Mengapa Kertas Basah Tampak Transparan?

Banyak peristiwa menarik yang mungkin terjadi di sekitar kita. Namun, adakah kejadian-kejadian tersebut menggoda kita untuk bertanya? Padahal, malu bertanya sesat di jalan. Sepertinya sebagian besar kita tidak peduli. Mungkin juga karena sudah terlalu banyak pertanyaan dalam hidup dan tidak ada tempat untuk pertanyaan-pertanyaan sepele.

Sebagai contoh, pernahkah teman-teman memperhatikan kertas yang basah oleh air? Mari kita ingat kembali seperti apa kertas yang basah oleh air. Biasanya, objek di balik kertas tidak tampak pada bagian kertas yang kering tetapi justru tampak pada bagian kertas yang basah. Singkatnya, kertas kering tampak buram tak tembus cahaya (opaque), sedangkan kertas basah tampak transparan. Tidak percaya? Silakan dicoba sendiri.

Bagaimana dengan kain? Teman-teman yang berpengalaman mencuci pakaian sendiri tentu tahu bahwa pakaian putih yang basah pun akan tampak lebih transparan seperti kertas. Atau, pernahkah teman-teman kehujanan saat sedang mengenakan kaos putih? Tentu sangat tidak menyenangkan apabila sesuatu di balik kaos putih tersebut terlihat oleh orang lain. Lalu, seperti apa sih struktur kertas dan kain? Apakah sifat tembus cahaya ada hubungannya dengan struktur kertas dan kain?

Mari kita bahas salahsatu teori yang mungkin salah dan mungkin juga benar terkait fenomena transparannya kertas dan kain. Pertama-tama, kita perlu ketahui bahwa gelombang yang melalui celah sempit atau penghalang akan mengalami difraksi. Ini tidak dapat diragukan lagi kebenarannya. Fenomena difraksi ini dapat diamati pada eksperimen celah tunggal atau pada difraksi sinar laser oleh sehelai rambut.

Perhatikan bahwa gelombang terlihat menyebar setelah melalui celah. Pola yang muncul di layar adalah pola terang-gelap, seperti ditunjukkan pada gambar intensitas sebagai fungsi sudut θ. Bagian tengah yang paling terang biasa disebut sebagai terang-pusat. Perlu diketahui juga bahwa, untuk lebar celah yang sama, pola terang-pusat akan lebih lebar bagi panjang gelombang yang lebih besar.  Pola gelap memenuhi persamaan berikut:

d sin θ_min = n λ

dengan d adalah lebar celah, θ_min adalah sudut ketika terjadinya pola gelap, λ adalah panjang gelombang, dan n adalah bilangan bulat positif, n = 1, 2, 3, dan seterusnya.

Bagaimana dengan difraksi oleh penghalang, misalnya oleh sehelai serat atau rambut? Menurut prinsip Babinet, pola difraksi oleh sebuah objek yang tidak transparan akan sama dengan pola difraksi oleh lubang dengan ukuran yang sama. Hal yang berbeda hanyalah intensitas dari seluruh gelombang yang diteruskan.

Untuk kertas atau kain kering yang tampak tidak transparan, cahaya yang mencapai kertas atau kain itu terdifraksi oleh serat-serat dalam kertas atau kain. Ini dapat terjadi berkali-kali. Pada akhirnya, intensitas dari cahaya yang menembus kertas menjadi sangat kecil.

Sementara itu, pada kertas basah yang tampak transparan, indeks bias air lebih besar daripada indeks bias udara. Akibatnya, panjang gelombang cahaya di dalam medium air lebih pendek dibandingkan dengan panjang gelombang cahaya di udara untuk frekuensi yang sama. Secara efektif, ukuran rongga lebih besar relatif terhadap panjang gelombang cahaya. Seperti dijelaskan di atas, pola terang-pusat lebih sempit untuk gelombang yang lebih pendek sehingga intensitas gelombang yang diteruskan lebih besar.

Penjelasan yang masuk akal, bukan? Namun, jika memang alasan ketransparanan kertas basah itu karena difraksi, berarti kertas yang dibasahi dengan cairan yang memiliki indeks bias yang lebih besar harusnya akan terlihat lebih transparan! Nah, hal ini perlu pengujian lebih lanjut.

Untuk mengujinya, kita bisa ambil sehelai kertas yang dibasahi dengan air (indeks bias 1,33) pada bagian tertentu dan dibasahi dengan gliserin (indeks bias 1,47) pada bagian lainnya. Sekilas saja transparansi kedua bagian kertas tersebut tidak dapat dibedakan. Ini mungkin karena keterbatasan mata manusia. Oleh karena itu, kita dapat menggunakan laser untuk membedakannya. Intensitas sinar laser yang menembus kertas dapat diukur dengan photodiode.

Hipotesis kita di sini adalah bahwa intensitas sinar laser yang berbeda akan terkait dengan sifat transparan yang berbeda dari kertas, apakah basah (oleh cairan yang berbeda) atau kering. Tanpa sinar laser, photodiode hanya menunjukkan angka 3-4 µW. Selanjutnya, kita akan temukan bahwa ketika photodiode ditempelkan di balik kertas yang menghalangi lintasan sinar laser, ada perubahan daya yang terbaca oleh photodiode.

Untuk penghalang berupa kertas kering, kertas yang dibasahi air, dan kertas yang dibasahi gliserin,  berturut-turut daya yang terbaca adalah 24-26 µW, 125-130 µW, dan 190-210 µW. Semakin besar indeks bias cairan yang membasahi kertas, semakin besar pula daya laser yang terbaca photodiode, alias semakin transparan. Hasil ini sepertinya tidak bertentangan dengan penjelasan sebelumnya bahwa sifat transparan kertas basah disebabkan oleh difraksi.

Anda punya teori yang lain?

Catatan tambahan

Penjelasan di atas mengasumsikan bahwa masing-masing serat tidak dapat ditembus cahaya. Kenyataannya, serat-serat terbuat dari bahan yang dapat ditembus cahaya dengan indeks bias yang lebih besar dibanding indeks bias udara, air atau gliserin. Hamburan cahaya oleh suatu serat dapat terjadi melalui refraksi (pembiasan) cahaya.

Seberapa besar efek hamburan cahaya bergantung pada perbedaan indeks bias medium (udara, air, atau gliserin) relatif terhadap indeks bias masing-masing serat. Penjelasan ini tetap sesuai dengan hasil pengukuran di atas. Masing-masing serat dapat dimodelkan sebagai silinder. Ketika indeks bias medium sama dengan indeks bias serat, serat menjadi transparan sempurna.

Ucapan terima kasih

Pembahasan teka-teki ini dikemukakan oleh dan didiskusikan bersama Erwin Handoko Tanin dan Jong Anly Tan (STKIP Surya).

Bahan bacaan:

• http://physicsed.buffalostate.edu/pubs/StudentIndepStudy/EURP09/Young/Young.html
• http://www.fireflydiapers.com/articles/diaper-article_natural-fibers-absorb.htm
• https://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction
• https://en.wikipedia.org/wiki/Babinet’s_principle

 

Penulis:

Zainul Abidin, dosen STKIP Surya, alumnus College of William & Mary, Amerika Serikat.
Kontak: zxabidin(at)yahoo(dot)com.