PEMANFAATAN INTERFEROMETER MICHELSON DALAM MENENTUKAN KARAKTERISTIK PARAMETER FISIS ZAT CAIR.

(1)

PEMANPAATAN ＱｎｔｅｒｆｅｒＰｾＱﾣｔｅｒ＠ 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 of ptrmltlvlry, 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 ｢･ｲ｢ｾｧ｡ｩ＠ 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 clncln-tincin 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, jarl-jarl 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ｾｩｴｮＮｍＮｓｩ＠ adaleh do1<n Jurunn Flslka FMtPA Unlmed

(2)

permitivitas £, suseptibililas

x,

kernpatan p , masse molekul M. polarlsabilitas molekul

<>.

jumlah molekul dalam satu saruan volume N.

dan lain-lain. ｐ｡ｾｲｴｬ･ｴ｣ｲﾷｰ｡ｲ･ｲｮ･ｴ･ｲ＠ 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 fre kucnsl optis) dapat dianggap

J.l ｾ＠ I {Bom & Wolf, 1970) dan kececpatan !Me gelombang yang ｭ･ｾｬ･ｷ｡ｴｩｮｹ｡＠ adalah :

(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 :

" - &' (3)

Sepenl tclah dlsebutkan di alas, bahwa lndeks bias zat cair transparan sangat berganlung pada tempemtur T • Kebergantungan tersebut dinyatakan sebagai :

dn

, =

n. •

tf'l' (T -

T.l

(4)

dengan • " : lndeks bias bahan pada temperatur T, " •: i ndeks bias bah an p3da tcmperatur

7f ,

T :

tcmperatur tcnentu ,

1i ;

tcmperatur kamar , :;. : pcrubahan (gradien)

indeks bias tcrhadap temperlllur .

Pcnelitian dengan menggunal<an lmerferometcr Mic.hclson ini menganalisa jumlab frinji yang bergescr melewati medan penglihatan. Pergeseran frlnji ( 6m) tcrjadi akibat aclanya perubahan temperarur (AT)

pada sampel llubungan antara kedua besaran inl dinyatekan dengan :

Am,. 2L dn 61• (S)

.<d'T

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 Ｍｾｎ＠ (6)

£+2p - 3 rP

dengan, M : berat molekul bahanhat , p : kcrapatan , N_{0 :} bilansan Avogadro • a: polarisabllltas, £ : permltlvltas

Jikft pers.(l) dlsubsrltusl ke p.ers.(6) akftn dlperoleh :

n1- 1 M

］ｾｎ｡＠

n' +2p 3

°

(1)

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 Clausius-Mosotti (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 Ｔｾｲ＠ Jl1

- - • -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

n•

+ 2 - 3M Pi ｾＧ＠

+

9MicT ｾＭＢＧ＠ ,p

128

(3)

Besar polarlsabllitas (a) dari mole.kul atau atom non polar scbanding deog11n rl (dengan r adalah jan-jeri atom a tau 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 •

-kT KJ' (13)

dengan , r : waktu rclaksasi , 11 : viskosltas , t : 'konstanta Boltzman , T : temperatur mutlak , r : jari-jari molekul , V : volume molekul

Dengan

mendlferensiasi

p!!lWI'Iaan.(6) ·

terhadap temperatur (

e

dan N bcrgantung T,

tidak bergen tung pada a) akan diperoleh :

d& = (&-1)(& - 2)

fJ

( 14)

dT 3

dengan

p :

ndalah koelisien tcrmal muai volume.

METOOE PENELITIAN

Peralatan dan

baban

yang dlperlukan dalam penclitian ini adalah : (I) Sumbcr

Cahaya laser Ho-Ne (Spectra Physics I ｾＶＩ＠ diameter

berkas I mm ,

da}'ll

keluaran JmW

dan panjang gelombang A • 632,8 nm, (2) Pemeeah bcrkas (Beam splitter) I buah, (3)

Laser

'

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 ＨＱＰＱＬｾ＠ em x 76 em x 10 em) yang sudah dibuat bcbas getaran (sepetti pada Oambar 1).

Langkah-lengkah pengukuran.

ｓｩｮｾｲ＠ laser He-Ne terlebih dulu dlhidupkan 1 S

menit scbelum dilakukan pengukuran. Cahaya dari sumber dengan A= 632,8 nm berkasnya diperbesar dengan memakai lensa Ll diteruskan ke pemecah bcrkas (BS). Oleh pemecah

berkas

sebabagian

callaya

dipantulkan ke ccnnln M2 dan

sebahagian

lagi diteruskan ke ccnnin M I melcwati

sam

pel.

