Bagaimana Cara Kerja Prisma? Penjelasan Cahaya, Refraksi, dan Dispersi

prismaa bekerja dengan membelokkan cahaya saat melewati kaca, dan karena setiap warna cahaya dibelokkan pada sudut yang sedikit berbeda, cahaya putih menyebar ke spektrum tampak penuh. Proses ini melibatkan dua prinsip fisik utama: pembiasan dan penyebaran . Memahami bagaimana kedua gaya ini berinteraksi menjelaskan segalanya mulai dari pelangi di langit hingga eksperimen laser di laboratorium fisika.

Apa Yang Terjadi Jika Cahaya Memasuki Prisma

Ketika seberkas cahaya merambat dari udara ke kaca, kecepatannya melambat. Kaca secara optik lebih padat daripada udara, yang berarti cahaya bergerak melewatinya dengan kecepatan lebih rendah. Perubahan kecepatan ini menyebabkan berkas cahaya membelok pada batas antara kedua material. Pembengkokan ini disebut pembiasan .

Besarnya pembengkokan dijelaskan oleh Hukum Snells yang menyatakan bahwa perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias sama dengan perbandingan cepat rambat cahaya pada kedua media tersebut. Dalam praktiknya, cahaya dibelokkan ke arah garis tegak lurus permukaan saat memasuki medium yang lebih padat dan dibelokkan menjauhinya saat keluar.

Sebuah prisma dibentuk dengan setidaknya dua permukaan datar dan bersudut. Cahaya masuk melalui satu sisi dan keluar melalui sisi lainnya. Karena kedua permukaan tidak sejajar, maka pembiasan yang terjadi pada saat masuk tidak hilang pada saat keluar. Sebaliknya, kedua refraksi tersebut bersatu, membelokkan cahaya lebih jauh ke arah yang sama.

Mengapa Cahaya Putih Terpecah Menjadi Warna

Cahaya putih bukanlah satu warna. Ini adalah campuran dari semua warna spektrum tampak, masing-masing dengan panjang gelombangnya sendiri. Cahaya ungu memiliki panjang gelombang sekitar 380 hingga 450 nanometer, sedangkan cahaya merah berada di ujung lainnya dengan panjang gelombang sekitar 620 hingga 750 nanometer.

Detail pentingnya adalah bahwa kaca memperlambat panjang gelombang yang berbeda dengan jumlah yang berbeda. Panjang gelombang yang lebih pendek, seperti ungu, melambat di dalam kaca dan karenanya membengkok lebih tajam. Panjang gelombang yang lebih panjang, seperti merah, tidak terlalu melambat dan tidak terlalu bengkok. Variasi sudut lentur berdasarkan panjang gelombang disebut penyebaran .

Dalam prisma kaca pada umumnya, perbedaan indeks bias antara cahaya ungu dan merah adalah kira-kira 0,02 hingga 0,05 , tergantung pada jenis kacanya. Perbedaan kecil tersebut cukup untuk menyebarkan warna menjadi pelangi yang terlihat saat cahaya keluar dari prisma.

Urutan Warna dalam Spektrum

Warna-warna selalu muncul dalam urutan yang sama karena selalu berubah dalam jumlah yang tetap dan dapat diprediksi. Dari yang paling bengkok sampai yang paling bengkok, urutannya adalah:

• Merah
• Oranye
• Kuning
• Hijau
• Biru
• nila
• ungu

Urutan serupa juga terlihat pada pelangi alami, di mana tetesan air berperan sebagai prisma kecil di atmosfer.

Peran Bentuk Prisma

Bentuk segitiga prisma standar bukanlah suatu kebetulan. Sudut di puncak segitiga, disebut sudut puncak atau sudut prisma, secara langsung mengontrol besarnya deviasi total yang dialami cahaya. Sudut puncak yang lebih besar menghasilkan pemisahan antar warna yang lebih besar.

Kebanyakan prisma demonstrasi mempunyai sudut puncak 60 derajat , yang memberikan dispersi yang kuat dan mudah terlihat tanpa memerlukan geometri yang ekstrim. Prisma 30 derajat membelokkan cahaya dengan lebih lembut, sedangkan sudut di atas 70 derajat mulai menyebabkan hilangnya cahaya secara signifikan karena pantulan internal pada permukaan.

