sifat optik dan termal material

Vincensius Cahya Dwinanda 2412100034

Sifat Optik Bahan

1. Pendahuluan

Sifat optik bahan menggambarkan respon material terhadap paparan radiasi

elektromagnetik dan, khususnya, untuk cahaya tampak. Sifat optik ini salah satunya

direpresentasikan dalam indek refraksi dan refleksi.

2. Radiasi Elektromagnetik

Radiasi elektromagnetik sering didefinisikan sebagai gelombang elektromagnetik.

Dimana gelombang elektromagnetik terdiri dari 2 jenis medan gaya yang

berpengaruh, yaitu medan listrik dan medan magnet. Dimana kedua medan ini saling

tegak lurus satu dengan yang lain.

Gambar 1 Gelombang Elektromagnetik

Cahaya, panas, radar, radio dan gelombang yang lain termasuk radiasi

elektromagnetik, dimana masing-masing mempunyai karakteristik sendiri yang

direpresentasikan oleh spektrum elektromagnetik.

Gambar 2 Spektrum Elektromagnetik


Kecepatan semua radiasi elektromagnetik adalah sama yaitu kecepatan cahaya

sebesar 3x108 m/s. Kecepatan ini terkait dengan permisivitas listrik dan

permeabilitas magnetik dan dapat dirumuskan :

Kecepatan gelombang elektromagnetik dapat juga berupa fungsi antara panjang

gelombang dan frekeuensi

Radiasi elektromagnetik dapat juga dipandang sebagai paket energi yang disebut

foton, sehingga energi yang dihasilkan foton dapat didefinisikan sebagai

Dimana h adalah konstanta Planck yang nilainya sebesar 6,63x10-34 Js

3. Interaksi Cahaya dengan Zat Padat

Cahaya yang mengenai zat padat akan mengalami beberapa perlakuan, diantaranya

adalah : dapat ditransmisikan, diserap, atau dipantulkan. Intensitas awal I0 sinar

harus sama dengan jumah seluruh intensitas yang ditransimisikan IT, diserap IA, dan

dipantulkan IR.

Atau dapat juga ditulis sebagai

T + A + R = 1

Dimana T, A, dan R adalah transmisivitas (IT/I0), absorptivitas (IA/I0), dan reflektivitas

(IR/I0) atau fraksi dari cahaya yang ditransmisikan, diserap, dan dipantulkan.

Material yang dapat mentransmisikan cahaya dengan sedikit penyerapan dan

pemantulan disebut sebagai benda transparan. Material yang hanya sedikit

mentransmisikan cahaya disebut benda translucen. Sedangkan material yang tidak

dapat mentransmisikan cahaya disebut benda opaque.

Gambar 3 Jenis-jenis Sifat Material


4. Interaksi Atomik dan Elektronik

Fenomena optik yang terjadi pada zat padat melibatkan interaksi antara radiasi

elekromagnetik dengan atom, ion, dan elektron. Dua dari interaksi terpenting ini

adalah polarisasi elektronik dan transisi energi elektron

Polarisasi Elektron

Untuk kisaran dari frekuensi cahaya tampak, medan listrik ini berinteraksi dengan

awan elektron yang mengelilingi setiap atom dalam jalurnya sedemikian rupa untuk

menginduksi polarisasi elektronik, atau untuk menggeser awan elektron relatif

terhadap inti atom dengan setiap perubahan arah komponen medan listrik. Dua

konsekuensi polarisasi ini adalah : beberapa energi radiasi mungkin terserap dan

gelombang cahaya akan diperlambat saat melewati medium.

