JURNAL FISIKA MODERN SPEKTROMETER
1
SPEKTROMETER Emy Aditya , Nurul Rosyidah, Dr. M. Zainuri Jurusan Fisika, Fakultas IPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak — Percobaan
spektrometer telah selesai kami lakukan. Percobaan spektrometer bertujuan untuk mempelajari teori spektrometer, menentukan indeks bias prisma kaca, kaca, menentukkan menentukkan panjang gelombang gelombang dengan menggunakan prisma, serta mengamati spektrum warna cahaya dari panjang gelombang tertentu. Spektrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur panjang gelombang cahaya dengan menggunakan kisi difraksi atau prisma dengan memisahkan panjang gelombang cahaya yang berbeda. Spektrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur panjang gelombang cahaya dengan menggunakan kisi difraksi atau prisma dengan memisahkan panjang gelombang cahaya yang berbeda. Prinsip kerja spektrometer adalah cahaya yang dilewatkan celah sempit yang disebut kolimator. Kolimator merupakan fokus lensa ,sehingga cahaya yang diteruskan akan bersifat sejajar. Cahaya yang sejajar sejajar kemudian diteruskan ke kisi untuk ditangkap oleh teleskop yang posisinya posisinya dapat digerakkan. Pada posisi tertentu teleskop dengan sudut menyatakan bahwa posisi tersebut sesuai dengan terjadinya pola terang. Data yang didapatkan pada percobaan percobaan ini adalah besarnya sudut deviasi dengan menggunakan lampu gas helium dan hidrogen serta akan mendapatkan panjang gelombang ( ) pada lampu gas helium dan hidrogen. Indeks bias prisma (n) bebeda-beda untuk setiap spektrum cahaya. Indeks bias (n) terbesar dimiliki oleh spektrum sinar ungu, dan yang terkecil dimiliki oleh spektrum sinar merah. Panjang gelombang terbesar dimiliki oleh spektrum sinar merah dan panjang gelombang terkecil dimiliki oleh spektrum sinar ungu.
adanya interferansi cahaya. Perkembangan teori ini mencapai puncaknya setelah Maxwell menemukan teori Unified tentang penjalaran gelombang elektromagnetik yaitu cepat rambat gelombang elektromagnet sama dengan 8 cepat rambat cahaya 3x10 m/s. Hal ini membuktikan bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik [1] Cahaya jika mengenai sebuah permukaan bidang batas yang memisahkan dua medium yang berbeda seperti misalnya sebuah permukaan ke kaca, perubahan arah dari sinar ditransmiikan disebut dengan pembiasan. Peristiwa pembiasan dapat dilihat ketika melihat benda di dalam air maka benda akan kelihatan dekat. Peristiwa pembiasan ini disebabkan oleh perbedaan kecepatan jalur cahaya di udara dan medium lain , misalkan air,kaca. Jika suatu cahaya memasuki medium tertentu yang berbeda, cahaya tersebut akan dibelokkan terhadap garis normalnya, selain itu tejadi perubahan panjang gelombang, adapun persamaannya () Dimana ’ merupakan panjang gelombang pada medium tertentu, adalah panjang gelombang pada ruang hampa dan n merupakan indeks bias pada medium tertentu[3] Hukum pembiasan yang terkenal yaitu Hukum Snelius dengan persamaan pembiasan seperti pada persamaan n1 Sin = n2 Sin (2) Pembiasan cahaya pada prisma, dapat dilihat pada gambar gambar 1 berikut
Kata Kunci — spektrometer, spektrometer, prisma, indeks bias
I.
