Difraksi (Fisika): Definisi, Contoh & Pola

Difraksi adalah pembelokan gelombang di sekitar rintangan atau sudut. Semua gelombang melakukan ini, termasuk gelombang cahaya, gelombang suara, dan gelombang air. (Bahkan partikel subatomik seperti neutron dan elektron, yang menurut mekanika kuantum juga berperilaku seperti gelombang, mengalami difraksi.) Ini biasanya terlihat ketika gelombang melewati celah.

Jumlah pembengkokan tergantung pada ukuran relatif panjang gelombang dengan ukuran bukaan; semakin dekat ukuran bukaan relatif terhadap panjang gelombang, semakin banyak tekukan yang akan terjadi.

Ketika gelombang cahaya didifraksikan di sekitar celah atau penghalang, hal itu dapat menyebabkan cahaya berinterferensi dengan dirinya sendiri. Ini menciptakan pola difraksi.

Sementara menempatkan penghalang antara seseorang dan sumber suara dapat mengurangi intensitas suara yang didengar orang tersebut, orang tersebut masih dapat mendengarnya. Ini karena suara adalah gelombang, dan karena itu difraksi, atau dibelokkan, di sekitar sudut dan rintangan.

Jika Fred ada di satu ruangan, dan Dianne di kamar lain, ketika Dianne meneriakkan sesuatu kepada Fred, dia akan mendengarnya seolah-olah dia berteriak dari ambang pintu, di mana pun dia berada di ruangan lain. Itu karena pintu bertindak sebagai sumber sekunder gelombang suara. Demikian pula, jika seorang penonton di pertunjukan orkestra duduk di belakang pilar, mereka masih bisa mendengar orkestra dengan baik; suara memiliki panjang gelombang yang cukup panjang untuk ditekuk di sekitar pilar (dengan asumsi ukurannya masuk akal).

Gelombang laut juga berdifraksi di sekitar fitur seperti dermaga, atau sudut teluk. Gelombang permukaan kecil juga akan membelok di sekitar rintangan seperti perahu, dan berubah menjadi gelombang depan melingkar ketika melewati lubang kecil.

Setiap titik muka gelombang dapat dianggap sebagai sumber gelombang tersendiri, dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan muka gelombang. Anda dapat memikirkan tepi gelombang sebagai garis sumber titik dari wavelet melingkar. Wavelet melingkar ini saling berinterferensi dalam arah sejajar dengan muka gelombang; garis yang bersinggungan dengan setiap wavelet sirkular tersebut (yang, sekali lagi, semuanya berjalan dengan kecepatan yang sama) adalah muka gelombang baru, bebas dari interferensi wavelet sirkular lainnya. Memikirkannya seperti ini, memperjelas bagaimana dan mengapa gelombang membelok di sekitar rintangan atau celah.

Christiaan Huygens, seorang ilmuwan Belanda, mengajukan gagasan ini pada tahun 1600-an, tetapi tidak cukup menjelaskan bagaimana gelombang membengkok di sekitar rintangan dan melalui lubang. Ilmuwan Prancis Augustin-Jean Fresnel kemudian mengoreksi teorinya pada 1800-an dengan cara yang memungkinkan terjadinya difraksi. Prinsip ini kemudian dinamai Prinsip Huygens-Fresnel. Ia bekerja untuk semua jenis gelombang, dan bahkan dapat digunakan untuk menjelaskan pemantulan dan pembiasan.

Sama seperti gelombang lainnya, gelombang cahaya dapat saling berinterferensi dan dapat membelokkan, atau menekuk, di sekitar penghalang atau celah. Gelombang difraksi lebih ketika lebar celah atau bukaan lebih dekat ukurannya dengan panjang gelombang cahaya. Difraksi ini menyebabkan pola interferensi – daerah di mana gelombang bertambah dan daerah di mana gelombang saling meniadakan. Pola interferensi berubah dengan panjang gelombang cahaya, ukuran bukaan dan jumlah bukaan.

