gelombang cahaya

Course Outline

BAB 6

Gelombang Cahaya dan Terapannya6.1. Cahaya Pertama-tama kita terlebih dahulu menyamakan pemahaman terhadap perbedaan arti dan penggunaan kata cahaya (light) dan sinar (ray) menurut kebiasaan yang telah kita setujui. Kata cahaya umumnya dipakai untuk menyatakan sinar-sinar tampak. Sementara kata sinar digunakan tidak hanya sebatas pada sinar-sinar tampak. Matahari menghasilkan 3 jenis sinar, yaitu : sinar ultraviolet (UV), sinar inframerah (infrared, IR) dan sinar tampak (merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila atau ungu). Sinar tampak sering disebut cahaya tampak. Cahaya adalah salah satu bagian dari gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik terdiri dari : (1) Gelombang radio (AM maupun FM), (2) Gelombang TV, (3) Gelombang Mikro (microwave) (4) Sinar infrared (inframerah, IR), (5) Cahaya tampak (visible light), (6) Sinar ultraviolet (UV), (7) Sinar-X (sinar Rongzent), dan (8) Sinar- (sinar gamma). Rentang panjang gelombang dan frekuensi masing-masing bagian gelombang elektromagnetik di atas ditunjukkan pada gambar 6.1. Yang akan kita bahas pada pokok bahasan ini adalah sinar infrared (IR), cahaya tampak (visible light), dan sinar ultraviolet (UV) dan kegunaannya pada bidang kesehatan.

Gambar 6.1. Spektrum gelombang elektromagnetik sebagai fungsi frekuensi dan panjang gelombang.

Physics in Biology and Medicine

APPLIED PHYSICS SCIENCE

B6.1

Course Outline

Cahaya atau sinar memiliki dua sifat yang dimilikinya sekaligus, yaitu : sifat gelombang dan sifat partikel, sehingga disebut sebagai dualisme cahaya. Cahaya dapat berinterferensi dan berdifraksi. Dua peristiwa ini dapat terjadi sebagai akibat dari sifat cahaya sebagai gelombang. Cahaya dapat memanaskan benda yang disinarinya. Peristiwa ini terjadi karena cahaya memiliki sifat sebagai partikel dalam bentuk paket-paket kecil energi (kuanta). Oleh kedua sifat tersebut (sebagai gelombang dan partikel), maka cahaya atau sinar dapat menembus (merambat) pada suatu media dan memanaskannya. Pada kajian ini kita akan lebih banyak membicarakan manfaat dan akibat dari cahaya atau sinar sebagai partikel. Partikel maksudnya adalah benda kecil (kuanta) yang berwujud dalam bentuk energi. Jadi gumpalan energi kecil itulah yang dimaksud sebagai partikel. Akhirnya, dapatlah kita sebut bahwa partikel kecil itu (kuanta energi itu) dapat merambat seperti gelombang dan memanaskan atau menggetarkan molekul-molekul yang ditemuinya. Partikel energi yang kecil itu sering disebut sebagai photon. Pada saat suatu benda disinari oleh sinar matahari, photon-photon cahaya matahari itu akan diserap oleh molekul-molekul benda tersebut. Akibatnya, molekul-molekul benda dapat saja menjadi panas, atau berubah sifat kimianya. Perubahan sifat kimia dari suatu molekul benda dapat mengubah sifat-sifat listriknya. Kejadian yang sering kita temui berkaitan dengan perubahan sifat kimia suatu molekul akibat penyerapan photon adalah berubahnya warna mahkota bunga pada saat disinari oleh sinar matahari. Cahaya dapat dipantulkan (direfleksi) oleh suatu permukaan benda. Tipe cahaya yang direfleksikan sangat bergantung pada kondisi permukaan benda. Pada gambar 6.2, dua kondisi ektrim ditunjukkan. Apabila permukaan benda sangat halus (smooth surface), seperti cermin misalnya, maka cahaya yang direfleksikan menjadi teratur rapi (gambar 6.2a). Apabila permukaan benda sangat kasar (rough surface) maka cahaya yang direfleksikan menjadi berpencar (gambar 6.2b).

Gambar 6.2. Dua tipe pemantulan : (a) pemantulan oleh permukaan halus, (b) pemantulan oleh permukaan kasar.