Bahan prisma juga penting. Kaca batu api padat memiliki indeks bias lebih tinggi dibandingkan kaca borosilikat standar, sehingga menyebarkan warna lebih kuat. Inilah sebabnya mengapa instrumen optik yang memerlukan pemisahan warna yang presisi menggunakan kaca yang diformulasikan khusus daripada kaca jendela biasa.

Indeks Bias Dibandingkan Berbagai Warna

Meskipun perbedaan indeks bias terlihat kecil di atas kertas, perbedaan tersebut menghasilkan penyebaran warna yang terlihat jelas ketika geometri prisma menguatkannya di seluruh permukaan keluar.

Bisakah Prisma Menggabungkan Kembali Cahaya Menjadi Putih

Ya. Isaac Newton mendemonstrasikan hal ini pada tahun 1666 dengan menempatkan prisma kedua secara terbalik pada jalur spektrum tersebar dari prisma pertama. Prisma kedua membengkokkan setiap warna kembali ke posisinya, menggabungkannya kembali menjadi satu berkas cahaya putih. Eksperimen ini membuktikan dua hal: cahaya putih mengandung semua warna, dan prisma itu sendiri tidak menambah warna pada cahaya namun hanya mengungkapkan apa yang sudah ada.

Reversibilitas ini penting dalam desain optik. Sistem yang perlu memisahkan panjang gelombang untuk analisis nantinya dapat menggabungkannya kembali tanpa kehilangan informasi, dengan asumsi optik ideal tanpa penyimpangan.

Penggunaan Praktis Prisma Selain Pemisahan Warna

Prisma tidak hanya digunakan untuk membuat pelangi. Mereka melayani berbagai fungsi presisi dalam instrumen dan teknologi optik.

Spektroskopi

Para ilmuwan menggunakan spektrometer berbasis prisma untuk menganalisis cahaya yang dipancarkan atau diserap oleh suatu zat. Setiap elemen menghasilkan serangkaian garis spektral unik, yang bertindak seperti sidik jari. Para astronom menggunakan teknik ini untuk menentukan komposisi kimiawi bintang yang berjarak jutaan tahun cahaya, tanpa pernah mengumpulkan sampel fisik.

Teropong dan Periskop

Prisma atap dan prisma Porro di dalam teropong digunakan refleksi internal total bukannya dispersi. Ketika cahaya mengenai permukaan bagian dalam kaca pada sudut yang lebih curam dari sudut kritis, cahaya tersebut dipantulkan sepenuhnya tanpa kehilangan apa pun. Hal ini memungkinkan teropong melipat jalur optik menjadi bentuk yang ringkas dengan tetap menjaga kecerahan dan orientasi gambar.

Telekomunikasi dan Fiber Optik

Multiplexing pembagian panjang gelombang dalam jaringan serat optik menggunakan komponen berbasis dispersi yang fungsinya mirip dengan prisma. Saluran data yang berbeda ditransmisikan pada panjang gelombang cahaya yang berbeda dan kemudian dipisahkan atau digabungkan menggunakan kisi difraksi atau elemen mirip prisma, sehingga memungkinkan satu serat membawa informasi dalam jumlah besar secara bersamaan.

Sistem Kamera dan Proyektor

Kamera video kelas atas menggunakan prisma pemecah sinar untuk membagi cahaya yang masuk menjadi saluran merah, hijau, dan biru terpisah, masing-masing ditangkap oleh sensor khusus. Hal ini menghasilkan reproduksi warna yang lebih akurat dibandingkan sistem sensor tunggal yang mengandalkan rangkaian filter warna.

Bagaimana Sudut Datang Mempengaruhi Output

Sudut di mana cahaya mengenai permukaan prisma mempengaruhi hasil secara signifikan. Pada sudut deviasi minimum, cahaya melewati prisma secara simetris dan dispersinya paling bersih. Pada sudut datang yang lebih curam, beberapa panjang gelombang mungkin mengalami pemantulan internal total dan tidak keluar dari prisma sama sekali.

