PEMANPAATAN 1NTERFER0~1£TER MICl lELSON DALAM MEN£NTUKAN KARAKTERISTIK PARAMETER FISIS ZAT CAJR
ABSTRACT Measurement ofthtrmal cQII/Icltnt of rifrllctlve lnd1x (dnlcff) and rll/raclivl indlc•s (n) with temperature ••arlallo11 ustd Mlchtl.ron lmerftrometer has been carrltd 0 111 to dlltrmine physico/ paramrttrt offluldJ (Carbon lltrochlorlde) ,< uch as : optical tHrmltlvlry, thermal cQII/Iclent ofptrmltlvlry, tpclflc rifroctlon, lrrolor rt/roctlon, molec•l• rodlut, total polorizobi/lty, re/QX.atlon tlmt, a•d thtmrol 110/u•tt expomlon coeftclent.
Kate kuncl : l•terferometer Mk:beboD, Puamder flsla.
PENDAHULUAN. Pengukuran indeks bias suatu zat ealr adalah penting untuk penilaian slf11 dan kcmumian eairan, konsentrasl larutan. dan perbandlngan komponcn dalam campuran dua zat cair atau kadar (proscntase) yang diekstraksikan dalam pclarutnya (Brink, dkk. 1984). lndcks bias odalah termasuk parameter utama yang pentlng dalam mendesaln peralatan (device) optlka non linear (Shen, dkk.992). lndeks bias cairan telah diukur dcngan berb~gai metode (Hassan, dkk. 1994) an tara lain · metode deviasi, refraktometer Abbe, dan metode Interferometer Maeh-Zehnder. Pada metode sudut deviasi mtmmum dan refraktometer Abbe kcduanya menagunakan cahaya tampak untuk mmentukan lndeks bias, sehinaaa hal ini mcnyebabkan kekurang telitlan pada pengukuran. Pada penelitian inl, lndeks bias zat ealr (dalam hal ini diplllb Karbon tetraklorida) akan ditentukan dengan menggunakan Interferometer Michelson. Alasan mcmllih bahan ini karena zat tersebut banyak diaunakun di laboratarium pada percobaan kimia, sehingga perlu diketahul parameter fisisnya sebeium digunakan. Sedtlngkan penagunaan metode ini dipilih korcna pola interferensi yang dihasllkan memlllkl intensitas yang tingg:i sehinaga dapat diamat! don didokumentasi dcngan mudah. Pole interferensi yang dihasilkan berupa clnclntincin gelap terang konsentris dan hanya terjad i apabila berkas cahaya yang digunakan
koheren. Sclain itu (Betzler, dkk.1988) perubahan lndeks bias yana relatif kecll aklbat perubahan temperatur dapat juga ditentukan denaan menagunakan lnteferometer. Parameter fisis zat cair yang dapat ditentukan dengan eara lnl (EI-Kashef, 1994 ; Hassan, dkk. 1995) adalah : lndcks bias, pennitivitas optik, koefisicn tennal indeks bias, koefisien termal pcnnltlvltas, refraksi spesifik, rcfraksl molar, polarisabilitas, jarljarl molekul, waktu relaksasl, dan koefislen tcrmal muai volume. Sebagai pendukuna keberhasilan penelitian lnl tclah dilakukan pengukuran indeks bias air (zat cair 1ransparan) sebaaai fungsi temperatur denaan menagunakan interferometer Mkhelson (Siagian, 2002). Tujuan penelitian ini adalah untuk menentukan parameter !isis zat cair (Karbon tctraldorida) dan hasll penelitlan ini dlharapkan dapat bermanfaat untuk menambah daftar parameter !isis bahan yang sudah ada dan menambah khasanah metodc karakterisasi bahan yang sudah ada. lndeks bias (n) suatu bahan termasuk parameter makroskopis (EI-Kashef, 1994) yang didefinisikan sebagai perbandingan an!Am kecepatan cahaya dalam vakum (c) terhadap kecepatan cahaya dalam medium tersebut (v) yana dirumuskan denaon • c n =-