PENDAHULUAN
C
AHAYA dalam kehidupan sehari hari dimanfaatkan sebagai penerang, misalnya cahaya lampu, cahaya matahari dan masih banyak lagi. Dalam perkembangan teori cahaya, cahaya, ada beberapa tokoh yang yang terkenal terkenal yatu Newton yang menjelaskan adanya sifat pemantulan dan pembahasan cahaya berdasarkan percobaan yang telah dilakukan pada tahun 1620’an. Cristian Huygens dengan percobaannya mampu menjelaskan bahwa cahaya seperti halnya karakter, dimana cahaya yang dilewatkan pada celah sempit, maka celah tersebut seolah bertindak sebagai sumber yang baru. Pada tahun 1801, Thomas Thomas Young dapat mengemukakan cahaya sebagai gelombang yaitu dengan
Gambar 1 Pembiasan Cahaya Pada Prisma
Prisma merupakan zat bening yang dibatasi dibatasi oleh dua bidang datar . Apabila sinar datang pada sebuah bidang prisma yang kemudian disebut bidang pembias , akan dibiaskan mendekati garis normal. Gambar 1 mejelaskan tentang seberkas cahaya masuk (i 1) dan melewati prisma. Gambar diatas memperlihatkan berkas sinar yang masuk masuk ke prisma mengalami dua kali pembiasan sehingga antara berkas sinar yang masuk dan keluar prisma tidak sejajar
JURNAL FISIKA MODERN SPEKTROMETER lagi. Sudut yang dibentuk antara arah sinar datang dengan arah sinar yang meninggalkan prisma disebut sudut deviasi (). Besarnya sudut deviasi tergantung pada sudut datangnya sinar, = I1+R 2- (3) Dimana i1 adalah sudut datang pada prisma, R 2 adalah sudut bias yang meninggalkan prisma dan adalah sudut pembias prisma[2] Cahaya polikromatis adalah cahaya yang mempunyai bermacam- macam panjang gelombang . Ketika cahaya ini memasuki prisma maka akan terjadi perbedaan indeks bias dari masing- masing panjang gelombang , sehingga cahaya yang keluar mengalami penguraian atau lebih dikenal dengan dispersi. Dispersi adalah penguraian cahaya putih menjadi cahaya yang berwarna warni. Cahaya putih merupakan campuran dari semua panjang gelombang cahaya tampak. Susunan warna- warna tersebut dikenal dengan spektrum. Spektrum adalah pola warna yang dimiliki cahaya yang dilewatkan pada kisi. Batas batas warna spektrum terdiri dari ungu (= 380-450 nm), biru (= 450-495 nm), hijau (= 495-570 nm), kuning(= 570590 nm), jingga (= 590-620 nm), merah (= 620-750 nm). Untuk mengetahui panjang gelombang cahaya maka diperlukan suatu alat yang disebut spektrometer. Spektrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur panjang gelombang cahaya dengan menggunakan kisi difraksi atau prisma dengan memisahkan panjang gelombang cahaya yang berbeda. Prinsip kerja spektrometer adalah cahaya yang dilewatkan celah sempit yang disebut kolimator. Kolimator merupakan fokus lensa ,sehingga cahaya yang diteruskan akan bersifat sejajar. Cahaya yang sejajar kemudian diteruskan ke kisi untuk ditangkap oleh teleskope yang posisinya dapat digerakkan. Pada posisi tertentu teleskop dengan sudut menyatakan bahwa posisi tersebut sesuai dengan terjadinya pola terang, maka hubungan dengan panjang gelombang sesuai persamaan
2 menentukkan konstanta A dan B dan menentukan mengidentifikasi panjang gelombang spektrum warna pada lampu gas. Untuk percobaan pertama yaitu menentukan konstanta A dan B. Langkah pertama yaitu menentukan dan mencari dahulu referensi panjang gelombang gas helium dan hidrogen. Langkah kedua yaitu merangkai alat seperti pada skema kerja. Langkah ketiga yaitu meletakkan lampu gas helium pada kolimator kemudian mengamati sinar yang dibiaskan oleh prisma menggunakan teleskop. Langkah keempat menentukan besar sudut pelurus kolimator dengan prisma. Langkah kelima menentukan besar sudut deviasi minimum pada masing- masing spektrum warna dengan menggunaka skala ukur, kemudian menghitung indeks bias prisma(n) dengan menggunakan
( ) persamaan dan menentukan persamaan
(5) n
( ) ( )
dengan menggunakan regresi linear. Percobaan kedua yaitu mengidentifikasi panjang gelombang spektrum warna pada lampu gas. Langkah kerjanya sama seperti pada percobaan pertama, namun ada beberapa hal yang membedakan dengan percobaan pertama yaitu lampu gas yang kedua ditentukkan oleh asisten. Dalam percobaan kedua ini menggunakan lampu gas hidrogen. Selanjutnya menentukan panjang gelombang lampu gas helium dan hidrogen menggunakan persamaan
n () ( )
Gambar skema kerja pada percobaan ini terdapat pada gambar 2.
