SPEKTROMETER (2015) (1-5)
1
Spektrometer Puji Kumala Pertiwi, Amalia M.M, Nofyantika W, Prof. Dr. Darminto, M.Sc Jurusan Fisika,Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected] Abstrak—Telah dilakukan percobaan spectrometer. Percobaan spectrometer ini bertujuan untuk mempelajari teori spectrometer prisma dengan pendekatan eksperimental, untuk mengamati spectrum warna cahaya dari panjang gelombang tertentu, untuk menentukan indeks bias prisma kaca dan untuk menentukan panjang gelombang dengan menggunakan prisma yang telah dikalibrasi. Prinsip pada percobaan ini adalah refraksi cahaya. Variasi yang digunakan pada percobaan ini adalah lampu yang digunakan yaitu lampu gas neon dan lampu gas helium. percobaan ini alat dan bahan yang digunakan adalah satu set spectrometer, lampu gas neon, lampu gas helium, step dan step down tranformator, reastat(hambatan geser) dan powers supply. langkah-langkah yang dilakukan pada percobaan ini adalah peralatan dirangkai. Lampu gas neon pada system tegangan tinggi dipasang, latak lampu dibelakang celah kolimator diatur agar sinar dapat sampai ke prisma. Lampu dinyalakan dihubungkan dengan PLN. Kemudian focus teropong diatur agar dapat melihat benda di tak terhingga. Letak dan celah kolimator diatur agar spectrum cahaya yang terjadi cukup tajam dan spectrum tampak bersama-sama dengan pembagian skala.Ditentukan sudut pelurusnya dengan menggunakan peggaris dan dibaca pada skala vernier dengan teleskop, serta ditentukan besar sudut deviasi yang ditunjukkan pada skala vernier dengan pada setiap warna. Dengan langkah yang sama, maka lampu gas pertama diganti dengan lampu gas yang lain. Dari percobaan yang telah dilakukan maka telah didapatkan kesimpulan bahwa semakin panjang panjang gelombangnya, semakin kecil indeks biasnya. Error yang dihasilkan antara panjang gelombang menurut referensi dan panjang gelombang secara perhitungan percobaan saat menggunakan lampu gas helium adalah 9.068878%, sedangkan Error yang dihasilkan antara panjang gelombang menurut referensi dan panjang gelombang secara perhitungan percobaan saat menggunakan lampu gas neon adalah 2.04336%. Kata Kunci— Cahaya, Refraksi, Spektrometer.
I. PENDAHULUAN alam kehidupan sehari-hari cahaya dimanfaatkan dalam berbagai bidang. Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yang memiliki beberapa sifat seperti dapat dipantulkan, dibiaskan, berinterferensi, polarisasi dan difraksi. Kita dapat melihat suatu benda dikarenakan adanya cahaya matahari. Pada sore hari, matahari berada disebelah barat kita dan ketika pagi hari berada disebelah timur kita. Cahaya putih merupakan campuran dari semua panjang gelombang cahaya tampak. Ketika cahaya ini jatuh pada sebuah sisi prisma, panjang gelombang cahaya yang berbeda ini dibelokkan dengan derajat yang berbeda pula. Cahaya ungu akan dibelokkan paling jauh dan merah akan dibelokkan paling dekat. Karena itulah kita akan melakukan percobaan spectrometer.
