yang setengahnya dilapisi perak Ms. Cermin pembagi berkas Ms ini memiliki lapisan perak yang hanya memantulkan setengah dari cahaya yang jatuh padanya, sehingga setengah berkas akan lewat ke cermin tetap M2, dimana berkas tersebut dipantulkan kembali. Pada saat kembalinya, sebagian berkas 1 melewati Ms dan mencapai mata; dan sebagian berkas 2, pada saat kembalinya, dipantulkan oleh Ms ke mata. Jika panjang kedua lintasan sama, kedua berkas koheren yang memasuki mata akan berinterferensi konstruktif dan akan terlihat terang.


Jika cermin yang dapat digerakkan dipindahkan sejauh λ/4 , satu berkas akan menempuh jarak ekstra yang sama dengan λ/2 (karena bergerak mundur maju sepanjang jarak λ/4). Dalam hal ini kedua berkas akan berinterferensi destruktif dan akan terlihat gelap. Sementara M1 bergerak menjauhi, akan terlihat terang (ketika perbedaan lintasan sebesar λ), kemudian gelap, dan seterusnya.

Gambar A. Interferometer Michelson

Pengukuran panjang yang sangat tepat dapat dilakukan dengan inferometer. Gerakan cermin M1 menjauh λ/4 saja menghasilkan perbedaan yang jelas antara terang dan gelap. Untuk λ = 400 nm, ini berarti ketepatan 100 nm atau 10-4 mm. Jika cermin M1 dimiringkan sedikit, rangkaian titik terang dan gelap akan terlihat menggantikan serangkaian pinggiran. Dengan menghitung jumlah pinggiran, atau sebagiannya, pengukuran panjang yang sangat tepat dapat dilakukan.

Michelson melihat bahwa interferometer dapat digunakan untuk menentukan panjang meter standar untuk panjang gelombang cahaya tertentu. Pada tahun 1960, standar itu dipilih sebagai garis jingga tertentu pada spektrum kripton-86 (atom kripton dengan massa atom 86). Pengukuran berulang yang teliti dari meter standar yang lama (jarak antara dua tanda pada batang platinum-iridium yang disimpan di Paris) dilakukan untuk menetukan 1 meter sebesar 1.650.763,73 panjang gelombang cahaya ini, yang didefinisikan sebagai meter. Pada tahun 1963, meter didefenisikan kembali dalam laju cahaya.

READ MORE - Interferometer Michelson
Free Template Blogger collection template Hot Deals SEO

Fotovoltaik: Energi Cahaya Menjadi Energi Listrik

Fotovoltaik (FV) adalah metode untuk menghasilkan energi listrik dengan mengkonversi radiasi cahaya (energi cahaya matahari) menjadi listrik arus searah menggunakan semikonduktor. Semikonduktor yang digunakan hanya semikonduktor yang menunjukkan efek fotovoltaik. Fotovoltaik efek adalah penciptaan tegangan (atau arus listrik) pada bahan yang terpapar cahaya matahari.

Pembangkit listrik fotovoltaik mengunakan panel surya yang terdiri atas sejumlah bahan fotovoltaik. Bahan yang kini digunakan sebagai fotovoltaik terdiri atas silikon monokristalin, silikon polikristalin, silikon amorf, kadmium telurida dan tembaga indium selenida/sulfida.

Pemanfaatan Fotovoltaik

Energi cahaya matahari yang berlimpah dan “tak terbatas” membuat fotovoltaik menjadi sumber energi baru yang menjanjikan. Berikut ini adalah beberapa aplikasi fotovoltaik yang sudah ada saat ini.

• Pusat Pembangkit Listrik
Pada Desember 2010, pembangkit listrik fotovoltaik terbesar di dunia adalah Sarnia Photovoltaic Power Plant (Canada, 97 Mega Watt), Montalto di Castro Photovoltaic Power Station (Italy, 84.2 MW), Finsterwalde Solar Park (Germany, 80.7 MW), Rovigo Photovoltaic Power Plant (Italy, 70 MW), Olmedilla Photovoltaic Park (Spain, 60 MW), the Strasskirchen Solar Park (Germany, 54 MW), dan the Lieberose Photovoltaic Park (Germany, 53 MW).