(4)
Dimana m adalah bilangan bulat yang menunjukkan orde, d adalah jarak antara garis pada kisi. Dengan mengukur maka panjang gelombang dapat diketahui.[4]
II. METODE Dalam percobaan spektrometer, jenis praktikumnya kualitatif dan kuantitatif. Pada percobaan ini akan didapatkan spektrum cahaya pada panjang dan besar gelombang tertentu. Setelah didapatkan panjang gelombang spektrum warna pada lampu helium dan hidrogen, maka panjang gelombang tersebut digunakan untuk menghitung konstanta A dan B. Alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan ini yaitu satu set spektrometer, lampu gas helium, lampu gas hidrogen, lampu gas helium, transformator step up dan down, hambatan geser,dan power supply. Dalam praktikum ini terbagi menjadi dua percobaan yaitu
Gambar 2 Skema Kerja Spektrometer
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil dari percobaan spektrometer adalah besarnya sudut deviasi pada prisma ketika menggunakan sumber lampu gas helium dan hidrogen. Dalam percobaan ini didapatkan sudut pusat fokus pada skala vernier sebesar 0 285 . Sehingga besarnya sudut deviasi merupakan selisih antara besarnya sudut yang didapat pada panjang gelombang warna tertentu dengan sudut minimum yang didapat. A. Gas Helium Pada percobaan dengan menggunakan sumber cahaya yang berasal dari lampu gas helium yang dilewatkan pada
JURNAL FISIKA MODERN SPEKTROMETER
3
prisma, spektrum warna yang diperoleh terdiri dari warna merah, kuning, hijau, biru,dan ungu. Dalam percobaan ini didapatkan data berupa besarnya sudut deviasi yang diperoleh dari pengamatan ketika fokus pada teleskop ditujukan pada warna tetentu yang terdapat pada teleskop. Pengambilan data dilakukan pengulangan sebanyak 3 kali dengan mekanisme ketika sudah selesai mengamati warna merah sampai ungu secara bergantian maka pengulangan dilakukan kembali pada warna merah lagi. Sehingga dapat diketahui tingkat keakuratan data yang diperoleh. Berikut ini sudut deviasi yang diperoleh pada lampu gas helium. Tabel 1 Data Sudut Deviasi Pada Lampu Gas Helium
Beta (sudut deviasi) No
Warna
1
2
3
1
ungu
69,0
68,5
69,0
2
biru
69,5
69,5
69,5
3
hijau
70,5
71,0
70,5
4
kuning
71,0
71,5
71,2
merah 71,5 72,0 72,0 5 Setelah didapatkan besarnya sudut deviasi maka dapat diperoleh besarnya indeks bias prisma(n) dengan menggunakan persamaan 5, dimana dilakukan perhitungan rata pada sudut deviasi () terlebih dahulu, dengan 0 ketentuan besarnya sudut = 60 yaitu besarnya sudut pada prisma. Berikut ini merupakan tabel perhitungan besarnya indek bias prisma pada gas helium Tabel 2 Perhitungan n Bias pada Gas Helium
No 1 2 3 4 5
Warna ungu biru hijau kuning merah
() rata-rata 68,8 69,5 70,7 71,2 71,8
() 60 60 60 60 60
n bias 2,0 1,9 1,2 0,7 0,1
