Dokumen tersebut membahas sifat optik dan termal bahan. Secara ringkas, dibahas tentang interaksi radiasi elektromagnetik dengan bahan meliputi refraksi, refleksi, absorpsi, dan transmisi. Juga dibahas tentang kapasitas panas, ekspansi termal, dan konduktivitas termal bahan.

1. 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

2. Vincensius Cahya Dwinanda
2412100034
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

3. Vincensius Cahya Dwinanda
2412100034
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

4. Vincensius Cahya Dwinanda
2412100034
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

5. Vincensius Cahya Dwinanda
2412100034
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

6. Vincensius Cahya Dwinanda
2412100034
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.

7. Vincensius Cahya Dwinanda
2412100034
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

8. Vincensius Cahya Dwinanda
2412100034
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

9. Vincensius Cahya Dwinanda
2412100034
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

10. Vincensius Cahya Dwinanda
2412100034
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:

11. Vincensius Cahya Dwinanda
2412100034
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

12. Vincensius Cahya Dwinanda
2412100034
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.

13. Vincensius Cahya Dwinanda
2412100034