( I)
v
Parameter-parameter makroskopis yang lain dari zat tersebut (EI-K.ashef, 1994) ldalah :
'I O...Hcnt>k S~itn.M.Si adaleh do1
127
permitivitas £, suseptibililas x, kernpatan p , masse molekul M. polarlsabilitas molekul <>. jumlah molekul dalam satu saruan volume N. dan lain-lain. Pa~rtletcr·parerneter tersebut merupakan sifal optls dan sifal listrik dar! bahan tcrsebut yang mempunyai hubungan saru dcngan yang lain seblngga perlu untuk dlketahui. Untuk sebagian bw.r bahan uansparanltembus cahaya (nonmagnetlk dalam daerah frekucnsl optis) dapat dianggap J.l ~ I{Bom & Wolf, 1970) dan kececpatan !Me gelombang yang me~lewatinya adalah :
darl persamaan ini •.< : panjang gelombang dlr
Laser He·Ne , L: kctebalan umpel , -
dT
perubahan lndeks bias terhadap temperatur. Hubungan antara parameter makroskopis & dengan parnmcter a dan N. diketahui sebapi persamaan Clausius·Mosotti yang ditulis (El-Kashef.l994 ; Hassa11,dkk.
1995 : Guentet, 1990) d!lam btntUk : e-1 M -~N (6) £+2p - 3 rP dengan, M : berat molekul bahanhat , p : kcrapatan , N0 : bilansan Avogadro • a: polarisabllltas, £ : permltlvltas Jikft pers.(l) dlsubsrltusl ke p.ers.(6) akftn dlperoleh :
(2)
lndeks bias dari suaJu bahan sangat bergantung kepada panjang gelombang eahaya dan keadaan medium, sepertl temperatur, dann kerapatan (Brink, dkk. 1984) ; EI·Kashof, 1994). Oengan substirusi pers.(2) ke pers.(l) dipcroleh kelerkaitan antara indcks bias (n) dengan permitivitas (e) yang dinyata.kan (EI· Kashef,l994 ; Hassan, dkk. I99S; Bom & Wolf,l970) dcngan : " - &'
1
n - 1M
(3)
Sepenl tclah dlsebutkan di alas, bahwa lndeks bias zat cair transparan sangat berganlung pada tempemtur T • Kebergantungan tersebut dinyatakan sebagai : , = n.
dn • tf'l' (T - T.l
(4)
dengan • " : lndeks bias bahan pada temperatur T, " •: indeks bias bah an p3da tcmperatur 7f , T: tcmperatur tcnentu , 1i ; tcmperatur kamar , :;. : pcrubahan (gradien) indeks bias tcrhadap temperlllur . Pcnelitian dengan menggunal
=~Na
(1)
n' +2p 3 ° yang discbut sebagai persamaan LorenZI· Loren:t (EI-Kashe(, 1994 ; Hassan, dkk.I99S ; Cuenter, 1990) dengan n' -I "·•- n' + 2 dlsebut rcrraksl speslfik (8) dan n' - 1 M P., • - - - discbut rcrraksi molar (9) n' +2 p Debye mengembangkan persamaan ClausiusMosotti (pers.6) untuk dlelcktrik polar dengan mengganti polarisabilitas total molekul a dengan sejuml3h pcrubahon pGiarisabilitas a. dan keterkaitan polllrlsabilitas dengan
polarisasl dipol yang sama dengan
L•,
3kT Scbingga korcksi Debyc tcrhadap persamaan (6) menjadi (Bom & Wolf, 1970) ; e - 1 M 4~r Jl 1 - - • -No(a.+ - ) (10) >+2 p 3 3/cT Persamaan inl dapat diveriOkasi secara cksperimental sebagai berlkut : e - l 411' 411' 1 s+ 2 • 3M pNp• + 9MicT pNo)l (ll) a tau n2 - I _ 411 \ I 411' .AI I (12) n• + 2 - 3M Pi ~' + 9MicT ~-"' ,p 128