Berdasarkan hasil regresi linear pada grafik diatas maka besarnya konstanta A dan B dapat diketahui. Besarnya konstanta A yaitu -0,0007 sedangkan konstanta B yaitu 4,904. Setelah konstanta A dan B diketahui maka dapat dilihat perbandingan antar panjang gelombang referensi dan panjang gelombang pada percobaan menggunakan persamaan Formula Cauchy yang diperoleh dari asil analog regresi pada tabel. Berikut ini merupakan perbandingan antara panjang gelombang referensi dan panjang gelombang pada percobaan. Tabel 3 Perbandingan Referensi dan Percobaan pada Lampu Gas Helium
Warna
Referensi 0 (A ) 4000 4600 5050 5850 6833
ungu biru hijau kuning merah
B. Gas Hidrogen Pada percobaan dengan menggunakan sumber cahaya yang berasal dari lampu gas hidrogen yang dilewatkan pada prisma, spektrum warna yang diperoleh terdiri dari warna merah, biru, dan ungu. Dalam percobaan ini didapatkan data berupa besarnya sudut deviasi yang diperoleh dari pengamatan ketika fokus pada teleskop ditujukan pada warna tetentu (merah, biru, dan ungu ) yang terdapat pada teleskop. Pengambilan data dilakukan pengulangan sebanyak 3 kali dengan mekanisme ketika sudah selesai mengamati warna merah sampai ungu secara bergantian maka pengulangan dilakukan kembali pada warna merah lagi. Sehingga dapat diketahui tingkat keakuratan data yang diperoleh. Berikut ini sudut deviasi yang diperoleh pada lampu gas helium. Tabel 4 Data Sudut Deviasi Pada Lampu Gas Hidrogen
Beta (sudut deviasi) No
Setelah indeks bias diketahui maka dapat diketahui hubungan antara indeks bias (n) dengan lamda referensi () berdasarkan warna spektrum yang terurai, seperti pada grafik 1 berikut ini
2.5 s 2.0 a i b1.5 s k e1.0 d n i
Percobaan 0 (A ) 4143,1 4313,5 5293,5 6002,1 6837,9
Warna
1
2
3
1
ungu
69,3
69
69
2
biru
70,7
70,5
70,6
3
merah
71,6
72
71,8
Setelah besarnya sudut deviasi diketahui maka besarnya indeks bias prisma(n) dapat diketahui dengan menggunakan persamaan 5, dimana dilakukan perhitungan rata pada sudut deviasi () terlebih dahulu, dengan 0 ketentuan besarnya sudut = 60 yaitu besarnya sudut pada prisma. Berikut ini merupakan tabel perhitungan besarnya indek bias prisma pada gas hidrogen.
y = -0,0007x + 4,904 R² = 0,966
0.5 0.0
Tabel 5 Perhitungan n Bias pada Gas Hidrogen
0
2000
4000 λ
6000
8000
No
Warna
Referensi
Grafik 1 Hubungan Antara Panjang Gelombang dan Indeks Bias pada Lampu Gas Helium
1
ungu
() rata-rata 69,1
() 60
n bias 2,0
JURNAL FISIKA MODERN SPEKTROMETER
4
2 3
biru 70,6 60 1,2 merah 71,8 60 0,1 Setelah besarnya indeks bias diketahui maka dapat diketahui hubungan antara indeks bias (n) dengan lamda referensi () berdasarkan warna spektrum yang terurai, seperti pada grafik 2 berikut ini. Grafik berikut menyatakan bahwa semakin besar panjang gelombang (warna merah) maka besarnya indeks bias semakin kecil, begitu pula sebaliknya semakin kecil panjang gelombang (warna violet) maka nilai indeks bias semakin besar.
