INSTRUMENTASI POLARIMETER

POLARIMETER

1.       Landasan Teori

Interferensi dan difraksi dapat terjadi pada semua jenis gelombang, misalnya gelombang bunyi, gelombang tali, gelombang pada permukaan cairan ataupun gelombang cahaya. Polarisasi hanya dapat diamati pada gelombang transversal.yang terdapat pada gelombang tali dan cahaya dan tidak terdapat pada gelombang bunyi, karena gelombang bunyi termasuk gelombang longitudinal.

Percobaan sederhana yang membuktikan bahwa cahaya adalah gelombang transversal yang paling mudah yaitu dengan menggunakan lempeng polaroid identis seperti yang digunakan pada kaca mata hitam. Setiap lempeng cukup transparan dan bila satu lempeng ditempatkan di atas yang lain , maka yang terlihat masih transparan. Tetapi bila salah satu diputar perlahan-perlahan daerah yang tumpang tindih akan menjadi gelap.

Berabad-abad sebelum penemuan lempeng polaroid, peristiwa tersebut diamati dengan menggunakan kristal tertentu yang secara alamiah seperti kalsit. Dalam kenyataan, Newton meninjau peristiwa ini sebagai bukti melawan teori gelombang cahaya karena setiap orang kemudian mengandaikan bahwa cahaya adalah gelombang longitudinal. Namun demikian tidak seorangpun dapat menjelaskan bagaimana intensitas gelombang longitudinal dapat terpengaruh dengan perputaran sesuatu di sekitar sumbu sejajar pada arah gerak gelombang.

Pada tahun 1817, F. Young merupakan orang pertama yang menunjukkan bahwa cahaya adalah gelombang transversal. Gelombang longitudinal hanya dapat bergetar satu arah, sedang gelombang transversal dapat bergetar pada berbagai arah yang terletak pada bidang yang tegak lurus pada arah gerak. Dalam suatu berkas cahaya yang tertutup, semua rentetan bergerak dalam arah lintang yang sama sehingga berkas tersebut dapat disajikan oleh amplitudo A.

Simpangan titik-titik pada tali tegak lurus dengan arah rambat gelombangnya. Ada gelombang yang simpangannya menjalar menurut bidang XOY (bidang vertikal). Ada juga gelombang yang simpangannya menurut bidang XOZ (bidang horisontal). Kedua gelombang tersebut mungkin resultan dari gelombang-gelombang yang arah simpangannya sembarang arah. Jadi gelombang transversal apapun dapat ditampilkan sebagai resultan dari dua komponen gelombang, yang satu hanya memiliki simpangan pada sumbu y, yang lainnya hanya ada pada sumbu z.

Gelombang yang terpolarisasi pada sumbu Y disebut terpolarisasi linear pada sumbu Y. Gelombang yang hanya menyimpang pada sumbu Z disebut terpolarisasi linear pada sumbu Z. Supaya cahaya bisa terpolarisasi digunakan filter yang hanya meneruskan gelombang-gelombang pada arah polarisasi tertentu saja.

Filter polarisasi cahaya dikenal dengan nama polaroid. Polaroid digunakan pada kaca mata pelindung sinar matahari (sunglasess) dan pada filter polarisasi lensa kamera. Cara kerja polaroid berdasarkan prinsip penyerapan, yaitu meneruskan 80% atau lebih gelombang-gelombang yang terpolarisasi sejajar dengan sumbu polarisas, serta hanya melewatkan 1% atau kurang gelombang yang tegak lurus dengan sumbu polarisasi.

Dari uraian tersebut dapat didefinisikan bahwa polarisasi adalah terserapnya sebagian arah geter cahaya. Cahaya yang sebagian besar arah getarnya terserap disebut cahaya terpolarisasi, dan jika cahaya hanya mempunyai satu arah gelombang disebut cahaya terpolarisasi linear.

Cahaya terpolarisasi dapat diperoleh dari cahaya yang tidak terpolarisasi. Yaitu dengan menghilangkan (memindahkan) semua arah getar dan melewatkan salah satu arah getar saja. Ada empat cara untuk melakukan hal itu :

*      Penyerapan selektif

*      Pemantulan

*      Pembiasan ganda

*      Hamburan

Polarisasi dengan penyerapan selektif

Teknik yang umum dipakai untuk menghasilkan cahaya terpolarisasi adalah menggunakan polaroid, yang akan meneruskan gelombang-gelombang yang arah getarnya sejajar dengan sumbu polarisasi dan menyerap gelombang-gelombang pada arah getar lainnya. Oleh karena itu, teknik ini disebut polarisasi dengan penyerapan selektif. Suatu polaroid ideal akan meneruskan semua medan yang sejajar dengan sumbu polarisasi dan menyerap semua yang tegak lurus dengan sumbu polarisasi.

