SIFAT OPTIK POLIMER

APRIANY SALUDUNG (1112140004)

FAJAR ASHAR (091214015 )

ZAINAL ABIDIN (101214024 )

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI MAKASSAR

2014

SIFAT OPTIK POLIMER

A. Sifat Dasar dari Gelombang Elektromagnetik

Radiasi elektromagnetik terdiri dari medan-medan simultan

yang bervariasi secara periodik terhadap posisi dan

waktu, terdiri dari medan listrik dan medan magnet

seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.1. Arah medan

listrik dan medan magnetik saling tegak lurus dan

keduanya tegak lurus terhadap arah rambat gelombang

(transversal). Perubahan medan listrik dan medan magnetik

terjadi pada saat yang bersamaan, sehingga kedua medan

memiliki harga maksimum dan minimum pada saat yang sama

dan pada tempat yang sama.

Gambar 4.1. Diagram yang menunjukkan hubungan antara medanlistrik dan medan magnet untuk bidang cahaya terpolarisasi

Kecepatan rambat (c ) adalah perkalian dari panjang

gelombang (λ) dengan frekuensi (υ), jumlah gelombang

persatuan waktu, atau

c=λυ

c memiliki nilai 3,00 x 108 m/s pada ruang hampa.

Spektrum elektromagnetik meliputi luas panjang gelombang

dengan rentang dari 10-10m, untuk daerah sinar x, hingga

105 m, untuk daerah frekuensi gelombang radio lemah.

Cahaya tampak dengan panjang gelombang dari 300 nm (ungu)

hingga 800 nm (merah) merupakan bagian kecil dari

spektrum elektromagnetik.

B. Refraksi

Interaksi antara medan listrik dan materi dapat

dijelaskan dalam syarat-syarat dari polarisasi. Momen

dipol terimbas dalam materi oleh medan listrik dalam

perambatan gelombang. Hasil dari polarisasi pada level

mikroskopik disebut refraksi (pembelokan cahaya). Radiasi

elektromagnetik melintasi media polarisasi dari kecepatan

dalam ruang hampa, c, menuju kecepatan yang lebih rendah

dalam material, vm. indeks refraksi (η) didefinisikan

η=cvm

Frekuensi dari perambatannya konstan dan tidak berubah

antara ruang hampa dan mediumnya, sehingga, dari

persamaan 4.1 dan 4.2,

η= cvm

=υλ0υλ

=λ0

λ

Dengan λ0 merupakan panjang gelombang dalam ruang hampa,

dan λ merupakan panjang gelombang dalam medium. Indeks

refraksi untuk cahaya tamapak biasanya lebih besar dari

satu. Untuk polimer, η biasanya mencapai 1,5. Nilai yang

lebih kecil dari satu dapat ditemukan pada sinar x dan

neutron.

Gambar 4.2. hubungan antara sudut datang dan sudut bias sebagaicontoh dari Hukum Snellius.

Nilai η dapat dihitung menggunakan Hukum Snellius,

η=sinθIsinθr

Dimana θI merupakan sudut datang dan θr, merupakan sudut

refraksi (gambar 4.2). Indeks refraksi berhubungan dengan

polarisasi per satuan volume, P, dengan menggunakan

persamaan Lorentz

η2−1η2+2

=(43 )πPdengan P = Nα= polarisasi persatuan volume

α= m/E = polarisasi molekuler

dan

N = jumlah molekul persatuan volume

C. Hamburan (scattering)

Hamburan dan polarisasi cahaya timbul dari fluktuasi dari

indeks refraksi yang berhubungan dengan elektron terluar.

Hamburan sinar-X tergantung pada fluktuasi kerapatan

elektron di mana semua elektron memiliki kontribusi yang

sama. Dengan demikian, ada efek polarisasi dalam hamburan

cahaya tetapi tidak dalam hamburan sinar x. Hamburan

neutron, sebaliknya, adalah terkait dengan fluktuasi

neutron hamburan panjang gelombang biasanya terkait

dengan fluktuasi korelasi dari berbagai jenis isotropik.