Ketika gelombang cahaya bertemu bukaan, setiap muka gelombang muncul di sisi lain bukaan sebagai muka gelombang melingkar. Jika dinding ditempatkan berlawanan dengan bukaan, pola difraksi akan terlihat di sisi lain.

Pola difraksi merupakan pola interferensi konstruktif dan destruktif. Karena cahaya harus menempuh jarak yang berbeda untuk mencapai titik yang berbeda di dinding yang berlawanan, akan ada perbedaan fase, yang mengarah ke titik-titik cahaya terang dan titik-titik tanpa cahaya.

Jika Anda membayangkan garis lurus dari pusat celah ke dinding, di mana garis itu menyentuh dinding seharusnya menjadi titik terang interferensi konstruktif.

Kita dapat memodelkan cahaya dari sumber cahaya yang melewati celah sebagai garis dari beberapa sumber titik melalui prinsip Huygens, memancarkan wavelet. Dua sumber titik tertentu, satu di tepi kiri celah dan yang lainnya di tepi kanan, akan menempuh perjalanan yang sama jarak untuk sampai ke titik pusat di dinding, dan akan sefase dan secara konstruktif mengganggu, menciptakan pusat maksimum. Titik berikutnya di sebelah kiri dan titik berikutnya di sebelah kanan juga akan secara konstruktif mengganggu di tempat itu, dan seterusnya, menciptakan maksimum yang cerah di tengah.

Titik pertama di mana interferensi destruktif akan terjadi (juga disebut minimum pertama) dapat ditentukan sebagai berikut: Bayangkan cahaya datang dari titik di ujung kiri celah (titik A) dan sebuah titik datang dari tengah (titik B). Jika perbedaan jalur dari masing-masing sumber ke dinding berbeda sebesar /2, 3λ/2 dan seterusnya, maka mereka akan berinterferensi secara destruktif, membentuk pita gelap.

Jika kita mengambil titik berikutnya di sebelah kiri dan titik berikutnya di sebelah kanan tengah, perbedaan panjang jalur antara dua titik sumber ini dan dua yang pertama kira-kira sama, jadi mereka juga akan merusak mengganggu.

Pola ini berulang untuk semua pasangan titik yang tersisa: Jarak antara titik dan dinding akan menentukan fase gelombang ketika mengenai dinding. Jika perbedaan jarak dinding untuk dua sumber titik adalah kelipatan dari /2, gelombang-gelombang tersebut akan berada di luar fase ketika menabrak dinding, yang mengarah ke titik kegelapan.

Lokasi intensitas minima juga dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

dimanatidakadalah bilangan bulat bukan nol,λadalah panjang gelombang cahaya,Sebuahadalah lebar bukaan danθadalah sudut antara pusat aperture dan intensitas minimum.

Pola difraksi yang sedikit berbeda juga dapat diperoleh dengan melewatkan cahaya melalui dua celah kecil yang dipisahkan oleh jarak dalam eksperimen celah ganda. Di sini kita melihat interferensi konstruktif (titik terang) di dinding kapan saja perbedaan panjang lintasan antara cahaya yang datang dari dua celah adalah kelipatan dari panjang gelombangλ​.

Selisih lintasan antara gelombang paralel dari setiap celah adalahddosaθ, dimanadadalah jarak antar celah. Untuk mencapai fase, dan interferensi konstruktif, perbedaan jalur ini harus merupakan kelipatan dari panjang gelombangλ. Oleh karena itu persamaan untuk lokasi intensitas maximas adalah nλ =ddosaθ, dimanatidakadalah bilangan bulat apa saja.

Perhatikan perbedaan antara persamaan ini dan persamaan yang sesuai untuk difraksi celah tunggal: Persamaan ini adalah untuk maxima, bukan minima, dan menggunakan jarak antara celah daripada lebar celah. Tambahan,tidakbisa sama dengan nol dalam persamaan ini, yang sesuai dengan maksimum utama di tengah pola difraksi.