Transisi Elektron

Penyerapan dan emisi dari radiasi elektromagnetik dapat menyebakan transisi

elektron dari tingkat energi satu ke yang lainnya. Perubahan energi tesebut dapat

dicari dengan menggunakan rumus

Absorpsi foton yang berasal dari radiasi elektromagnetik menyebabkan elektron

tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi. Namun elektron tersebut tidak akan

bertahan lama di tingkat energi tersebut, tetapi akan kembali ke ground state

dengan mereemisikan radiasi elektromagnet

Gambar 4 Iustrasi Absorpsi Foton yang Menyebabkan Eksitasi Elektron

Sifat Optik Logam

Pada dasarnya logam bersifat opaque, hal ini dikarenakan radiasi elektromagnetik yang

diterima oleh logam mempunyai frekuensi sinar tampak. Untuk sinar tampak akan


mengeksitasikan elektron ke tingkat energi di atas energi Fermi sehingga sinar tersebut yang

berupa foton akan diserap oleh atom logam.

Gambar 5 Skema eksitasi elektron oleh atom logam

Semua ferkuensi dari sinar tampak akan diserap oleh logam karena terus menerus tersedia

tingkat elektron yang kosong sehingga elektron akan bertransisi. Sebenarnya metal bersifat

opaque untuk semua radiasi elektromagneti yang mempunyai frekuensi rendah mulai dari

gelombang radio hingga sinar ultraviolet. Metal akan bersifat transparan untuk gelombang

yang mempunyai frekuensi radiasi tinggi (sinar x dan gamma).

Sifat Optik Nonlogam

5. Refraksi

Cahaya yang melewati benda yang transparan akan mengalami pengurangan

kecepatan dan sebagai dampaknya adalah terjadinya peristiwa refraksi. Indeks

refraksi dari suatu material adalah rasio dari kecepatan di ruang vakum dengan

kecepatan di medium atau bisa dituliskan sebagai berikut

Besarnya indeks refraksi ini dipengaruhi oleh panjang gelombang dari sinar yang

melewati benda tersebut. Peristiwa ini bisa diamati pada prisma yang menghasilkan

berbagai warna.

Kecepatan cahaya dalam medium sendiri dapat dirumuskan

Sehingga indeks refraksi dapat dituliskan


Karena sebagian besar benda adalah benda sedikit magnetik, μr=1 dan rumus

menjadi

Tabel 1 Indeks Refraktif untuk Beberapa Material Transparan

6. Refleksi

Ketika cahaya melewati suatu medium yang memiliki perbedaan indeks refraksi,

maka cahaya tersebut akan terhambur ke permukaan antara 2 medium tersebut,

meskipun medium tersebut transparan. Reflektivitas R adalah perbandingan

intensitas cahaya pantul dengan intensitas cahaya pantul

Jika cahaya adalah tegak lurus terhadap permukaan maka

Dimana n1 dan n2 adalah indeks refraksi dari 2 medium tersebut. Jika cahaya cahaya

ditransmisikan dari ruang vakum ke benda padat maka

7. Absorpsi

Benda non logam bisa bersifat transparan, jika benda tersebut bersifat transparan

maka sebagian besar benda tersebut tampak berwarna. Pada prinsipnya cahaya yang


diabsorpsi terjadi melalui 2 mekanisme. Yang pertama adalah melalui polarisasi

elektronik, yang kedua adalah melalui mekanisme yang melibatkan transisi pita

valensi-pita konduksi dimana mekanisme ini bergantung dari pita energi masing-

masing material.

Absorpsi foton bisa terjadi melalui promosi dan eksitasi elektron yang terisi dekat

dengan pita valensi, melewati band gap, tau ke dalam empty state di pita konduksi.

Gambar 6 Mekanisme Absorpsi dan Emisi Foton pada Pita Energi

Peristiwa eksitasi yang menghasilkan absorpsi bisa terjadi apabila enrgi foton lebih

besar daripada band gap

Dimana energi band gap maksimum adalah

Jika energi band gap melebihi Eg max maka cahaya tersebut tidak terabsorpsi.