Medan listrik E yang timbul pada sebuah atom memenuhi

persamaan

E=E0cosωt

Dimana E0 adalah amplitudo dari medan insiden, dan ωadalah frekuensi sudut. Jika polarisabilitas atom dalam

medan gaya isotropik diberikan oleh α, momen dipol, m,

akan diinduksi

m=αE=E0αcosωt

Persamaan ini mengasumsikan bahwa frekuensi dari radiasi

sangat kecil dibandingkan dengan frekuensi resonansi

sehingga dipol bergetar dalam fasa dengan medan. Menurut

teori elektromagnetik, osilasi dari dipol akan timbul

sebagai sumber radiasi sekunder dari amplitudo

Dimana c adalah kecepatan cahaya, dan r adalah jarak

pengamat dari penghambur. Sudut ψ merupakan sudut antara

momen dipol dan bidang polarisasi yang dilihat oleh

pengamat. Dengan menggabungkan kedua persamaan di atas,

diperoleh

untuk amplitude dari medan listrik pada pusat hamburan,

dan

dimana ϕ merupakan sudut fase dengan

Untuk kasus hamburan Thomson

Dimana q merupakan pembawa muatan elektron dan m0 adalah

massa elektron. Harus diketahui bahwa hamburan Thomson

tidak bergantung pada frekuensi dan polarisasi sementara

hamburan Reyleigh bergantung pada frekuensi dan

polarisasi. Kemampuan hamburan sinar X hanya bergantung

pada jumlah elektron dari sebuah atom. Hamburan neutron

bergantung pada sifat-sifat nuklir. Karena itu, hidrogen

merupakan penghambur neutron yang kuat, meskipun ia juga

merupakan penghambur elektron yang lemah. Kedua kasus

tersebut dapat diubah dari bentuk trigonometri menjadi

bentuk eksponensial kompleks

Kuat medan total dapat dituliskan sebagai berikut

Pernyataan tersebut merupakan persamaan dasar dari teori

hamburan.

D. Difraksi

Difraksi adalah kasus khusus dari hamburan yang muncul

ketika jaraknya tetap atau teratur. Jarak antara atom-

atom dalam kristal berada dalam orde amstroms (10-10 m).

persamaan vektor gelombang Bragg menggambarkan fenomena

difraksi dan dapat diperoleh menggunakan pendekatan kisi

resiprok.

Kisi Resiprok

Sel satuan kristal dibangun oleh vektor-vektor basis a1,

a2, dan a3. Sebaliknya dapat didefinisikan kisi balik

(resiprocal lattice) yang dibangun oleh vektor-vektor

basis b1, b2, dan b3 yang diberikan oleh

Dengan [a1a2a3] merupakan triple product

Gambar 4.11. sel satuan kristal yang dibangun oleh vektor-vektor basis

Ingat kembali A•B =AB cos θAB untuk perkalian skalar

(gambar 4.12)

AxB = AB sin θABk untuk perkalian vektor

Gambar 4.12. Diagram yang menunjukkanhubungan angular antara vektor A dan B

k adalah vektor satuan tegak lurus terhadap A dan B.vektor kisi resiprok,H, didefinisikan oleh

h1, h2, dan h3 merupakan integer yang disebut indeks Miller

(biasanya ditandai dengan h,k,l)

selesaikan perkalian produk a1 • H

Ingat bentuk

Sama halnya dengan

Karena (a3 x a1) tegak lurus terhadap a1, perkalian dotnya

dengan a1 sama dengan nol.

dan secara umum

dimana

Dengan demikian

Sama halnya dengan

Dan

Hal ini dapat dibandingkan dengan persamaan dari interferensi

konstruktif untuk kristal tiga dimensi

Jelas bahwa persamaan ini memiliki bentuk yang sama dan identik

jika

dan

Interpretasi Persamaan Bragg

Persamaan 4.70 merupakan persamaan vektor Bragg yang

menyatakan hubungan antara H, sebuah vektor karakteristik

sebuah bidang kristal dan s, sebuah vektor dari geometri

hamburan untuk terjadinya interferensi konstruktif.

