Teori Atom dan Molekul Detektor Fotoakustik Berbasis Laser CO

7

BAB II DASAR TEORI

A. Teori Atom dan Molekul

Menurut Niels Bohr, atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif dan elektron yang bermuatan negatif. Elektron – elektron ini bergerak mengedari inti atom dalam sebuah orbit lingkaran seperti halnya planet – planet mengedari matahari [Krane, 1992]. Orbit elektron menunjukkan kedudukan dan tingkat energi elektron. Elektron dapat berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain. Perpindahan elektron dari tingkat energi rendah E ke tingkat energi tinggi E 1 disebut eksitasi. Menurut Bohr, pada proses eksitasi, elektron membutuhkan energi dari luar yang besarnya sesuai dengan energi transisi dari kedua tingkat energi tersebut. Energi ini akan diserap oleh elektron pada tingkat energi E dan digunakan untuk berpindah ke tingkat energi E 1 . Besarnya energi transisi tersebut mengikuti persamaan 2.1: ΔΕ = E 1 − E 2.1 Sedangkan perpindahan elektron dari tingkat energi tinggi E 1 ke tingkat energi rendah E disebut deeksitasi. Pada proses deeksitasi, elektron akan memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan tenaga sebesar ℎ�. Elektron yang berada pada tingkat energi E 1 akan kehilangan energi. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Elektron tersebut akan berpindah ke tingkat energi yang lebih rendah yaitu tingkat energi E . Besarnya energi yang dipancarkan saat deeksitasi mengikuti persamaan 2.2: ℎ� = Ε 1 − Ε 2.2 dengan : E 1 = tingkat energi tinggi E = tingkat energi rendah ℎ = tetapan Planck 6,63.10 -34 J.s � = frekuensi gelombang elektromagnetik Molekul adalah gabungan dua atau lebih atom. Molekul memiliki kesamaan sifat seperti atom yaitu dapat memancarkan dan menyerap energi elektromagnetik. Molekul juga dapat mengalami proses eksitasi dan deeksitasi [Krane, 1992].

