Indeks bias

10.10 Indeks bias

Laju perambatan gelombang elektromagnetik terbesar tercapai ketika merambat dalam ruang hampa. Jika gelombang EM masuk ke dalam material, maka laju dan panjang gelombangnya berkurang, tetapi

frekuensinya tidak berubah. Laju cahaya dalam es adalah 2,3  10 8 m/s sedangkan dalam intan adalah 1.24  10 8 m/s. Umumnya, laju cahaya berbeda jika memasuki material yang berbeda. Oleh karena itu, perlu didefinisikan suatu besaran yang menentukan laju cahaya dalam material. Besaran tersebut disebut indeks bias, yang memenuhi hubungan

n  (10.31)

dengan n indeks bias material, c laju cahaya dalam ruang hampa, dan c m laju cahaya dalam material. Dengan menggunakan hubungan c   f , dan

c m   m f , maka persamaan untuk indeks bias dapat juga ditulis sebagai

dengan  panjang gelombang dalam ruang hampa

 m panjang gelombang dalam material Tampak dari Tabel 11.2 bahwa indeks bias udara atau gas sangat mendekati  m panjang gelombang dalam material Tampak dari Tabel 11.2 bahwa indeks bias udara atau gas sangat mendekati

Tabel 11.2 Indkes bias beberapa material

Material Indeks bias

Botol glas

Glas beker

Karbon dioksida

10.10.1 Indeks bias bergantung pada panjang gelombang cahaya

Sesungguhnya indeks bias material bergantung pada panjang gelombang cahaya. Makin kecil panjang gelombang cahaya maka makin besar indeks bias material untuk cahaya tersebut. Indeks bias untuk cahaya biru lebih besar daripada indeks bias untuk cahaya merah. Gambar 10.38 adalah contoh kebergantungan indeks bias beberapa material terhadap panjang gelombang cahaya.

Perbeadan indeks bias material untuk cahaya yang memiliki panjang gelombang berbeda-beda menimbulkan beberapa akibat:

a) Makin pendek panjang gelombang cahaya maka makin kecil laju cahaya dalam material tersebut. Dalam material tertentu, cahaya biru merambat lebih lambat daripada cahaya merah.

b) Jika jatuh pada bidang batas dua material dengan sudut datang yang sama, maka cahaya dengan panjang gelombang pendek mengalami pembelokan arah lebih besar (Gambar 10.39).

Kaca

ias

bs

Akrilik

ek

d In

Kuarsa

Panjang gelombang [nm]

Gambar 10.38 Kebergantungan indeks bias terhadap panjang gelombang untuk beberapa material. Pada kebanyakan material, indeks bias makin kecil jika panjang gelombang makin besar. Pada material yang sama cahaya ungu memiliki indeks bias lebih besar daripada cahaya merah.

Merah Biru

Gambar 10.39 Karena perbedaan indeks bias material untuk cahaya dengan panjang gelombang berbeda maka cahaya biru dan cahaya merah dibiaskan dengan sudut berbeda.

c) Jika cahaya putih jatuh pada bidang batas dua material maka cahaya tersebut akan terurai atas berkas-berkas dengan panjang gelombang yang berbeda-beda karena masing-masing berkas memiliki sudut bias yang berbeda-beda (Gambar 10.40).

Putih

Putih

n 2 Biru

(a) n n 1 < n

(b)

Gambar 10.40 Karena perbedaan indeks bias untuk spectrum cahaya dengan panjang gelombang berbeda maka setelah melewati material transparan, maka cahaya putih terurai atas berkas yang memiliki panjang gelombang berbeda.

10.10.2 Indeks bias bergantung pada tekanan

Jika material diberi tekanan yang sangat besar (Giga Pascal) maka volume materil sedikit mengecil. Jarak antar atom atau molekul pengukur material menjadi lebih kecil sehingga kerapatan atom atau molekul makin besar. Ini bearkibat indeks bias material membersar. Fenomena ini hanya dapat diamati ketika memberikan tekanan yang sangat besar. Tekanan yang tidak terlalu besar tidak menguab volum aterial secara berarti. Perubahan volum material mulai dapat dideteksi ketika tekanan yang diberikan berada dalam orde giga Pascal. Gambar 10.41 adalah kebergantungan indeks bias es dan air pada tekanan yang sangat tinggi. Tampak bahwa indeks bias bertambah dengan naiknya tekanan, seperti yang kita duga.

n s, ia

bs

Es pada suhu 0 K (teori)

d In

Es pada suhu kamar (pengukuran) Air pada suhu 673 K (pengukuran)

Air pada suhu 1000 K (teori) Air pada suhu 2000 K (teori)

Tekanan (GPa)

Gambar 10.41 Kebergantungan indeks bias es dan air pada tekanan yang sangat tinggi (D. Pan, Q. Wan and G. Galli, Nature Communications 5, 3919 (2014)).