Sifat-sifat cahaya atau sinar seperti diuraikan di atas menjadi dasar pendorong dalam hal penggunaan cahaya atau sinar untuk kepentingan medis sebagaimana diuraikan selanjutnya. 6.2. Pengukuran Cahaya dan Satuannya Sinar matahari terdiri dari tiga jenis sinar, yaitu: ultraviolet (UV), cahaya tampak (visible), dan inframerah (IR). Ketiga jenis sinar itu dibedakan oleh sebaran panjang gelombangnya : 1. UV 2. Visible 3. IR : 100 400 nm : 400 700 nm : 700 106 nm



Khusus untuk cahaya tampak (visible), pengukuran cahaya dilakukan dengan menggunakan satuan photometric, yaitu: bagaimana seberkas cahaya dapat dilihat oleh mata normal manusia. Pada satuan photometric, intensitas cahaya tampak yang menyinari suatu permukaan benda tertentu dinyatakan sebagai illuminance, dan intensitas cahaya tampak yang dipancarkan oleh suatu sumber cahaya disebut luminance. Namun, apabila telah melibatkan UV dan IR, sistem satuan yang digunakan adalah sistem satuan radiometric. Dalam sistim satuan radiometric, intensitas cahaya (apakah itu UV atau IR) yang menyinari suatu permukaan benda tertentu dinyatakan sebagai irradiance, dan intensitas cahaya yang dipancarkan oleh suatu sumber cahaya disebut radiance.

B6.2

Course Outline

Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya bahwa cahaya memiliki sifat dualisme, yaitu: sebagai gelombang dan sebagai partikel yang disebut dengan photon (paket-paket energi, sering disebut kuanta), maka haruslah ada hubungan sistimatis dari keduanya untuk saling dikaitkan. Hubungan itu dikaji secara teoritis oleh Max Plank, dan suatu perumusan matematis antara panjang gelombang (sifat sebagai gelombang) dan energi (sifat sebagai partikel), dihasilkan, yaitu:

E=

hc

(6.1)

dimana, E = energi photon, c = kecepatan cahaya, 3x108 m/det, h = konstanta Plank, 4,136x10-15 eV.det, dan = panjang gelombang cahaya atau photon yang dikaji. Oleh karena itu energi yang dimiliki oleh cahaya telah dapat dihitung setelah panjang gelombangnya diketahui. Dengan demikian energi gelombang elektromagnetik seperti ditunjukkan pada gambar 6.1 dengan mudah dapat dicari. Cahaya tampak (visible light) memiliki energi pada rentang 2 4 eV. 6.3. Penggunaan Cahaya Tampak Tidak jarang para dokter menggunakan sejenis alat penerang (sumber cahaya) saat memeriksa seorang pasien. Mata pasien sering disorot oleh dokter dengan suatu alat penerang dan melihat perubahan warna yang terjadi. Banyak lagi kegunaan lain dari cahaya sebagaimana akan diuraikan selanjutnya. Sebelum konsep kerjanya diuraikan, beberapa peralatan medis yang menggunakan cahaya tampak, terlebih dahulu kita kenal. Nama peralatan medis yang menggunakan cahaya tampak disesuaikan dengan tujuan kegunaannya. Endoscope adalah peralatan medis yang digunakan untuk melihat keadaan di bagian dalam tubuh. Endoscope dibagi lagi menjadi : (1) cytoscope, yang digunakan untuk memeriksa kandung kemih (bladder), (2) proctoscope, digunakan untuk memeriksa usus besar (rectum), dan (3) bronchoscope, digunakan untuk memeriksa saluran udara di dalam paru-paru. Saat ini peralatan endoscope dibuat dalam bentuk yang lunak (fleksibel) dengan menggunakan fiber optik, sehingga dapat dimasukkan ke dalam tubuh dengan mudah, di daerah bagian tubuh yang akan diperiksa. Gambar dari bagian tubuh yang diperiksa tersebut disinari, kemudian dipotret dan dianalisa. Perubahan warna yang terjadi dari warna yang normal menunjukkan adanya gejala tertentu pada bagian tubuh tersebut. Suatu hal yang perlu diperhatikan adalah bahwa cahaya tampak yang disinarkan akan memiliki energi (photon) yang dapat diserap oleh organ tubuh yang diperiksa sehingga organ tubuh tersebut dapat saja menjadi panas. Oleh karenanya haruslah diperhatikan betul agar kiranya intensitas atau lamanya penyinaran tidak sampai mematikan sel-sel organ yang diperiksa. Bila anda berada di tepi suatu kolam yang disinari oleh sinar matahari, anda akan melihat keadaan dimana sinar matahari menembus air kolam merambat sampai ke dasar kolam. Hal yang hampir sama, bila suatu sinar dipancarkan ke tubuh manusia, sinar tersebut sebahagian akan merambat menembus masuk ke dalam tubuh. Sinar yang menembus masuk itu akan menemukan permukaan organ-organ di dalam tubuh. Oleh permukaan organorgan itu, sinar yang masuk tersebut selanjutnya dipantulkan kembali keluar tubuh. Sinar yang dipantulkan ini bila dipotret akan menggambarkan kondisi organ-organ itu sehingga dapat diamati dan dianalisa. Penyinaran dengan cahaya yang masuk menembus ke dalam tubuh disebut dengan transillumination. Sinar berwarna merah adalah sinar yang dapat dan paling banyak masuk ke dalam tubuh. Bila anda dekat dengan api unggun yang sudah barang tentu banyak menghasilkan sinar merah, maka anda akan merasa panas yang luar biasa karena sinar merah tersebut banyak masuk ke dalam tubuh anda dan sel-sel di dalam tubuh anda akan menyerap energi photon yang dimiliki oleh sinar merah itu. Contoh lain, apabila anda ingin memanggang daging sebaiknya lah menggunakan bara api yang berwarna merah menyala agar bagian dalam daging dapat masak dengan sempurna karena sinar merah dari bara api itu akan menembus masuk ke dalam daging dan menghasilkan panas yang besar di sana. Namun, sinar warna merah tidak diserap oleh sel-sel darah merah. Metode transillumination digunakan untuk mendeteksi gejala penyakit hydrocephalus pada bayi. Karena tengkorak bayi belum keras, karena belum mengandung banyak zat kapur, maka cahaya akan dengan mudah menembus tulang tengkorak. Jika cairan cerebrospinal fluid (CSF) yang ada di dalam tengkorak berlebihan, maka cahaya yang disinarkan ke kepala bayi akan dihamburkan ke arah yang berbeda dari yang normal, dan