Kemudian

cabaya yang dipantulkan cermin M2 dengan cahaya yang dipantulkan cermin

M I setelah melewatl

sam

pel, bcrinterferensi

dan hasil lnterfcrensinya diporbc.m

olch

lensa

L2 dan ditangkap pada layar. Hasll lnterferensinya bcrupa clncln..:incin terang gelap konsentris. Kemudlan dihitung jumlah perubahan frlnji (6m) yang ter&adi setiap temperatur sampel turunlbcrubah I C (dalam peflelltian inl temperatur menurun)

Layar

l2

r- _M1

I

l" es

L 1 '

-Sampel

M2

Gambar I. Bagan sebuah Interferometer Michelson

[image:3.595.93.519.112.579.2]

(4)

J.,rtlll PIMiiiiM "'$,(/NlJXA " ""' • • ｎｯＮＲＮｾ＠ 1{)(}1: 117 . /J1

HASI L PENELITIAN DAN P EMBAHASAN

Haall Penellll.n.

Dari penelitan yang telalt dilakukan. ､ｩｰ･ｲｯＮｬ･ｾ＠

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

ｾ＠

_,..

1,

ClO

1:

40 0

39 50

38 120

37 180

36 245

3S 300

34 360

33 425

32 480

31 530

30 580

29 640

hna t.P'tNbl.hu Tt...,rr.t.r-••

PtrtHCI' . . FriaJ

ｾＱＱＰ＠

l llO

• IJO

!'

110

... ,0 • ' . • • 0 • ' • • •

·tO 21: 29 )0 ll J2 ll )4 JS 36 l7 Jl J9 40 41

Perubttltn Temptttlur (.6T}

Gambar I. Perubahan Tcmpcratur vs Pcrgescran Frinji

Oari Gambar 1. dipcroleh nilai koefuicn arah

ｾＭ

- 58,6713. Nilai koefisien arah inl

t.T

dlsubstitusikan ke pcrsamaan (S). maka akan dipcrolch nilai koefisien pcrubahan lndeks

dn ,.)

bias 1erhadap tempcratur - • -1,237S7x10 dT

Harga dn ini

､ｩｳｾ｢ｳｴｩｴｵｳｩ＠

ke pcrsamaan (4), 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 ｮｯｾ＠ 1.45663.

Hasil pcrhitungan indeks bias (n) untuk setlap T dibuat dalam Tabel2.

Tabe12. Temperatur (I) vs indeks bias (n)

T C n

27 1.4S663 28 1.4SS39 29 1.4S4 1S 30 1.45291 31 1.45167 32 1.45044 33 1.44920 34 1.44796 35 1.44672 36 1.44549 37 1.4442S 38 1.44301 39 1.441 n 40 1.44054

Dengan substitusi harga lodeks bias (n) ke pcrsamaan (3) akan dipcroleh nilai permitivitas ( t:) dibuat dalam Tabel 3.

Tabel 3. Tempcratur vs Permitivitas

TC

s

27 2.12177 28 2.118 16 29 2.11 455 30 2.11094 31 2.10734

n

2. 1o3n

33 2.10018 34 2.096S& 35 2.09299 36 2.08944 37 2.08S&S 38 2.08227 39 2.07870 40 2.07SIS

[image:4.595.93.519.112.579.2]

(5)

l)ari data libel 3, diperoleh nilal koefisien •• . • . d& 3 , tenn., penTUUYlW : -= - ,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) ､ｩｾｩｴｵｮｧ＠ dengan menaaunakan

ｾ＠ (7) diperoleb : a•l,104465ltl0..n em,. Jari-jarimolekul : r - 2, 11603ltlcr& em . Untuk menentukan waktu relaksasi ( r ) diallllllcan persamaan (13) dlperoleh hasil :

r• ＳＬＰＴＱＰＵｬｴｬｾ＠ detik. Koefisien 1ennal muai

volume dihitung dengan persamun ( 14) diperoleh :

P•

2,32l8bl <r'.

hmba .. a ...

Temperatur

sanpl

bcrpongaruh terhldap bcsar nllal lnddcs bias karbon tctra-klorlda, hal lnl terllhat dart turunnya nllal lndeks bias dengan naiknya temrratur. Ltju penurunannya • - 123,757xl<r per ､｣ｾ｡ｴ＠ Celclus (sepertl terlihat pada kurva 2).

Hal lnl dapat dijelaskan karena pada ｾ･ｭｰ･ｬＧｬｬｵｲ＠ yang lebih

tJnaa1

kerapatan opdk

KESIMPULAN DAN SARAN

Kttlmp•lae

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

ｴｩ､Ｆｾ＠ 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

M I

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.

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 Hasil Penelltlan

lndeks bias (n) pada tcmperatur 11CJ e 1,4S663.

kamar dn

d - = -1 ,23757xi 0-J Koefislen tennal indcks bias (...!!.) dT

n

,.

2.121

n

Pennitivitas optik (1) d& ....,

d& - = - 3,S8009xlu ·. Koefiscin tennal pennltiv!tas ( - ) tl'f

[image:5.595.93.519.112.579.2]

(6)

.1w1tD1 P<Mtifi()ll ''SA/NTtKA " Vol 4, No.2. S.pt<mbu 11XU: 111 - tJ1

S. ran

Berdasarkan hasil penelitian, maka 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.

D A.FTAR PUST AKA

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.

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.

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.