• Transportasi
FV sejak dulu telah digunakan sebagai sumber listrik di luar angkasa. FV jarang digunakan untuk menghasilkan daya penggerak pada alat transportasi, tapi telah banyak digunakan sebagai penyedia daya tambahan pada perahu dan mobil. Namun, mobil bertenaga surya sudah mulai dikembangkan saat ini.

• Alat Khusus
Sampai satu dekade, FV telah sering digunakan sebagai sumber listrik bagi kalkulator dan peralatan elektronik terbaru. Pengembangan sirkuit terpadu (IC) dan layar LCD berdaya rendah menyebabkan FP memungkinkan sebagai pengganti baterai sebagai sumber listrik.
FV juga kini telah digunakan sebagai bagian dari pompa air, telepon darurat, dan remot sinyal dan penjaga pos.

• Listrik Pedesaan
Bagi negara yang luas dan berpulau-pulau serta memiliki daerah pedalaman yang secara geografis akan sulit teraliri listrik, FV adalah sebuah teknologi yang menjanjikan. Hanya dibutuhkan cahaya matahari yang cukup dan beberapa panel surya, maka listrik bisa dimanfaatkan setelah menunggu beberapa lama. Tidak memerlukan kabel beratus-ratus meter dan tiang listrik.

Apa Itu Cahaya?
Cahaya adalah bagian dari radiasi elektromagnetik yang terlihat oleh mata manusia dan berperan dalam indra penglihatan (mata bisa melihat akibat pantulan cahaya dari benda ke dalam mata).

Cahaya tampak mempunyai panjang gelombang berkisar dari 380 atau 400 nm (nanometer, setara dengan sepersemiliar meter) sampai 760 atau 780 nm dengan frekuensi berkisar antara 405 THz (Tera Hertz, setara dengan setriliun Hertz) sampai 790 THz.

Dalam fisika, terminologi cahaya bukan hanya yang terlihat oleh mata, tapi semua radiasi yang terletak antara radiasi inframerah (frekuensinya lebih rendah) dan ultraviolet (frekuensinya lebih tinggi).

Sifat-sifat utama cahaya adalah intensitas, pembelokan arah, frekuensi dan panjang gelombang, polarisasi dan fase. Cahaya mempunyai kecepatan 300.000 kilometer per detik dalam kondisi vakum.

Cahaya eksis dalam “paket-paket” kecil yang dinamakan foton, yang menunjukkan sifat gelombang dan cahaya sekaligus. Sifat ini merujuk pada sifat dualisme cahaya sebagai gelombang-partikel.

READ MORE - Fotovoltaik: Energi Cahaya Menjadi Energi Listrik
Free Template Blogger collection template Hot Deals SEO

Menghitung Laju Cahaya

Usaha serius pertama untuk mengukur laju cahaya dilakukan oleh Galileo dengan mencoba mengukur waktu yang dibutuhkan cahaya untuk menempuh lintasan tertentu antara dua puncak bukit, yang jaraknya telah diketahui. Ia mendapatkan seorang asisten di satu puncak, dan dia sendiri berada di puncak yang lain, dan memerintahkan asistennya untuk mengangkat tutup lampu pada saat ia melihat cahaya dan saat ia menerima cahaya dari lampu asistennya. Waktu yang terukur demikian singkat sehingga Galileo menyimpulkannya lebih sebagai waktu reaksi manusia,dan bahwa laju cahaya pasti sangat tinggi.

Keberhasilan pertama dalam memastikan bahwa laju cahaya itu berhingga dibuat oleh seorang astronom Denmark, Ole Roemer (1644-1710). Roemer mencatat bahwa pengukuran yang seksama terhadap periode Io, salah satu satelit Jupiter (periode rata-ratanya 42,5 jam untuk mengorbit Jupiter 1 kali), mengalami perubahan kecil, tergantung pada gerakan relatif antara Bumi dan Jupiter. Ketika bumi begerak menjauhi Jupiter, periode satelit tersebut sedikit lebih panjang, dan ketika bumi bergerak mendekati Jupiter, periode satelit tersebut sedikit memendek. Ia mencatat perbedaan ini sebagai tambahan waktu yang dibutuhkan cahaya untuk menempuh pertambahan waktu yang dibutuhkan untuk menempuh pertambahan waktu tempuh cahaya ketika kedua planet tersebut saling mendepat. Roemer menyimpulkan bahwa laju cahaya itu – walaupun sangat besar – terhingga.