Sebagai persamaan vektor, harus memenuhi 2 kondisi

Arah dari H dan s harus sama

Besar keduanya harus sama

Kondisi pertama mendefinisikan orientasi dari kristal

untuk syarat terjadinya difraksi. Kondisi kedua mengacu

pada persmaan skalar Bragg ;

dimana

n= orde difraksi

d= jarak antar bidang kristal

θB= Sudut Bragg (θ/2)jarak antar bidang kristal diberikan oleh persamaan

E. Penyerapan (absorption)

Dari sudut pandang mekanika kuantum, syarat absorbsi

adalah bahwa energi foton harus sama dengan selisih

antara energi dari dua keadaan sistem,

ħυ=E2−E1

dengan ħ merupakan konstanta Planck, E1 dan E2 merupakan

energi dari keadaan yang lebih rendah dan yang lebih

tinggi dan υ merupakan frekuensi foton.

Koefiesien pemadaman, ε, dari sebuah material dengan

ketebalan, 1, didefinisikan sebagai

ε=(1l )ln(I0

It )Dimana It adalah intensitas transmisi dan I0 adalah

intensitas sinar datang.

F. Fluorescence

Fluoresensi adalah terpancarnya sinar oleh suatu zat yang

telah menyerap sinar atau radiasi elektromagnet lain.

Radiasi yang diserap dapat kembali dipancarkan pada

frekuensi yang berbeda karena bagian dari energi dari

sinar datang ditransfer ke keadaan molekul atau elektron

lain dan keseimbangan dapat dipancarkan sebagai sebuah

foton frekuensi yang lebih rendah. Perubahan energi untuk

foton diberikan oleh

ħ (va−vc )=∆E

dengan va merupakan frekuensi getaran dan vc adalah

frekuensi yang diemisikan. Jika radiasi yang diserap

terpolarisasi dalam arah vektor satuan P dan radiasi yang

diemisikan terlihat dengan sebuah analisis radiasi

transmisi terpolarisasi sepanjang vektor satuan A, maka

intesitas dari cahaya yang diemisikan adalah

di mana Ma adalah vektor satuan sepanjang arah transisi

penyerapan, Me vektor satuan sepanjang arah momen transisi

emisi (Gambar 4.15) dan K adalah konstanta

kesebandingannya.

Gambar 4.15. ilustrasi hubungan antara vektor-vektor pada fluorescence dan hamburanRaman

G. Refraksi Ganda (birefringence)

Teknik refraksi ganda mampu untuk mengukur tekanan dalam

material. Hukum Brewster menyatakan bahwa refraksi ganda

dari sebuah material sebanding dengan tekanan yang

diterapkan pada material tersebut. Konstanta

kesebandingannya dihitung dari Hukum Brewster yang

memenuhi syarat stress-optical coefficient (SOC) atau koefisien

tekanan optik dan diberikan oleh persamaan

Persamaan ini memprediksi bahwa refraksi ganda secara

langsung sebanding dengan tekanan yang diterapkan,

sebaliknya berbanding terbalik dengan temperatur.

H. Hamburan dari Media tidak Homogen

Pernyataan dasar dari hamburan adalah

Struktur dari sistem hamburan menentukan besarnya F.

Intensitas hamburan diperoleh dengan mengambil produk

dari kuat medan dan konjugat kompleks yang diberikan oleh

persamaan

dimana tanda bintang merepresentasikan konjugat kompleks.

I. Hamburan Cahaya Quasi-elastic

Hamburan cahaya quasielastic (QLS), merupakan metode

optik yang cocok untuk menentukan koefisien difusi

molekul serta mobilitas dalam emulsi polimer massal .

Misalnya, ada peningkatan dalam lebar spektrum frekuensi

pada pemanasan suhu melalui kaca sebagai peningkatan

mobilitas. Dalam kasus yang menguntungkan , gerak

translasi dan rotasi dapat dibedakan dengan mengamati

perilaku polarisasi.