Sedangkan energi band minimum adalah

Ini berarti jika energi band gap lebih kecil dari Eg min maka cahaya tersebut akan

terabsorpsi atau material tersebut bersifat opaque. Sedangkan apabila energi band

gap terletak diantara keduanya maka material tersebut akan tampak berwarna

Interaksi dengan radiasi cahaya juga bisa terjadi pada padatan dielektrik yang

memiliki lebar band gap, yang melibatkan selain pita valensi-konduksi transisi pita

elektron. Jika terdapat impuritas atau cacat elektrik aktif lainnya, tingkat elektron

dalam band gap dapat diperkenalkan, seperti tingkat donor dan akseptor.


Gambar 7 Perstiwa Emisi Foton yang Melibatkan Tingkat Energi

Pada gambar (a) menunjukkan penyerapan foton melalui pita valensi-konduksi yang

mengakibatkan tereksitasinya elektron untuk material yang memiliki tingkat

pengotor yang ada di dalam band gap. Gambar (b) menunjukkan emisi dari dua foton

yang melibatkan peluruhan elektron pertama ke keadaan impuritas, dan akhirnya ke

keadaan dasar. Gambar (c) menunjukkan emisi foton dan dan fonon

Intensitas radiasi yang diserap bergantung pada panjang mediumnya yang

dirumuskan sebagai

Dimana I’o adalah intensitas radiasi yang tidak mengalami refleksi dan β adalah

koefisien absorpsi

Gambar 8 Transmisi cahaya melalui medium transparan

8. Transmisi

Fenomena transmisi cahaya melalui suatu benda transparan dapat dirumuskan

sebagai berikut

Dimana R adalah reflektansi


Gambar 9 Variasi Panjang Gelombang Terhadap Fraksi Cahaya yang Ditransmisikan, Diserap,

dan Direfleksikan

9. Warna

Bahan transparan dapat berwarna sebagai konsekuensi dari panjang gelombang

tertentu rentang cahaya yang selektif diserap ; warna dilihat adalah hasil dari

kombinasi panjang gelombang yang ditransmisikan . Jika penyerapan adalah seragam

untuk semua panjang gelombang , maka bahan tersebut tidak berwarna

Gambar 10 Transmisi radiasi cahaya sebagai fungsi panjang gelombang untuk safir dan rubi

10. Luminesce

Beberapa material mempunyai kemampuan untuk mengabsorpsi energi dan

megemisikannya dalam bentuk cahaya, fenomena ini disebut luminescence.

Luminescence sendiri diklasifikasikan berdasarkan besarnya waktu delay antara

absorpsi dan reemisi. Jika reemisi muncul dalam waktu kurang dari 1 detik maka

fenomena ini disebut fluorenscence, untuk waktu yang lebih lama disebut

phosphorescence. Beberapa material bisa menghasilkan fluorenscence dan


phosphorescence diantaranya adalah sulfida, oksida, tungsten, dan beberapa

senyawa organik.

11. Fotokonduktivitas

Konduktivitas bahan semikonduktor tergantung pada jumlah elektron bebas dalam

pita konduksi dan juga jumlah hole di pita valensi. Energi panas yang berhubungan

dengan getaran kisi dapat mempromosikan eksitasi elektron di mana elektron bebas

dan / atau hole yang dibuat. Carrier tambahan dapat dihasilkan sebagai konsekuensi

transisi elektron foton - diinduksi di mana cahaya diserap ; kemunculan peningkatan

konduktivitas disebut fotokonduktivitas . Dengan demikian , ketika spesimen dari

bahan fotokonduktif menyala, konduktivitas meningkat.

12. LASER

Laser adalah alat yang menghasilkan cahaya berdasarkan prinsip ekstasi elektron

akibat adanya stimulus dari luar. Sehingga dari proses ekstasi tersebut elektron akan

kembali ke tingkat energi asalnya yang mana dalam proses tersebut akan

menghasilakan foton. Namun pada laser sinar yang dihasilkan adalah koheren, yang

artinya memiliki fase yang sama di setiap posisi. Berikut ini adalah beberapa jenis

laser dan fungsinya

Tabel 2 Sifat dan Aplikasi dari Beberapa Jenis LASER


Sifat Thermal Bahan

1. Pendahuluan

Sifat thermal mengacu pada respon material terhadap panas. Ketika padatan

menyerap energi dalam bentuk panas, suhu dan dimensi akan meningkat. Energi

dapat disebarkan ke daerah yang lebih dingin dari spesimen bila gradien suhu ada,

dan pada akhirnya, spesimen bisa meleleh. Kapasitas panas, ekspansi termal, dan

konduktivitas termal adalah sifat yang sering penting dalam pemanfaatan praktis

padatan.