Jadi analisator berfungsi mengurangi intensitas cahaya yang terpolarisasi. Intensiras cahaya yang diteruskan akan mencapai maksimum, jika kedua sumbu polarisasi sejajar, dan mencapai minimum jika kedua sumbu polarisasi saling tegak lurus.

Polarisasi dengan pemantulan

Jika cahaya menuju kebidang batas antara dua medium, maka sebagian cahaya akan dipantulkan. Ada tiga kemungkinan cahaya yang terpantul yaitu:

*      Cahaya pantul tidak terpolarisasi

*      Cahaya pantul terpolarisasi sebagian

*      Cahaya pantul terpolarisasi sempurna

ketiga kemungkinan diatas tergantung pada besaran sudut datang cahaya. Cahaya pantul tidak terpolarisasi jika sudut datang 00 (searah garis normal bidang batas) atau 900 (searah bidang batas). Cahaya pantul terpolarisasi sebagian jika sudut datang antara 00 sampai 900. Cahaya pantul terpolarisasi sempurna jika sudut datang mempunyai nilai tertentu (disebut sudut polarisasi).

Cahaya dapat diuraikan menjadi dua komponen arah getar. Yang satu sejajar dengan bidang (dinyatakan oleh titik) dan yang satu tegak lurus dengan komponen pertama (dinyatakan dengan panah). Ternyata komponen yang sejajar dipantulkan lebih kuat daripada komponen tegak lurus, hal ini dikatakan sinar pantul terpolarisasi sebagian.

Sinar datang kemudian dilambangkan dengan I, lalu diubah sampai sinar bias dan sinar pantul membentuk sudut 900, pada sudut ini ternyata sinar pantul terpolarisasi sempurna dengan arah getar sejajar dengan bidang. Sudut datang tersebut disebut sebagai sudut polarisasi.

Prinsip polarisasi pemantulan dimanfaatkan pada kaca pelindung sinar matahari dan lensa. Kaca mata pelindung sinar matahari dibuat dari bahan polaroid untuk mengurangi intensitas sinar pantul matahari (mengurangi kilau cahaya matahari).

Polarisasi dengan pembiasan ganda

Jika cahaya melalui kaca, maka cahaya  lewat dengan kelajuan sama ke segala arah. Ini disebabkan kaca mempunyai satu indeks bias. Tetapi dalam bahan kristal tertentu seperti kalsit dan kuarsa. Kelajuan cahaya tidak sama untuk ke segala arah. Ini disebabkan kristal mempunyai lebih dari satu nilai indeks bias. Jadi cahaya yang lewat mengalami pembiasan ganda.

Jika seberkas sinar datang searah garis normal, maka sinar ini akan dibagi menjadi dua sinar. Sinar pertama diteruskan tanpa pembelokan disebut sebagai sinar biasa. Sinar kedua dibelokkan, dan  disebut sebagai sinar istimewa. Peristiwa ini disebut sebagai polarisasi dengan pembiasan ganda.

Jadi polarisasi pembiasan ganda terjadi pada kristal yang memiliki lebih dari satu nilai indeks bias. Jika seberkas sinar datang searah dengan sumbu normal, maka akan dibagi menjadi dua, yaitu sinar biasa dan sinar istimewa.

Polarisasi dengan hamburan

Jika cahaya datang pada suatu sistem (misal. gas), maka elektron-elektron dalam partikel dapat menyerap dan memancarkan kembali sebagian dari cahaya. Penyerapan dan pemantulan kembali ini disebut sebagai hamburan. Hamburan inilah yang menyebabkan cahaya matahari mengenai pengamat di bumi terpolarisasi sebagian.

Hamburan jugalah yang menyebabkan langit tampak biru. Berdasarkan analisis tentang hamburan, untuk intesitas cahaya tertentu, intensitas cahaya yang dihamburkan bertambah dengan bertambahnya frekuensi. Karena cahaya biru mempunyai frekuensi yang lebih tinggi dari cahaya merah, maka cahaya biru dihamburkan lebih banyak dari cahaya merah.