Sejak itu sejumlah teknik digunakan untuk mengukur laju cahaya. Yang terpenting di antaranya adalah yang digunakan oleh ilmuan Amerika, Albert A. Michelson (1852-1931). Michelson menggunakan perangkat cermin putar yang tergambar di gambar A untuk melakukan serentetan eksperimen berketelitian tinggi yang dilakukaknnya dari tahun 1880 hingga 1920-an. Cahaya dari suatu sumber diarahkan ke salah satu permukaan carmin-putar bersegi delapan. Cahaya pantul merambat menuju cermin diam yang berada pada jarak yang jauh dan kembali lagi seperti terlihat pada gambar. Jika cermin putar berputar dengan kelajuan yang tepat, berkas sinar baliknya akan dipantulkan oleh salah satu permukaan cermin menuju teleskop kecil tempat pengamat. Jika kecepatan putaran berbeda sedikit saja, cahaya akan menyimpang dan tidak terlihat oleh pengamat. Dari kecepatan yang diperlukan oleh cermin putar dan jarak terhadap cermin diam, laju cahya dapat dihitung. Di tahun 1920-an, michelson memasang cermin putar tersebut di puncak gunung Wilson di Kalifornia Selatan dan cermin diamnya di gunung Baldy (gunung San Antonio) yang berjarak 35 km. Kemudian ia mengukur laju cahaya di dalam ruang hampa dengan menggunakan tabung hampa yang panjang.
gambar A :

Nilai yang diterima saat ini untuk laju cahaya c , diruang hampa adalah c = 2,99792458 x 108 m/s.
Kita bisa membulatkan nilai ini menjadi c = 3 x 108 m/s.
Jika kita tidak membutuhkan hasil dengan ketelitian ekstrim. Di udara, kecepatannya hanya berkurang sedikit sekali.

READ MORE - Menghitung Laju Cahaya
Free Template Blogger collection template Hot Deals SEO

Eksperimen Davison-Germer

Sebelum eksperimen Davison-Germer, pada tahun 1924 Louis-Victor de Broglie merumuskan secara empiris bahwa semua partikel atau materi, tidak hanya cahaya, memilki sifat alami seperti gelombang, yaitu :

dimana p = mv adalah momentum yang merupakan sifat materi dan adalah panjang gelombang. Gelombang dalam mekanika klasik memiliki sifat-sifat seperti interferensi, difraksi, dan polarisasi. Pada tahun 1927, hipotesa de Broglie ini dikonfirmasi oleh dua eksperimen yang dilakukan secara terpisah oleh George Paget Thomson (anak dari J.J. Thomson, penemu elektron, peraih Nobel Fisika tahun 1906) yang melakukan eksperimen dengan melewatkan berkas elektron ke dalam film tipis logam dan mengamati pola difraksi (sifat gelombang) dari elektron yang terhambur dari permukaan logam. Atas jasanya G.P. Thomson dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1934. Sedangkan di tempat terpisah C.J. Davisson dan L.H. Germer (Bell Labs) menembakkan elektron-elektron dengan kecepatan rendah ke dalam kristal Nikel dan mengukur intensitas elektron-elektron yang terhambur dari permukaan kristal Nikel pada sudut hamburan yang berbeda, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.



Hasil pengukuran menunjukkan bahwa elektron-elektron yang terhambur memiliki pola difraksi seperti yang diperkirakan oleh Bragg dalam difraksi sinar-X dari kristal Nikel. Atas jasa merumuskan hipotesanya, de Broglie dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1929 dan Davison dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1934 atas penemuan difraksi elektron. Teori Kuantum Modern dikembangkan dalam perhitungan energi partikel atau elektron menggunakan persamaan gelombang yang dirumuskan oleh Erwin Schroedinger, karenanya dikenal dengan persamaan Schroedinger :

dimana adalah fungsi gelombang dari partikel/elektron, m adalah massa elektron,, E adalah energi dan V adalah potensial. Persamaan ini bersama dengan prinsip ekslusi Pauli yang menyatakan bahwa elektron dan partikel Fermion lain tidak dapat memiliki keadaan kuantum yang sama (energi, orbital, spin dll) merupakan dasar bagi penerapan teori kuantum modern dalam menjelaskan efek Zeeman, atom berelektron banyak, osilator harmonis dan atom hidrogen.