B6.3

Course Outline

menghasilkan pola karakteristik hydrocephalus. Salah satu contoh peralatan transillumination untuk fungsi seperti itu ditunjukkan pada gambar 6.3.

Gambar 6.3. Penampang lintang suatu peralatan transillumination untuk mendeteksi penyakit hydrocephalus pada bayi.

Peralatan transillumination seperti ditunjukkan pada gambar 6.3 dilengkapi dengan suatu sumber cahaya tampak yang biasanya berdaya 150 Watt. Secara singkat, cara menggunakannya adalah : Pertama-tama, bayi ditempatkan di ruangan gelap agar tidak ada cahaya yang masuk ke kepalanya. Setelah beberapa menit, bayi telah beradaptasi pada kegelapan, dan peralatan transillumination dapat digunakan. Peralatan transillumination kemudian diletakkan pada bagian kepala bayi, dan kemudian sumber cahaya tampaknya dihidupkan. Cahaya tampak akan masuk ke dalam kepala bayi, kemudian cairan CSF yang ada di dalam kepala bayi akan memantulkan sebahagian dari cahaya yang diterimanya. Cahaya yang dipantulkan ini akan memiliki pola penyebaran tertentu. Intensitas pantulan dapat direkam dan menghasilkan suatu potret dengan pola tertentu. Gambar 6.4a menunjukkan pola cahaya dari suatu kepala janin yang normal, dan gambar 6.4c menunjukkan pola cahaya dari suatu kepala janin yang mengalami penyakit hydrocephalus. Penyakit atau kelainan pada gusi, payu dara dan testes telah juga dideteksi dengan peralatan transillumination. Cahaya sangat berguna untuk terapi karena cahaya mengandung energi yang secara selektif dapat diserap oleh organ-organ tubuh sehingga dapat memanaskan atau mengubah sifat-sifat kimia organ-organ tersebut. Bayi yang premature sering mangalami penyakit kuning. Penyakit kuning terjadi karena adanya kelebihan bilirubin yang dikeluarkan oleh hati ke dalam darah. Untuk mengatasi penyakit ini, suatu bentuk penyinaran dengan cahaya tampak (khususnya cahaya berwarna biru dengan panjang gelombang 450 nm) dapat dilakukan. Cahaya biru dengan panjang gelombang 450 nm tersebut dapat membakar (mematikan) bilirubin yang berlebihan. Perlakuan ini sering disebut dengan phototherapy.