Pada polarimeter terdapat polarisator dan analisator. Polarisator adalah Polaroid yang dapat mempolarisasi cahaya, sedangkan anlisator adalah Polaroid yang dapat menganalisa/mempolarisasikan cahaya. Apabila cahaya melalui polarisator maka bidang getar polarisator akan diserap atau dipadamkan sehingga cahaya yang dapat melalui polarisator adalah cahaya yang mempunyai bidang getar polarimeter. Sebaliknya cahaya yang melalui analisator maka bidang getar polarisator akan dipadamkan dan yang tinggal hanyalah cahaya yang mempunyai bidang getar analisator. Larutan yang akan diperiksa diletakkan antara polarisator dan analisator. Larutan optis aktif adalah larutan yang dapat memutar bidang polarisasi. Apabila diketahui besar sudut putar bidang polarisasi oleh larutan yang diperiksa maka kadar/konsentrasi zat optis aktif dalam larutan yang dipergunakan dapat dihitung dengan menggunakan rumus : P = Bt . C . L Dimana : P = Besarnya sudut antara bidang polarisasi (hasil pengamatan ) Bt= Sudut putar spesifik zat optis aktif yang digunakan pada toC. C = Kadar/ konsentrasi zat optis aktif ( gram/cc) L = Panjang tabung pemeriksa Catatan : Bt diperoleh pada tabel (dengan standar temperature 20oC ) Contoh : B20 untuk gula pasir ( sacharossa) = 66.52 Koreksi temperature Bt = B¬20 (1+ C (t-20) Dimana C = bilangan konstan yang merupakan koefisien sudut putar spesifik dan besarnya untuk gula adalah -0.009 (negative).

2.       Fungsi Polarimeter

·         Polarimeter adalah alat laboratorium yang digunakan untuk menentukan sudut optik rotasi pesawat-terpolarisasi cahaya yang melewati sebuah sampel material.

·         Polarimeter adalah alat untuk mempelajari sebuah sampel transparan antara perangkat polarisasi menyeberang.

 

3.       Macam-macam Polarimeter

Dilihat dari segi waktu pembuatan, polarimeter dibedakan menjadi 2, yaitu :

a.       Polarimeter kuno

b.       Polarimeter modern

a)       Polarimeter Kuno

a.          Jean-Baptiste Biot (1774-1862) mengembangkan Polarimeter di sebelah kanan, yang dibuat oleh Soliel / Duboscq Paris ca. 1850.  1850.The polarizer di sisi kanan menggunakan satu piring dari kaca, sementara di sebelah kiri analyzer menggunakan kaca tumpukan piring Sampel diletakkan antara kedua perangkat. Polarimeter ini adalah koleksi dari Dartmouth College.

b.      Para Polariscope di kanan adalah dalam Millington / Barnard Koleksi di Museum Universitas University of Mississippi. Hal ini ditandai, dan dasar (dan paling mahal) tipe, menggunakan polarisasi oleh refleksi baik bagi polarizer dan analyzer.

c.       Polarimeter yang tampak di atas adalah koleksi dari Universitas di Inggris. Sampel diletakkan pada bagian atas kotak kayu berbentuk kubus.. Cahaya yang masuk terpolarisasi baik oleh kaca diagonal piring atau satu di dalam kotak analyzer adalah pelat kaca di dalam drum kayu. Polarimeter di sebelah bawah adalah sepasang pelat kaca polarisasi yang di temukan di kamar demonstrasi di Glasgow University pada tahun 1978. Polarimeter ini diperkirakan sudah digunakan oleh Lord Kelvin dalam kuliah-kuliahnya satu abad sebelumnya.

d.      Polarimeter kecil di sebelah kanan dibuat oleh Alfred L. Robbins-Martin Co of Chicago. polarimeter ini hanya 32 cm.
Gelas piring dari mana cahaya terpolarisasi dipantulkan kembali berwarna  hitam yang berdifusi ke kaca hilang yang berdiameter kecil. Prisma Nicol berada dalam kondisi bekerja ketika diuji terhadap sinar matahari memantulkan dari lantai kkayu wax. Polarimeter ini dalam Greenslade Koleksi.

e.       Polarimeter ini ada di Greenslade Koleksi. Nama Perusahaan Listrik Ziegler Boston dicap ke dalam sisi. Namun, ia memiliki bentuk yang sama, termasuk hiasan pada penjepit tegak, sebagai Polarimeter tercantum dalam katalog dari 1916 LE Aparat Knott Perusahaan dari Boston, yang terdaftar itu di $ 8,00. Polarimeter ini tidak memiliki skala, adalah benar sebuah polariscope.