D
Spectrometer atau spektrotoskop adalah alat untuk mengukur panjang gelombang dengan akurat, dengan menggunakan kisi difraksi atau prisma untuk memisahkan panjang gelombang cahaya yang berbeda. Prinsip kerja pada spectrometer yaitu cahaya dari sumber melewati celah sempit pada kolimator, sehingga cahaya jatuh pada prisma, cahaya dapat terlihat dengan mengatur focus pada teleskop dan diposisikan pada sudut yang sesuai dengan puncak difraksi dari panjang gelombang yang dipancarkan sumber. Sudut dapat diukur dengan ketetapan tinggi ditentukan sampai ketepatan tinggi sehingga panjag gelombang sebuah garis dapat ditentukan sampai ketepatan tinggi[3]. Kegunaan penting dari spectrometer adalah untuk identifikasi atom atau molekul ketika gas dipanaskan atau arus listrik yang besar melewatinya, gas tersebut memancarkan spectrum garis artinya hanya cahaya dengan panjang gelombang tertentu yang dipancarkan, dan ini berbeda untuk unsur dan senyawa yang berbeda[4]. Prisma adalah zat bening yang dibatasi oleh dua bidang datar. Apabila seberkas cahaya datang pada salah satu bidang prisma yang kemudian disebut sebagai bidang pembias I, akan dibiaskan mendekati garis normal. Sampai pada bidang pembias II, berkas sinar tersebut akan dibiaskan menjauhi garis normal. Pada bidang pembias I, sinar dibiaskan mendekati garis normal, sebab sinar datang dari zat optic kurang rapat ke zat optic yang lebih rapat yaitu dari udara ke kaca. Sedangkan pada bidang pembias II, sinar dibiaskan menjauhi garis normal, sebab sinar dari zat optic rapat ke zat optic kurang rapat yaitu dari kaca ke udara. Sehingga berkas sinar yang melewati sebuah prisma akan mengalami pembelokan arah dari arah semula[2]. Besar sudut deviasi tergantung pada sudut datangnya sinar δ = i1 + r2 - β ………………..(1.1) Besar sudut deviasi sinar bergantung pada sudut datangnya cahaya ke prisma. Apabila sudut datangnya sinar diperkecil, maka sudut deviasinya pun akan semakin kecil. Sudut deviasi akan mencapai minimum (Dm) jika sudut datang cahaya ke prisma sama dengan sudut bias cahaya meninggalkan prisma atau pada saat itu berkas cahaya yang masuk ke prismakan memotong prisma itu memotong prisma itu menjadi segitiga samakaki, sehingga berlaku I1=r2=i………………………(1.2) i = sudut datang, dan i2=r1=r………………………(1.3) sudut deviasi minimum dapat dinyatakan dengan D = i1+r2-β…………………....(1.4) = 2i-β…………...…………..(1.5) Atau I=(Dm+β)……………………(1.6)
SPEKTROMETER (2015) (1-5) Sinar yang masuk, sinar yang direfleksikan dan normal terhadap permukaan terletak pada bidang yang sama, sudut refleksi θ, sama dengan sinar masuk θa untuk semua panjang gelombang dan untuk setiap pasangan material. Untuk cahaya monokromatik dan untuk sepasang material yang diberikan a dan b pada sisi-sisi yang berlawanan dari antar muka, rasio dari sinus sudut θa dan θb dimana kedua sudut tersebut diukur dari normal terhadap permukaan sama dengan kebalikan dari rasio kedua indeks refraksi. Sehingga dari percobaan tersebut diperoleh bahwa sinar masuk dan sinar yang direfraksikan dan normal semuannya terletak pada bidang yang sama yang disebut hukum snellius. Spectrum cahaya, saat cahaya putih diarahkan pada prisma akan tampak warna-warna pelangi. Pita-pita warna-warni ini dinamakan garis spectral. Pada spectrum matahari, batas antara satu pita warna dengan pita warna yang lain tidak terdapat daerah yang kosong[1]. Cahaya adalah suatu bentuk radiasi elektromagnetik yang dipancarkan dalam bagian spectrum yang dapat dilihat. Cahaya sendiri sebagai gelombang mempunyai panjang gelombang dan frekuensi cahaya mempunyai sifat-sifat diantaranya, cahaya merambat lurus, cahaya menembus benda bening, dapat dipantulkan, dapat dibiaskan, dapat diuraikan, dapat dibelokkan atau dilenturkan dan dapat berpolarisasi[1]. Pembiasan cahaya (refraksi) adalah pembelokan arah rambat gelombang ketika melewati medium yang berbeda kerapatannya, optiknya, dengan kerapatan optic medium yang dilewati gelombang cahaya tersebut.
2 spectrum cahaya yang terjadi cukup tajam dan spectrum tampak bersama-sama dengan pembagian skala.Ditentukan sudut pelurusnya dengan menggunakan peggaris dan dibaca pada skala vernier dengan teleskop, serta ditentukan besar sudut deviasi yang ditunjukkan pada skala vernier dengan pada setiap warna. Dengan langkah yang sama, maka lampu gas pertama diganti dengan lampu gas yang lain. Variasi pada percobaan ini adalah lampu gas yang digunakan yaitu lampu gas helium dan lampu gas neon serta pengulangan dilakukan 4 kali setiap masing masing spectrum cahaya.