B6.4

Course Outline

Gambar 6.4. (a) pola transillumination bayi normal, (c) pola transillumination bayi yang mengalami penyakit hydrocephalus.

6.4. Penggunaan UV dan IR Photon ultraviolet (UV) memiliki energi yang lebih besar dari pada photon cahaya tampak, sementara energi photon infremerah (IR) lebih kecil dari energi photon cahaya tampak. Karena energinya yang besar, photon UV dapat mematikan sel-sel kulit. Sinar UV dengan panjang gelombang sekitar 290 nm adalah diperuntukkan untuk membasmi kuman (membunuh kuman yaitu bakteri atau virus atau zat-zat organik berbahaya lainnya), sehingga secara efektif digunakan untuk mensterilisasi peraltan-peralatan medis. Sinar UV lebih reaktif terhadap kulit dari pada cahaya tampak. Beberapa reaksi tersebut sangat menguntungkan, akan tetapi ada juga yang merugikan. Yang sangat menguntungkan, misalnya : sinar UV dapat mengubah produk molekular yang dihasilkan oleh organ-organ di dalam kulit menjadi vitamin D. Sinar UV juga digunakan untuk memperbaiki (mempercantik) kondisi kulit. Di alam terbuka, matahari menghasilkan sinar UV. Sinar UV dapat mempengaruhi melanin yang terdapat pada kulit yang menyebabkan kulit dapat berubah menjadi berwarna coklat. Jadi sinar UV dapat mengubah kulit dari berwarna kuning langsat (putih) menjadi kecoklat-coklatan. Akan tetapi jika berlebihan dapat menyebabkan luka bakar oleh matahari. Sinar UV yang dihasilkan oleh matahari yang menyebabkan luka bakar adalah sinar yang memiliki panjang gelombang sekitar 300 nm. Sinar yang menghasilkan panjang gelombang ini lebih sering disebut dengan sunburn (sinar yang masuk dalam kategori UV). Sinar matahari tersusun dari sinar UV, cahaya tampak dan sinar IR. Intensitas sunburn yang sampai ke permukaan bumi tergantung pada ketebalan atmosfer dan ketebalan awan, karena atmosfer dan awan sangat efektif menyerap sinar sunburn. Di sore hari dan di pagi hari sinar sunburn sangat sedikit yang sampai ke pada kita karena pada saat itu, sinar matahari melewati atmosfer dan awan yang sangat tebal sehingga sunburn yang dihasilkan hampir seluruhnya diserap oleh atmosfer. Untuk menghindari sunburn atau UV dari matahari, seseorang sering memakai kaca mata hitam yang dapat menyerap sinar tersebut sehingga tidak sampai ke mata. Karena sinar sunburn atau UV dapat merusak retina mata. Hand and body lotion yang digunakan untuk menghaluskan kulit dilengkapi dengan unsur titanium dioksida (TiO2) yang berperan menyerap sinar sunburn atau UV sehingga kulit terhindar dari pembakaran sinar matahari. Sinar UV (apakah yang berasal dari matahari atau dari lampu UV) dapat menyebabkan kanker pada kulit, karena sinar UV dapat merusak DNA di dalam sel kulit. Petani atau nelayan sering mengalami penyakit kanker kulit karena kulit mereka sering terlalu lama disinari oleh matahari, khususnya di siang terik pada saat bekerja. Mereka sering mengalami kanker kulit dibagian belakang leher dan dibagian atas telinganya. Sinar UV atau sunburn dengan intensitas rendah tidak dapat dilihat oleh mata karena sinar tersebut diserap oleh cornea dan cairan mata sebelum sampai ke retina. Gambar 6.5 menunjukkan persentase sinar UV (dengan sebaran panjang gelombangnya) yang diserap oleh struktur organ mata. Persentase panjang gelombang dekat-UV



B6.5

Course Outline

(near-UV,

Documents

gelombang cahaya