Teknik kuasi - elastis juga dapat diterapkan untuk jenis

hamburan lain. Misalnya, seperti yang difasilitasi oleh

teknik spin gema , metode ini dapat dapat diterapkan

untuk hamburan neutron untuk melihat mobilitas daerah

kecil pada panjang gelombang cahaya yang lebih besar .

J. Variasi Hamburan dengan Medan Listrik

Perubahan hamburan cahaya polimer konvensional dengan

medan listrik dan medan magnet kecil. Namun, efek yang

jauh lebih besar dapat diperoleh dengan sistem kristal

cair yang memiliki orientasi yang sama. Sebuah cara

menggabungkan sifat mekanik yang diinginkan dari polimer

dengan waktu respon yang cepat dari kristal cair dengan

berat molekul rendah adalah melalui penggunaan polimer

kristal cair terdispersi. Ini terdiri dari tetesan atau

domain kristal cair berat molekul rendah atau matriks

polimer . Dengan tidak adanya medan, hal ini mungkin

menjadi hamburan besar sebagai konsekuensi dari kedua

fluktuasi orientasi dalam kristal cair serta indeks

mismatch antara kristal cair dan matriks. Dengan desain

yang tepat , kedua sumber hamburan dapat dikurangi

setelah menerapkan medan , yang menghasilkan orientasi

molekul .

K. Optik Non – Linear

Sifat optik nonlinier (ONL) didefinisikan sebagai gejala

yang disebabkan oleh pengaruh medan optik yang kuat

terhadap suatu bahan. Seperti dijelaskan oleh persamaan

sebelumnya, misalnya , medan listrik yang diukur dengan

polarisabilitas ( P ) diinduksi dalam sebuah atom yang

berhubungan linier dengan amplitudo medan listrik ( E )

oleh konstanta kesebandingan polarisabilitas α .

Munculnya laser intensitas tinggi yang memberikan radiasi

dengan intensitas tinggi menyebabkan medan listrik yang

tinggi telah meningkatkan berbagai respon dalam sebuah

atom di luar jangkauan linear. Alasan untuk perkalian

frekuensi dengan optik non - linear dapat dilihat dari

kenyataan bahwa amplitudo dari cahaya yang tersebar

diberikan

L. Bahan Piezo –Electric

Bahan piezoelektrik adalah suatu bahan yang apabila

diberi stress(tekanan) mekanik akan menghasilkan medan

listrik sebaliknya apabila medan listrik diterapkan pada

bahan piezoelektrik akan terjadi deformasi mekanik

(perubahan dimensi bahan). Sifat yang reversibel ini

membuat material piezoelektrik dapat berfungsi sebagai

transduser.

piezo - electric modulasi berguna untuk perangkat seperti

polarimeter dan spektrometer dimana seseorang ingin

mempelajari fenomena optik sebagai fungsi dari polarisasi

. Polimer Piezo - electric sering berbentuk poli

( fluoride vinilidena ) di mana sel satuan memiliki momen

dipol residual .

M. Efek Kerr

Kita telah melihat bahwa molekul dapat berorientasi dalam

medan listrik . Jika molekul ini anisotropik , orientasi

tersebut menghasilkan refraksi ganda. Hal ini merupakan

efek Kerr . Orientasi dapat terjadi karena molekul

memiliki momen dipol permanen , atau mungkin timbul

karena suatu anisotropik yang diinduksi oleh momen dipol

dengan molekul yang memiliki polarizabilitas

anisotropik .

Gambar 4.18. sketsa dari sel Kerr yang mengilustrasikan aplikasi dari saklarpemecah cahaya

Sebuah sel Kerr dapat digunakan untuk beralih atau

memodulasi sinar dengan menempatkannya di antara kutub-

kutub berseberangan ( Gambar 4.18 ) . Efek ini ditemukan

digunakan dalam perangkat listrik optik. Efek Kerr bisa

sangat besar dengan sistem kristal cair di mana orientasi

bersama dapat terjadi . Hal ini ditemukan pada

penggunaannya dalam perangkat layar . Namun yang biasa

digunakan adalah polimer dengan bentuk kristal cair.

Keuntungan dari polimer adalah dari integritas

mekaniknya.