Diantara kedua teori kuantum lama/klasik dan modern ini beberapa model atom dikembangkan oleh Thomson, Rutherford, Bohr dan Sommerfeld-Bohr, dimana model atom ini berdasarkan teori kuantum lama (besaran diskrit) dan juga merupakan dasar bagi penerapakan teori kuantum modern khusunya dalam atom hidrogen dan atom berlektron banyak. Pada tahun 1906, J.J. Thomson menemukan besaran perbandingan antara muatan dan massa elektron (muatan spesifik elektron) yang berkesimpulan bahwa elektron merupakan partikel paling dasar dari setiap materi. Dengan demikian model atom Dalton yang menyatakan bahwa atom merupakan bagian terkecil dari materi gugur. Thomson menyatakan bahwa atom mengandung banyak sekali elektron-elektron yang bermuatan negatif. Karena atom bersifat netral, maka didalam atom terdapat muatan-muatan positif yang menyeimbangkan elektron yang bermuatan negatif. Thomson membuat model bahwa atom berbentuk bola padat dengan muatan-muatan listrik positif tersebar merata di seluruh bagian bola; muatan-muatan positif ini dinetralkan oleh elektron-elektron mermuatan negatif yang melekat pada bola segaram pada bola bermuatan positif seperti kismis yang melekat pada kue. Sehingga model atom Thomson dikenal dengan model atom kue kismis. J. J. Thomson akhirnya diberi hadiah Nobel Fisika pada tahun 1906.

Ernest Rutherford, dibantu asistennya yaitu Geiger dan Marsden pada tahun 1911 melakukan eksperimen menembakkan partikel alfa (a) melalui celah pelat timbal yang akhirnya menumbuk lempeng tipis emas. Untuk mendeteksi partikel alfa yang terhambur dari lembeng emas, dipasang lempeng lapisan seng sulfida. Hasilnya menunjukkan bahwa sebagian besar partikel alfa dilewatkan tanpa mengalami pembelokkan oleh lapisan emas dan hanya sedit yang dibelokkan atau dipantulkan. Hasil eksperimen Rutherford menunjukkan bahwa model atom Thomson yang menyatakan bahwa muatan positif tersebar merata di dalam atom tidak dapat diterima. Model atom Rutherford menyatakan bahwa semua muatan positif berkumpul di tengah atom (inti atom) dan inti atom dikelilingi oleh elektron-elektron pada jarak yang relatif jauh. Elektron-elektron ini berputar pada lintasan-lintasannya seperti planet mengelilingi matahari dalam sistem tata surya.

Model atom Rutherford ini ternyata mempunyai tidak mampu menjelaskan dua pertanyaan yaitu pertama, mengapa elektron yang dipercepat hingga memancarkan gelombang elektromagnetik tidak dapat jatuh ke dalam inti atom, karena dengan model tadi diperkirakan bahwa elektron akan jatuh ke dalam inti atom dalam waktu 10-8 detik, namun kenyataannya elektron bergerak stabil di lintasannya. Kedua, hasil pengamatan spektrum atom hidrogen melalui spektrometer menunjukkan bahwa spektrum berbentuk garis (deret Balmer) sedangkan menurut model atom Rutherford, spektrum atom hidrogen harus kontinu. Pada tahun 1911 Niels Bohr membuat model atom seperti diilustrasikan pada Gambar 4.

(a). Elektron bergerak dalam orbitnya yang melingkar di sekitar inti atom (proton) dibawah pengaruh gaya Coulomb.
(b). Elektron tidak dapat berputar di sekitar inti melalui setiap orbit, tetapi elektron hanya melalui orbit stabil (orbit stasioner) tanpa memancarkan energi.
(c). Radiasi dipancarkan oleh atom jika elektron melompat dari suatu orbit stasioner yang energinya lebih tinggi ke dalam orbit yang energinya lebih rendah.
(d). Ukuran orbit-orbit yang diperbolehkan ditentukan oleh keadaan kuantum tambahan yaitu momentum sudut orbital elektron.

READ MORE - Eksperimen Davison-Germer
Free Template Blogger collection template Hot Deals SEO