Untuk prisma kaca mahkota 60 derajat, sudut deviasi minimumnya kira-kira 37 hingga 40 derajat untuk cahaya tampak. Insinyur optik menghitung hal ini dengan tepat ketika merancang instrumen untuk memastikan panjang gelombang yang diinginkan melewatinya dengan distorsi minimal.

Jika cahaya mengenai permukaan pada sudut yang terlalu dangkal, cahaya tersebut mungkin akan terpantul dan tidak masuk ke dalam kaca sama sekali, sebuah fenomena yang diatur oleh persamaan Fresnel. Lapisan anti pantulan berkualitas tinggi prisma optik meminimalkan kehilangan permukaan ini dan meningkatkan efisiensi transmisi.

Perbedaan Antara Prisma dan Kisi Difraksi

Baik prisma maupun kisi difraksi dapat memisahkan cahaya menjadi komponen panjang gelombangnya, namun keduanya melakukannya melalui mekanisme fisik yang sangat berbeda. Sebuah prisma menggunakan pembiasan dan ketergantungan panjang gelombang dari indeks bias. Kisi difraksi menggunakan interferensi gelombang cahaya yang dihamburkan dari permukaan yang ditutupi ribuan garis sejajar halus.

Khususnya, urutan warna di antara keduanya terbalik. Dalam prisma, warna ungu paling bengkok. Dalam kisi difraksi, warna merah didifraksi hingga sudut terbesar. Perbedaan ini merupakan konsekuensi langsung dari fisika yang mendasari setiap kasus.

Mengapa Beberapa Bahan Menghamburkan Cahaya Lebih Banyak Dibandingkan Bahan Lainnya

Kecenderungan suatu bahan untuk menyebarkan cahaya diukur dengan bilangan Abbe-nya. SEBUAH nomor Abbe rendah berarti dispersi tinggi, artinya bahan tersebut memisahkan warna dengan kuat. Angka Abbe yang tinggi berarti dispersi yang rendah. Kaca batu api padat memiliki nomor Abbe sekitar 36, sedangkan kaca mahkota borosilikat berada di dekat 64.

Pada lensa kamera, dispersi tinggi biasanya tidak diinginkan karena akan menimbulkan penyimpangan kromatik, yaitu warna yang berbeda terfokus pada jarak yang sedikit berbeda dan menghasilkan pinggiran atau keburaman. Perancang lensa sengaja menggabungkan elemen yang terbuat dari kaca dispersi tinggi dan rendah untuk menghilangkan kesalahan kromatik, suatu teknik yang disebut koreksi akromatik.

Namun, dalam spektrometer prisma, dispersi tinggi adalah hal yang Anda inginkan. Semakin kuat dispersinya, semakin tersebar spektrumnya, sehingga lebih mudah untuk membedakan panjang gelombang yang berjarak dekat.

Poin Penting

Sebuah prisma membagi cahaya putih menjadi sebuah spektrum karena kaca memperlambat panjang gelombang yang berbeda dengan jumlah yang berbeda, menyebabkan setiap warna dibiaskan pada sudut yang unik. Geometri segitiga prisma memastikan bahwa refraksi masuk dan keluar membelokkan cahaya ke arah yang sama, sehingga memperkuat pemisahan. Hasilnya adalah pelangi yang terlihat mulai dari merah di ujung yang dangkal hingga ungu di ujung yang curam.

1. Refraksi menyebabkan cahaya membelok ketika bergerak di antara bahan-bahan yang kepadatan optiknya berbeda.
2. Dispersi menyebabkan panjang gelombang yang berbeda dibelokkan dengan jumlah yang berbeda dalam bahan yang sama.
3. Bentuk prisma menggabungkan pembiasan pada dua permukaan, menghasilkan pemisahan warna yang terlihat.
4. Proses ini sepenuhnya dapat dibalik, seperti yang dibuktikan Newton dengan menggabungkan kembali spektrum dengan prisma kedua.
5. Prisma digunakan dalam spektroskopi, sistem pencitraan, teropong, dan telekomunikasi, tidak hanya dalam demonstrasi di kelas.