2. Kapasitas Kalor

Menyatakan jumlah energi yang dibutuhkan bahan untuk mengakibatkan

kenaikan temperatur dan biasanya dinyatakan pada setiap mol bahan. Satuannya

adalah J/mol K.

Apabila dinyatakan dalam per unit massa, maka disebut kalor spesifik c dengan satuan J/kgK. Terdapat 2 jenis kapasitas kalor, yaitu saat volume konstan (Cv) dan

saat tekanan konstan (Cp) dimana Cp > Cv meskipun perbedaannya tidak terlalu jauh

pada padatan di temperatur ruangan. Energi termal pada bahan muncul akibat energi getaran pada atom – atom dalam frekuensi tinggi yang juga berperan pada perpindahan energi saat proses konduksi. Kapasitas kalor pada volume tetap dipengaruhi temperatur hingga titik yang

disebut temperatur Debye. Mulai titik itu, nilai Cv mendekati 3R dimana R adalah

konstanta gas.

Gambar 1 Hubungan antara Temperatur dan Kapasitas Panas

3. Ekspansi Termal

Material akan memuai ketika dipanaskan dan menyusut ketika didinginkan. Perubahan panjang terhadap temperatur dirumuskan sebagai berikut:


dimana lf: panjang akhir (m)

l0: panjang awal (m)

Tf: temperatur akhir(⁰C)

T0: temperatur awal (⁰C)

α: koefisien muai panjang (⁰C)-1

Selain perubahan panjang, juga ada perubahan volume yang dirumuskan dengan:

Notasinya hampir sama hanya saja untuk koefisiennya adalah 3 kali koefisien muai panjang. Secara atomik, ekspansi termal direpresentasikan oleh pertambahan jarak antar

atom yang mengakibatkan energi potensial dan digambarkan melalui grafik berikut.

Gambar 2 Hubungan antara Energi Potensial dengan Jarak

Material keramik mempunyai koefisien muai yang paling kecil dibanding material

logam dan komposit karena ikatan antar atom yang kuat. Namun, material ini dapat

mengalami thermal shock karena perubahan dimensi yang tidak uniform ketika

dipanaskan.

4. Konduktivitas Termal

Merupakan suatu sifat yang menyatakan kemampuan bahan menghantarkan panas.

Biasanya digunakan dalam proses konduksi dan dirumuskan sebagai berikut:

dimana q: heat flux (W/m2) k: konduktivitas termal (W/m.K) dT/dx: gradien temperatur


Tanda (-) menunjukkan gradien temperatur menurun dari temperatur tinggi ke

temperatur rendah.

Konduktivitas termal bahan terdiri dari vibrasi kisi (kl) yang dipengaruhi oleh

pergerakan phonon dan konduktivitas termal elektron (ke) yang dipengaruhi oleh

konsentrasi elektron bebas.

Bahan keramik dan polimer mempunyai konduktivitas termal yang

rendah karena konsentrasi elektron bebasnya sedikit.

5. Tegangan Termal

Merupakan tegangan yang dialami suatu bahan akibat perubahan temperatur yang

dapat menyebabkan deformasi bahan tersebut. Dapat disebabkan beberapa hal

antara lain: ekspansi/kontraksi termal

dimana σ: tegangan

E: modulus elastisitas bahan

selain itu, juga dapat disebabkan pemanasan dan pendinginan secara tiba – tiba dan

thermal shock untuk material yang mudah rapuh.

sifat optik dan termal material

Education