2.5 ) 2.0 n ( s a i 1.5 B s k 1.0 e d n0.5 I
y = -0,0007x + 4,983 R² = 0,973
0.0 0
2000
4000
6000
8000
λ (Referensi ) Grafik 2 Hubungan Antara Panjang Gelombang dan Indeks Bias pada Lampu Gas Hidrogen
Berdasarkan hasil regresi linear pada grafik diatas maka besarnya konstanta A dan B dapat diketahui. Besarnya konstanta A yaitu -0,0007 sedangkan konstanta B yaitu 4,983. Setelah konstanta A dan B diketahui maka dapat dilihat perbandingan antar panjang gelombang referensi dan panjang gelombang pada percobaan menggunakan persamaan Formula Cauchy yang diperoleh dari hasil analog regresi pada grafik. Berikut ini merupakan perbandingan antara panjang gelombang referensi dan panjang gelombang pada percobaan.
IV.
KESIMPULAN
Berdasarkan percobaan spektrometer yang telah dilakukan kami berhasil mendapatkan spektrum warna cahaya pada lampu gas helium dan hidrogen. Pada lampu gas helium spektrum warnanya terdiri dari warna merah, kuning, hijau, biru, ungu sedangkan pada lampu gas hidrogen spektrum warnanya terdiri dari warna merah, biru, dan ungu. Dalam percobaan ini kami berhasil mendapatkan indeks bias (n) prisma ketika dilewati cahaya lampu gas helium dan lampu gas hidrogen sebesar. Dalam percobaan ini kami juga berhasil mendapatkan panjang gelombang cahaya pada lampu gas helium dan hidrogen. Indeks bias prisma (n) bebeda-beda untuk setiap spektrum cahaya. Indeks bias (n) terbesar dimiliki oleh spektrum sinar ungu, dan yang terkecil dimiliki oleh spektrum sinar merah. Panjang gelombang terbesar dimiliki oleh spektrum sinar merah dan panjang gelombang terkecil dimiliki oleh spektrum sinar ungu.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada dosen Fisika Modern yaitu bapak M. Zainuri yang telah memberikan materi kuliah Fisika Modern sehingga dapat mendukung dalam melakukan percobaan ini. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada laboran Fisika Modern yaitu bapak Sukir yang telah mempersiapkan alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan serta penulis juga mengucapkan terimakasih kepada asisten percobaan Spektrometer yaitu Nurul Rosyidah yang telah membimbing kami selama praktikum berlangsung dan juga penulis mengucapkan terima kasih kepada teman- teman sekelompok praktikum Spektrometer atas kerjasamanya dalam melakukan percobaan sampai terselesaikannya laporan ini. DAFTAR PUSTAKA
Tabel 6 Perbandingan Referensi dan Percobaan pada Lampu Gas Hidrogen
Warna
Referensi Percobaan 0 0 (A ) (A ) ungu 4300 4288,1 biru 4900 5332,3 merah 6700 6904,6 Selama melakukan percobaan tersebut faktor yang mempengaruhi yaitu cahaya, karena percobaan ini dilakukan pada ruangan yang gelap. Tujuan dilakukannya percobaan ini di ruangan yang gelap yaitu agar warna spektrum yang terurai oleh prisma dapat diamati secara maksimal atau jelas dan besarnya sudut deviasi dapat diketahui . Untuk pengambilan sudut deviasi pengamat harus benar benar teliti dalam mefokuskan gasis vertikal yang terdapat pada lensa teleskop pada warna tertentu, harus benar- benar cocok agar hasil yang didapat akurat. Oleh karena itu dilakukan pengambilan data dengan pengulangan sebanyak 3 kali untuk setiap warna seccara bergantian dengan tujuan untuk mengurangi tingkat error pada percobaan.
[1] [2] [3] [4]
Giancoli, Doughlas.” Fisika Jilid 2” Jakarta: Erlangga.2001 Halliday, Resnic. .” Fisika Jilid 2” Jakarta: Erlangga.1992 Tippler,Paul.”Fisika Untuk Sains dan Teknik Jilid 2” Jakarta: Erlangga.2001 Jurnal Gelombang Cahaya pdf.blogdetik.com