Besar polarlsabllitas (a) dari mole.kul atau atom non polar scbanding deog11n rl (dengan r adalah jan-jeri atom atau molekul). Menurut Debye. model sferik molekul yang betolasi dalam medium dengan viskositas 11 mempunyai waktu relaksasi (Hassan, 1994) mcnurut persamaan : 4KI]r' 31]V ro - - • - (13) kT KJ' dengan , r : waktu rclaksasi , 11 : viskosltas , t : 'konstanta Boltzman , T : temperatur mutlak , r : jari-jari molekul , V : volume molekul
Ccrmin datar 2 buah (M I dan M2), (4) Lensa 2 buah (LI dan L2), (S) T cmpat sampel (TS) dan Termometer digital I buah. (6). Pemanas (heater), dan (7) Karbon tetraklorida . ralatan disusun pada pelat bcsi bcrukuran (10 1,~ em x 76 em x 10 em) yang sudah dibuat bcbas getaran (sepetti pada Oambar 1). Langkah-lengkah pengukuran. Sin~r laser He-Ne terlebih dulu dlhidupkan 1S menit scbelum dilakukan pengukuran. Cahaya dari sumber dengan A= 632,8 nm berkasnya diperbesar dengan memakai lensa Ll diteruskan ke pemecah bcrkas (BS). Oleh Dengan mendlferensiasi p!!lWI'Iaan.(6) · pemecah berkas sebabagian callaya terhadap temperatur ( e dan N bcrgantung T, dipantulkan ke ccnnln M2 dan sebahagian lagi tidak bergentung pada a) akan diperoleh : diteruskan ke ccnnin M I melcwati sam pel. Kemudian cabaya yang dipantulkan cermin d& = (&-1)(& - 2) fJ ( 14) M2 dengan cahaya yang dipantulkan cermin dT 3 dengan p : ndalah koelisien tcrmal muai M I setelah melewatl sam pel, bcrinterferensi dan hasil lnterfcrensinya diporbc.m olch lensa volume. L2 dan ditangkap pada layar. Hasll lnterferensinya bcrupa clncln..:incin terang METOOE PENELITIAN Peralatan dan baban yang dlperlukan gelap konsentris. Kemudlan dihitung jumlah dalam penclitian ini adalah : (I) Sumbcr perubahan frlnji (6m) yang ter&adi setiap Cahaya laser Ho-Ne (Spectra Physics I ~6) temperatur sampel turunlbcrubah I C (dalam diameter berkas I mm , da}'ll keluaran JmW peflelltian inl temperatur menurun) dan panjang gelombang A• 632,8 nm, (2) Pemeeah bcrkas (Beam splitter) I buah, (3)
Layar
l2 Laser
I L1
' l" es
r-
'-
Sampel
M2
Gambar I. Bagan sebuah Interferometer Michelson
129
M1
J.,rtlll PIMiiiiM "'$,(/NlJXA " ""' • • No. 2. ~ 1{)(}1: 117 . /J1
HASI L PENELITIAN DAN P EMBAHASAN
Haall Penellll.n. Dari penelitan yang telalt dilakukan. dipero.le~ data jumlalt pergeseranlpcrubaltan pola fnnjt nkibat penurunan temperatur Karbon tetraklorlda, yang disajikan dalam bentuk Tabel I. dan Gambar I. Tabel I. Perubahan temperatur vs Perge.seran frinji 11?C
11m
40 39 38 37 36
0 50
Harga dn ini dT
maka diperoleh harga indeks bias (n) untuk berllagai T. Besarnya indeks bia.s pada temperatur kamar (no) pada pcrsamaan (4) ditentukan dengan refraktometer Abbe dan besamya no ~ 1.45663. Hasil pcrhitungan indeks bias (n) untuk setlap T dibuat dalam Tabel2. Tabe12. Temperatur (I) vs indeks bias (n) T C 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
120 180 245 300 360
3S
34 33 32 31 30
425 480 530 580 640
29
dis~bstitusi ke pcrsamaan (4),
hna t.P'tNbl.hu Tt...,rr.t.r-•• PtrtHCI'.. FriaJ
_,..