f.        polarimeter di kanan dibeli oleh Akademi Militer Amerika Serikat pada 1829, mungkin dari Lerebours kota Paris, dan digunakan untuk penentuan sudut Brewster untuk sampel cair atau padat. Sebuah unpolarized sinar cahaya dari sumber berdiameter kecil didefinisikan oleh sebuah lubang di braket pada akhir lengan yang berputar, dan cahaya pantulan dilihat melalui lensa mata, yang mengandung kristal kalsit. Kalsit analisa yang menghasilkan dua gambar dari lubang di braket, dan di sudut Brewster untuk sampel salah satu menghilang. Permukaan refleksi diatur sejajar dan sepanjang 90 ° garis lingkaran dibagi oleh menyesuaikan sekrup. Lensa mata dapat dipindahkan ke luar untuk memeriksa cahaya tercermin dari cairan dalam panci alun-alun di sebelah permukaan padat. polarimeter ini di Smithsonian Institution.

g.      Polarisasi aparat di sebelah kanan adalah Dartmouth College, dan dibuat oleh Widdefield dan Co Boston.. Di bawah adalah empat persegi panjang hitam kaca untuk menghasilkan cahaya terpolarisasi oleh refleksi.

h.      Optik ini analisa oleh J. Duboscq Paris adalah dalam Koleksi Garland Fisika Klasik aparatur di Universitas Vanderbilt. Hal ini tercantum dalam katalog 1885 Duboscq sebagai Aparatur untuk Pengulangan Malus's Percobaan oleh Proyeksi, dan biaya 150 franc Aparat tidak lengkap, namun penggunaannya dapat disimpulkan dari potongan di bawah ini dari katalog.

i.        polarimeter ini digunakan untuk mempelajari fenomena dalam Koleksi Garland Bersejarah Fisika Aparatur di Universitas Vanderbilt. Ini terdaftar dalam katalog 1885 Duboscq sebagai "Aparat Jules Duboscq, untuk menunjukkan semua fenomena linear, lingkaran, elips, berwarna dan rotari polarisasi, dan menyelidiki optik kristal dengan satu poros dan dengan dua sumbu optik." Banyak bagian-bagian lain disimpan dalam kotak di mana aparat berdiri.

j.        Para Polarimeter di sebelah kanan adalah di Millington / Barnard Koleksi di University of Mississippi. Mungkin itu dibeli pada paruh kedua tahun 1850-an dari Lerebours et Secretan Paris oleh Prof Frederick Barnard. Hal ini tercantum dalam L & S 1853 katalog sebagai Arago's polariscope dan dirancang untuk menunjukkan hukum-hukum cahaya terpolarisasi oleh refleksi dan pembiasan. Biaya adalah 100 franc, atau sekitar $ 20. Arago adalah François Jean Dominique Arago (1786-1853), para astronom dan fisikawan Perancis yang juga memperkenalkan penemuan Daguerre JLM fotografi ke Academy pada tahun 1831.

k.       Instrumen ini, juga di Museum Universitas University of Mississippi, terdaftar di L & S 1853 katalog seperti Biot's polariscope         

l.        Contoh gambar polarimeter yang lain

Smithsonian Institution Smithsonian Institution

m. 

Hampden-Sydney College                                                   Smithsonian Institution Hampden-Sydney College Smithsonian Institution

Miami University                                                              Allegheny College Miami University Allegheny College

b)     . Polarimeter Modern
Penggunaan Polarimeter modern sudah sangat mudah sekali digunakan. Pengguna hanya perlu memasukkan sampel kedalam alat polarimeter kemudian polarimeter akan melakukan fungsinya dengan menekan tombol dan polari akan memberikan data yang dibutuhkan.

1.       Prinsip Dasar Polarimeter

Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yang terdiri dari getaran medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus. Bidang getar kedua medan getar ini tegak lurus dengan arah rambatnya. Gelombang ini bergetar ke segala arah sehingga disebut sinar tak terpolarisasi. Apabila sinar ini melalui suatu polarisator maka sinar yang diteruskan mempunyai arah getar yang sama.

Bila arah transmisi polarisator sejajar dengan arah transmisi analisator, maka sinar yang mempunyai arah getar sama dengan arah polarisator akan diteruskan seluruhnya. Tetapi apabila arah transmisi polarisator tegak lurus terhadap analisator maka tidak ada sinar yang diteruskan. Apabila arahnya membentuk suatu sudut maka yang diteruskan hanya sebagian.