10.10.3 Indeks Bias Zat Cair

Indeks bias suatu zat digasilkan oleh momen dipole atom atau molekul penyusun oleh zat tersebut. Inekd bias bergantung pada berapa nilai momen dipole dan berapa kerapatannya. Main besar momen diole dan mkin besar kerapatan maka indek bias makin besar.

Kita mengetahun bahwa ketika suhu zat berubah maka zat tersebut akan memuian (jika suhu meningkat) atau mengjkerut (jika suhu turun). Kecuali kasus khusus untuk zat dengan koefisien muai termal negative (negative thermal expansion) di mana terjadi kebalikannya, yaitu volume berkurang jika suhu meningkat dan volume bertambah jika suhu menurun. Pemuatan atau engkerutan disebabkan oleh perubahan jaran antar atom. Ini berarti pula bahwa pemuaian atau pengkerutan menyebabkan perubahan jarak antar momen dipol penyusun zat, atau keraptan momen dipole penyusn zat berbeda. Akibaynya, indkes bias zat tersebut seharusnya berubah. Benarkah demikian? Benarkan indeks bergantung pada suhu?

Jawabannya iya. Khususnya untuk zat cair atau gas, indeks bias Jawabannya iya. Khususnya untuk zat cair atau gas, indeks bias

dn 2 3 n ( n  1 )

2  (10.33) dT

dengan n adalah indeks bias

 koefisien muai panas volum. Sebagai contoh, benzene memiliki indeks bias pada suhu 23 o C

sebesar 1,503. Koefiensi muai termal volum benzene adalah 1,21  10 -3 / o C. Dengan demikian gradient perubahan indeks bias terhadap suhu adalah -0,000622/ o C.

10.10.4 Indeks bias negatif

Indeks bias yang kita kenal selalu bernilai positif dan lebih besar atau sama dengan satu. Indeks bias satu didefinisikan sebagai indeks bias vakuum. Indeks bias udara mendekati satu tapi sedikit lebih besar, seperti ditampilkan pada Tabel 10.1. Namun, para ilmuwan mengamati fenomena yang aneh pada sejumah material baru yang berhasil dibuat. Fenomena tersebut dapat dijelaskan jika diasumsikan bahwa material tersebut memiliki indeks bias negatif. Material yang berhasil dibuat sering disebut negative-index metamaterial atau negative-index material (NIM). Material ini memiliki indeks bias negatif pada jangkauan frekuensi tertentu.

Karena memiliki indeks bias negatif, maka pembiasan cahaya oleh material ini melawan hukum Snell. Gambar 10.42 adalah ilustrasi pembelokan arah rambat cahaya oleh material yang memiliki indeks bias negatif. Dilustrasikan secara berurutan: (i) berkas cahaya datang dari udara, (ii) berkas cahaya memasuki bidang batas udara dan material yang memiliki indeks bias negatif, (iii) cahaya mengalami pembiasan, dan (iv) cahaya merambat dalam material dengan indeks bias negatif. Tampak sekali perbedaan dengan prediksi hukum Snell. Bagi material dengan indeks bias Karena memiliki indeks bias negatif, maka pembiasan cahaya oleh material ini melawan hukum Snell. Gambar 10.42 adalah ilustrasi pembelokan arah rambat cahaya oleh material yang memiliki indeks bias negatif. Dilustrasikan secara berurutan: (i) berkas cahaya datang dari udara, (ii) berkas cahaya memasuki bidang batas udara dan material yang memiliki indeks bias negatif, (iii) cahaya mengalami pembiasan, dan (iv) cahaya merambat dalam material dengan indeks bias negatif. Tampak sekali perbedaan dengan prediksi hukum Snell. Bagi material dengan indeks bias

(i)

(ii)

(iii)

(iv)

Gambar 10.42 Ilustrasi pembiasan cahaya oleh material dengan indeks bias negatif: (i) berkas cahaya datang dari udara, (ii) berkas cahaya memasuki bidang batas udara dan material yang memiliki indeks bias negatif, (iii) berkas cahaya mengalami pembiasan, dan (iv) berkas cahaya merambat dalam material dengan indeks bias negatif (Wikipedia.org).

Ilustrasi lebih ekstrim lagi tampak pada Gambar 10.43. Material Ilustrasi lebih ekstrim lagi tampak pada Gambar 10.43. Material

(a)

(b)

Gambar 10.43 Material dengan indeks bias positif dalam bentuk cair dan indeks bias negatif dalam bentuk cair juga dimasukkan ke dalam gelas yang sama. Ke dalam dua material dicelupkan batang kecil. Karena mengalami pembiasan maka batang tampak patah di batas dua material. Namun, pada material dengan indeks bias potifit, orientasi patahan batang dalam material sama dengan orintasi semula (a). Sebaliknya, pada material dengan indeks bias negatif, orientasi patahan di dalam material pengalami pembalikan (b).