n 1.4S663 1.4SS39 1.4S4 1S
1.45291 1.45167 1.45044
1.44920 1.44796 1.44672 1.44549 1.4442S 1.44301
1.441n 1.44054
~
1,ClO
Dengan substitusi harga lodeks bias (n) ke pcrsamaan (3) akan dipcroleh nilai permitivitas ( t:) dibuat dalam Tabel 3.
l llO
Tabel 3. Tempcratur vs Permitivitas
1: ~110 • IJO
!' 110 ... ,0
•
·tO 21: 29
' )0
.
•
•
ll J2 ll
0
•
'
•
•
•
JS 36 l7 Jl J9 40 41 Perubttltn Temptttlur (.6T} )4
Gambar I. Perubahan Tcmpcratur vs Pcrgescran Frinji
t.T
dn
dT
2.12177 2.118 16 2.11 455 2.11094
33 34 35 36
arah inl
37
dlsubstitusikan ke pcrsamaan (S). maka akan dipcrolch nilai koefisien pcrubahan lndeks bias 1erhadap tempcratur -
s
27 28 29 30 31
n
Oari Gambar 1. dipcroleh nilai koefuicn arah
~ - - 58,6713. Nilai koefisien
TC
38 39 40
,.)
• -1,237S7x10
130
2.10734 2. 1o3n 2.10018 2.096S& 2.09299 2.08944 2.08S&S 2.08227 2.07870 2.07SIS
l)ari data libel 3, diperoleh nilal koefisien •• penTUUYlW . • . :d& tenn., - = - 3,S8009xl0", . tlf Bcrdasa.rkan nilai indeks bias pada tcmpcratur kamar (llCJ) dapat dihitung refraksi spcsifik dan refraksi molar dcngan mcngg1mak1111 ·persamaan (8) dan (9) dengan basil scbagai berikut : reftaksi spesifik P., • 0,2721 S7 dan refnksi molar P,. =26,329050. Polarisabilitas total (a) di~itung dengan menaaunakan ~ (7) diperoleb : a•l,104465ltl0..n em,. Jari-jarimolekul : r - 2, 11603ltlcr& em . Untuk menentukan waktu relaksasi ( r ) diallllllcan persamaan (13) dlperoleh hasil : r• 3,04105ltl~ detik. Koefisien 1ennal muai volume dihitung dengan persamun (14) diperoleh : P• 2,32l8bl
hmba..a... Temperatur sanpl bcrpongaruh terhldap bcsar nllal lnddcs bias karbon tctraklorlda, hal lnl terllhat dart turunnya nllal lndeks bias dengan naiknya temrratur. Ltju penurunannya • - 123,757xl
suatu zat itu berlwnong. sehingp indeks billS
pun turun (Brink. dkk. 1984). Tempat sampel (sci) pllda pcnelilian ini ditctapkan L = I.S em • dcngan alasan j ika L . besar akan mcngakibatkan fluktuasl pergeSeran pola rruul sangal besar schingga sulit .untuk dihltung. Hal lni dapat dijelaskan, apablla panjang sci L besar, maka tcmperatur selteliling sampel (di dalam sci) tldak merata di tepl dan di tengah. Jika temperltur sampel tid&~ mcrata. maka pola frlnji yang terbentuk j uga menjadl tidak terltur schlnaaa penahltungan pergescran Crinjl akan terganaau. Interferometer yang diaunakan pacta penelltian adalah Interferometer Michelson pcnyederhanaan dari mctodc yana dlgunakan Rlchcrugen, yaltu denaan menempatkan cennln MI dl luar sam pel (Richeruaen. 1966). Dcngan demlklan cennln dapat dltetel denaan mudah dan pcraescran pola fril\)1 yang tcrbentuk pllda laynr dapat dill hat dengan jelu dan dibitung dcnaan tclltl, Denaan mcn88unakan Interferometer Michelson lni semua zat calr yana transparan (tcmb!Q c:ahaya) dapat dhentukan parameter fislsnya. seperti yang telah dilakukan dl atu.