Sinar terpolarisasi linear yanjg melalui suatu larutan optik aktif akan mengalami pemutaran bidang polarisasi. Pemutaran bidang getar dari zat optik aktif dapat diamati dengan menggunakan 2 polarisator silang. Sudut putar adalah sudut yang ditunjukan oleh analisator setelah sinar melewati larutan dan membentuk gelap maksimum. Besar sudut putar bidang polarisasi dapat dinyatakan sebagai :

α =[α]²⁰_D C        [derajat g/ml]

dengan α =[α]²⁰_D adalah daya putar spesifik yang di definisikan sebagai sudut polarisasi sinar natrium-d (panjang gelombang=589 nm) yang melalui larutan di dalam tabung.

Cara Dasar Penggunaan polarimeter Bidang polarisasi dari cahaya dari natrium polizer diputar saat melewati larutan zat aktif optik seperti sukrosa. Sejauh mana rotasi ditentukan dengan memutar analyzer sampai tidak ada cahaya mencapai pengamat. Celah- celah di analyzer kemudian pada sudut kanan pesawat akhir polarisasi. Instrumen yang digunakan dalam polarimetry yang menggunakan dua prisma Nicol, satu tetap (yang polarizer) dan satu rotatable (si analyzer), dengan sampel di antara mereka, untuk mengukur aktivitas optik dan aspek lain dari polarisasi. Analisa rotasi dilakukan di akhir observasi dan terdiri dari prisma analisa Nicol, skala lingkaran yang mempunyai tanda ukur dan teleskop yang mempunyai pembagi batas tengah. Pada bebrapa alat, skala sebuah thermometer juga digunakan untuk meningkatkan keakuratan rotasi.             Penghitungan kasar dari analisa ditentukan dengan cara yang paling mudah yaitu dengan memutar roda ukur. Skala roda ukur terbagi kedalam 360⁰ dan dapat dilihat melalui dua teropong yang diterangi yang tedapat pada stiap sisi bagian drpan polarimeter (Gb.7 – 2). Posisi nol pada skala roda biasanya tampak di teropong kanan dan secara bersamaan posisi 180⁰ tampak di teropong kiri. PENGUKURAN ROTASI OPTIK DENGAN POLARIMETER RUDOLPH             Nyalakan lampu sodium kira – kira 30 menit  sebelum menganalisa. Isi tabung polarimeter dengan pelarut, hilangkan gelembung udaranya (contoh:air jika sampelnya dilarutkan dengan air). Letakkan tabung tersebut pada pengait/penyangga. Kendurkan skrup penjepitnya di bawah roda regular dan lihatlah melalui teropong skala kanan (WR di Gb. 7 – 2) dan putar roda derajat yang besar sampai garis indikasi mendekati nol. Kemudian diputar roda ukur yang besar searah jarum jam sekitar beberapa sentimeter dengan sangat berhati – hati, lalu penghitung arah jarum jam beberapa sentimeter dan perhatikan perubahan yang semakin gelap dari kiri ke kanan.             Berikutnya, atur skala micrometer di angka nol. Skala micrometer sudah di angka nol dengan bernar jika melalui teropong tampak anak panah berada tepat di tengah garis batas. Kencangkan sekrup bawah. Putar sekrup pengatur di samping roda pengukur sehingga sisi yang satu agak gelap daripada sisi yang lain. Buatlah sisi yang tertutup menjadi lebih gelap dengan memutar sekrup pengatur. Kemudian putar sekrup tersebut ke arah yang lain sampai kedua setengah bagian tersebut berada dalam intensitas yang tepat. Baca skalanya melalui teropong kanan.             Sebagai contohnya, katakanlah skalanya tamoak seperti Gb.7 – 4B yang garis batasnya antara 1⁰ dan 2⁰ atau lebih tepatnya antara 1,25⁰ dan 1,50⁰. Sekarang, putar skala micrometer yang berada di bawah teropong sampai indeks garis batas berada di garis 1,25⁰ pada skala teropong (Gb. 7 – 4C). Pada micrometer tampak 12,4 (Gb. 7 – 4C); derajat rotasi yang semula berada di angka nol lalu menjadi 1,250⁰ + 0,124⁰, atau 1,374⁰. Hal ini terjadi karena sekali putaran penuh skala micrometer sama dengan 0,25⁰ dan skala tesebut dibagi ke dalam 0,002⁰ arc. arc → (satuan derajat) ; bagian dari garis lengkung sebuah lingkaran.