B. Detektor Fotoakustik Berbasis Laser CO

2 Efek fotoakustik pada dasarnya merupakan konversi cahaya menjadi gelombang bunyi. Efek fotoakustik pertama kali ditemukan oleh Alexander Graham Bell pada tahun 1880. Namun penemuan tersebut baru berkembang pada tahun 1968 setelah ditemukannya laser. Laser tersebut digunakan sebagai sumber cahaya pada detektor fotoakustik. Detektor fotoakustik memiliki kelebihan yaitu dapat digunakan untuk pengukuran secara real – time dengan selektivitas dan sensitivitas yang tinggi PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI [Gondal, 1997]. Selain itu, detektor ini dapat mendeteksi lebih dari satu jenis molekul gas secara simultan. Karena kelebihannya, detektor fotoakustik berbasis laser dapat digunakan sebagai alat pendeteksi keberadaan berbagai jenis molekul gas. Laser CO 2 dan sel fotoakustik merupakan komponen penting detektor fotoakustik berbasis laser CO 2 . a. Laser CO 2 Laser merupakan kependekan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . Laser memiliki range panjang gelombang yang lebar mulai dari spektrum infra merah sampai ultra ungu. Laser memiliki beberapa keunggulan dibandingkan sumber cahaya yang lain, yaitu: memiliki intensitas yang tinggi, bersifat monokromatis, memiliki berkas yang terarah dan tidak menyebar, serta dapat ditala. Oleh karena itu, laser digunakan sebagai sumber cahaya pada detektor fotoakustik. Laser terdiri dari beberapa jenis, yaitu: laser gas, laser zat padat, dan laser zat cair. Laser CO 2 merupakan salah satu contoh laser gas [Laud, 1988]. Laser CO 2 pertama kali ditemukan oleh Patel pada tahun 1964. Laser CO 2 dapat bekerja pada daerah panjang gelombang 9µm - 11µm. Etilen merupakan salah satu gas yang memiliki koefisien serapan yang sangat tinggi di daerah operasi laser CO 2 [Santosa, 2008]. Oleh karena itu, laser CO 2 dapat digunakan untuk mendeteksi keberadaan etilen. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI b. Sel Fotoakustik Bagian terpenting dari detektor fotoakustik adalah sel fotoakustik. Sel fotoakustik merupakan tempat sampel gas berada. Sel fotoakustik berfungsi sebagai tempat konversi cahaya menjadi gelombang bunyi. Di dalam sel fotoakustik akan terjadi penyerapan tenaga laser oleh gas yang terdapat di dalamnya. Sel fotoakustik terdiri dari resonator dan mikrofon. Komponen penting dalam detektor fotoakustik tampak dalam Gambar 2.1. Gambar 2.1. Komponen penting dalam detektor fotoakustik Jika laser ditala pada frekuensi transisi dari molekul yang berada di dalam sel fotoakustik, maka molekul dengan tingkat energi E akan dieksitasi ke tingkat tenaga yang lebih tinggi E 1 . Selanjutnya, molekul – molekul dengan tingkat tenaga E 1 akan melakukan proses deeksitasi dengan melepaskan tenaga eksitasinya. Pada saat proses deeksitasi, molekul melepaskan tenaga eksitasinya secara non radiasi. Molekul tersebut akan menumbuk molekul lainnya. Kemudian molekul tersebut akan mentransfer tenaga eksitasinya menjadi tenaga translasi molekul yang ditumbuknya. Adanya transfer tenaga eksitasi molekul menjadi tenaga translasi laser resonator mikrofon gas sel fotoakustik PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI molekul yang ditumbuk menyebabkan terjadinya kenaikan tenaga translasi molekul yang ditumbuk. Kenaikan tenaga translasi dari molekul yang ditumbuk menyebabkan terjadinya kenaikan suhu dan tekanan. Jika berkas laser dimodulasi menggunakan chopper, tekanan di dalam sel fotoakustik akan berubah secara periodik. Perubahan tekanan secara periodik ini akan menimbulkan bunyi. Bunyi ini kemudian diukur dengan menggunakan mikrofon. Keluaran dari mikrofon merupakan sinyal akustik yang akan diperkuat menggunakan lock – in amplifier. Daya laser akan diukur menggunakan powermeter. Selanjutnya sinyal akustik dan daya laser diolah menggunakan komputer [Santosa, 2008]. Keluaran dari mikrofon merupakan sinyal akustik. Keluaran dari mikrofon dipengaruhi oleh oleh daya laser, koefisien serapan, konsentrasi gas dan konstanta sel fotoakustiknya. Jika di dalam sel fotoakustik hanya terdapat satu macam gas “g”, maka hubungan antara keluaran mikrofon, daya laser, koefisien serapan, konsentrasi gas dan konstanta sel fotoakustiknya dapat dinyatakan dalam persamaan 2.4 [Santosa, 2008]: � � = �� � � � � �� 2.4 dengan : � � = sinyal akustik pada garis laser “l” [Volt V] � = konstanta sel fotoakustik � � �� � � � � = daya laser pada garis laser “l” [Watt W] � � = konsentrasi gas “g” dalam sel fotoakustik [ppb] � �� = koefisien serapan gas “g” pada garis laser “l” [cm -1 ] PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Jika nilai sinyal dibandingkan dengan nilai daya, maka akan diperoleh nilai sinyal ternormalisir � � � � . Sinyal ternormalisir menyatakan besarnya sinyal yang dihasilkan pada daya sebesar 1 W. Besarnya nilai sinyal ternormalisir mengikuti persamaan 2.5: � � � � � = �� � � �� 2.5 Persamaan 2.4 dan 2.5 berlaku untuk satu nilai panjang gelombang laser. Dalam praktek, untuk menghindari gangguan serapan dari molekul lain, perlu dilakukan pengukuran pada beberapa panjang gelombang laser [Santosa, 2008]. Salah satu kelebihan detektor fotoakustik adalah dapat mendeteksi keberadaan berbagai jenis molekul gas secara simultan. Dengan demikian, dalam suatu pengukuran dapat terukur lebih dari satu molekul gas. Sebagai contoh, pada sel fotoakustik terdapat dua molekul gas yaitu gas A dan gas B. Kedua molekul gas tersebut menyerap radiasi laser pada garis laser l=1. Sinyal yang dihasilkan sebesar S l =1 , sedangkan daya yang diserap sebesar P l =1 . Masing – masing molekul gas tersebut memiliki konsentrasi sebesar � � dan � � . Koefisien serapan masing – masing molekul gas pada garis laser l=1 adalah � �1 dan � �1 . Jika besarnya konstanta sel fotoakustik adalah �, maka sinyal ternormalisir yang dihasilkan kedua molekul gas tersebut dinyatakan oleh persamaan 2.6: � � � � �=1 = � � � � �1 + � � � �1 2.6 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Karena molekul yang terukur terdiri dari dua jenis maka untuk mengetahui besarnya konsentrasi kedua molekul tersebut diperlukan dua buah persamaan sinyal ternormalisir dengan dua buah variabel, yaitu � � dan � � . Oleh karena itu, pengukuran sinyal ternormalisir dilakukan pula pada garis laser l=2. Sinyal ternormalisir yang dihasilkan oleh gas A dan gas B pada garis laser l=2 dinyatakan oleh persamaan 2.7: � � � � �=2 = � � � � �2 + � � � �2 2.7 dengan : S = sinyal akustik [Volt V] P = daya laser [Watt W] l = posisi garis laser C = konstanta sel fotoakustik � � �� � � C A = konsentrasi gas A [ppb] C B = konsentrasi gas B [ppb] α A1 = koefisien serapan gas A pada l = 1 [cm -1 ] α A2 = koefisien serapan gas A pada l = 2 [cm -1 ] α B1 = koefisien serapan gas B pada l = 1 [cm -1 ] α B2 = koefisien serapan gas B pada l = 2 [cm -1 ] PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Dengan menyelesaikan persamaan 2.6 dan 2.7 dapat diperoleh nilai � � dan � � . Persamaan 2.6 dan 2.7 tersebut diselesaikan menggunakan metode eliminasi.

C. CO