KESIMPULAN DAN SARAN
Kttlmp•lae Hasll karakterisasi parameter fisls Karbon tetraklorida adalah scbapl berlkut :
Tabel 4. Parameter Fisis Karbon tetraklorida hasil penelitian ( p - 1,594 gr(cm, ; M • IS3.82gr!mol ; q • 0,96 cp; A.• 632,8 nm)
Parameler Pisis lndeks bias (n) pada tcmperatur kamar d Koefislen tennal indcks bias (...!!.)
n
Pennitivitas optik (1)
d& Koefiscin tennal pennltiv!tas ( - ) tlf Refraksi spesifik (P.,) Refraksi molar(P..) Jarl-jari mokkul ( r ) Polarisabilhas ( a) Waktu relaksasi (r) Koefisien muai tennal volume (p)
11CJ
e
Hasil Penelltlan 1,4S663.
dn
- = -1,23757xi 0-J dT ,. 2.121 n
d& ...., - = - 3,S8009xlu ·. tl'f P• • 0,2721S7 P., • 26,3290SO r • 2,1 8603xlcr em . a •I,I04465xl
.1w1tD1 P<Mtifi()ll ''SA/NTtKA " Vol 4, No.2. S.pt<mbu 11XU: 111 - tJ1
S. ran maka Berdasarkan hasil penelitian, dikemukakan saran scbagai berikut : ( I) Untuk mengurangi kekellruan dalam perhitungan pergeseran pola frinji sebaiknya dilakukan dengan CO\lnter/ computer. (2) Termometer untuk kontrol perubahan temperatur sebaiknya digunakan termometer yang mempunyal ketelitian ± 1°C, agu dapat dicapai pengukuran lndeks bias yang lebih tellti hingga desimal kecnam, dan (4) Perlu dilakukan penelitlan lal\lutan untuk bahanlzat cair yang lain, guna menambah daftu parameter fisis baban yang sudah ada.
EI-Kashef.H .. {1994). Optical and Electrical Properties of Materials, Rev.Sci. lnstrum. 65, 2056. Guenter,R.O, (1990) . Modtm Oplics, New Yotk, John Wiley. Hassan, et.al., (199S) • lntet;forometric Measureme111 of the Physical Canstans of Laser Dye Solvents, Rev.Sci.lnstrum, 66, 38. Kallard,T., ( 1977) . Exploring Laser Light, New York, Optosonlc Press. .Richerzagen,B., (1996) . lnterforotMter for Measuring the Absolute Refractive IJtdex of Liquid Water as a Frmclian of Temperature at 1,064 IJ m, Apii.Opt.
D A.F TAR PUSTAKA
Betzler,K.et.al. ( i 998). lnterforometrlc Mea.r11rement of Refractive Indices, Rev. Scl.lnstrum. S9 ,6S2. Bom.M. and Wolf.E. (1970). Principles of Optics, 4"' ed. London, Pergamon. Brlnk,O.O., Flink,R.J, and Sachri,S., ( 1984). Dasar-dascr flmu ltutrumen. Bandung. Binacipta.
3S, 16SO.
Shcn,H.Y.,et.al. (1992). Mtasuremenl of Refractive Indicts and Thermal Refractive Index Coefflsielill of LlNbOJ Crystal Doped with .5% mol MgO, Apli.OpL31 , 669S. Siaglan,H., (2002). Ptrullahon lndeks Bias Sebagal Fungsl Temperatur, Jurnal Pendidikan Science, No.3. vol.26, 20.
132