Eksperimen ini sering digunakan untuk menentukan panjang gelombang cahaya datang. Jika jarak antara maksimum pusat dan maksimum yang berdekatan dalam pola difraksi adalahx, dan jarak antara permukaan celah dan dinding adalahL, pendekatan sudut kecil dapat digunakan:

Mengganti ini dalam persamaan sebelumnya, dengan n=1, memberikan:

Kisi difraksi adalah sesuatu dengan struktur berulang yang teratur yang dapat mendifraksikan cahaya dan menciptakan pola interferensi. Salah satu contohnya adalah kartu dengan banyak celah, semua jaraknya sama. Selisih lintasan antara celah-celah yang berdekatan sama seperti pada kisi-kisi celah ganda, sehingga persamaannya untuk menemukan maxima tetap sama, seperti halnya persamaan untuk menemukan panjang gelombang kejadian cahaya. Jumlah celah dapat mengubah pola difraksi secara dramatis.

Kriteria Rayleigh secara umum diterima sebagai batas resolusi gambar, atau batas kemampuan seseorang untuk membedakan dua sumber cahaya yang terpisah. Jika kriteria Rayleigh tidak terpenuhi, dua sumber cahaya akan terlihat seperti satu.

Persamaan untuk kriteria Rayleigh adalahθ​ = 1.22 ​/Ddimanaθadalah sudut minimum pemisahan antara dua sumber cahaya (relatif terhadap aperture difraksi),λadalah panjang gelombang cahaya danDadalah lebar atau diameter bukaan. Jika sumber dipisahkan oleh sudut yang lebih kecil dari ini, mereka tidak dapat diselesaikan.

Ini adalah masalah untuk peralatan pencitraan apa pun yang menggunakan bukaan, termasuk teleskop dan kamera. Perhatikan bahwa meningkatDmengarah pada penurunan sudut separasi minimum, yang berarti sumber cahaya dapat lebih dekat satu sama lain dan masih dapat diamati sebagai dua objek yang terpisah. Inilah sebabnya mengapa para astronom selama beberapa abad terakhir telah membangun teleskop yang lebih besar dan lebih besar untuk melihat gambar alam semesta yang lebih detail.

Pada pola difraksi, ketika sumber cahaya berada pada sudut pisah minimum, intensitas pusat maksimum dari satu sumber cahaya tepat pada intensitas minimum pertama dari sumber cahaya kedua. Untuk sudut yang lebih kecil, maxima pusat tumpang tindih.

CD mewakili contoh kisi difraksi yang tidak dibuat dari lubang. Informasi pada CD disimpan oleh serangkaian lubang reflektif kecil di permukaan CD. Pola difraksi dapat dilihat dengan menggunakan CD untuk memantulkan cahaya ke dinding putih.

Difraksi sinar-X, atau kristalografi sinar-X, adalah proses pencitraan. Kristal memiliki struktur periodik yang sangat teratur yang memiliki satuan panjang yang sama dengan panjang gelombang sinar-x. Dalam kristalografi sinar-x, sinar-x dipancarkan pada sampel yang mengkristal, dan pola difraksi yang dihasilkan dipelajari. Struktur kristal yang teratur memungkinkan pola difraksi diinterpretasikan, memberikan wawasan tentang geometri kristal.

Kristalografi sinar-X telah digunakan dengan sukses besar dalam menentukan struktur molekul senyawa biologis. Senyawa biologis dimasukkan ke dalam larutan lewat jenuh, yang kemudian dikristalkan menjadi a struktur yang mengandung sejumlah besar molekul senyawa yang tersusun secara simetris dan teratur pola. Yang paling terkenal, kristalografi sinar-x digunakan oleh Rosalind Franklin pada 1950-an untuk menemukan struktur heliks ganda DNA.