Gambar 3 . Foto percobaan
start Peralatan dirangkai Lampu gas neon dipasang Meletakkan lampu dibelakang celah kalimator Lampu dihubungkan dengan sumber PLN
Gambar 1. Proses pembiasan cahaya
Ketika cahaya melintas dari suatu medium ke medium lainnya sebagian cahaya datang dipantulkan pada perbatasan. Sisanya lewat medium yang baru. Pada refraksi, indeks refraksi n dari sebuah medium merupakan perbandingan[1] : n= …………………………(1.7)
Mengatur focus teropong Letak dan celah kolimator diatur Menentukan besar sudut pelurus kolimator
II.METODOLOGI PERCOBAAN percobaan ini alat dan bahan yang digunakan adalah satu set spectrometer, lampu gas neon, lampu gas helium, step dan step down tranformator, reastat(hambatan geser) dan powers supply. Adapun langkah-langkah yang dilakukan pada percobaan ini adalah peralatan dirangkai sesuai dengan gambar (3), lampu gas neon pada system tegangan tinggi dipasang, latak lampu dibelakang celah kolimator diatur agar sinar dapat sampai ke prisma. Lampu dinyalakan dihubungkan dengan PLN. Kemudian focus teropong diatur agar dapat melihat benda di tak terhingga. Letak dan celah kolimator diatur agar
Besar sudut deviasi ditentukan Mengulangi percobaan dengan lampu gas yang berbeda finish Gambar 2.3 Flowchart percobaan
SPEKTROMETER (2015) (1-5)
3
III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Percobaan spectrometer yang bertujuan untuk mempelajari teori spektrometer prisma dengan pendekatan eksperimental, mengamati spektrum warna cahaya dari panjang gelombang tertentu, menentukan indeks bias prisma kaca dan menentukan panjang gelombang dengan menggunakan prisma yang telah di kalibrasi. Dalam percobaan ini menggunakan 2 lampu gas yaitu lampu gas helium dan lampu gas neon. Untuk percobaan pertama, yaitu menggunakan lampu gas neon dimana pada saat lampu neon diletakkan lurus dengan teleskop, cahaya yang masuk sejajar dan membentuk cahaya polikromatik dimana cahaya tersebut terdiri dari beberapa warna warna.Dibawah ini merupakan gambar dimana lampu neon menghasilkan spectrum cahaya sebagai berikut
Dari perhitungan diatas maka didapatkan nilai indeks bias prisma pada masing – masing spectrum warna. Berikut adalah nilai indeks sebagi berikut Tabel 3.2 Nilai indeks bias pada lampu gas neon
No
spektrum warna
indeks bias (n)
λ ref (nm)
1 2 3 4
merah orange kuning hijau
1.807894 1.811455 1.81337 1.81761
650 630 575 525
Setelah diketahui nilai referensinya, maka bisa dibandingkan dengan nilai panjang gelombang () dari suatu spektrum warna dengan menggunakan persamaan rumus sebagai berikut : diketahui : y = 6867.x + 1.792 y : indeks bias (n) 6867 : nilai konstanta 1,817 : konstanta regresi x : ditanya : ……………………….? jawab : jika nilai indeks biasnya 1.807894 maka : y =6867x+1.792 maka diubah menjadi: 1.807894 = 6867 + 1.792 Maka nilai adalah :
Gambar 3.1 Spektrum warna pada lampu gas neon
Dari hasil pengamatan, warna-warna spectrum cahaya tersebut dapat diukur sudut deviasinya melalui skala vernier. Adapun datanya disajikan dalam tabel berdasarkan sudut deviasi pada masing masing warna yang tampak yaitu sebagai berikut Tabel 3.1 Analisa Data pada lampu gas neon
Sudut deviasi neon (derajad)
No
spektrum warna
1
2
3
4
5
1
merah
69.2
69.6
69.3
69.4
69.5
2
orange
69.6
69.8
70
70
70
3
kuning
70
70
70.2
70.1
70.4
4
hijau
70.7
70.7
70.7
70.8
70.7
Dari hasil sudut deviasi diatas maka dapat dihitung nilai indeks bias prisma. Maka akan diperoleh hasil perhitungan dari nilai indeks bias (n) suatu prisma, sebagai berikut : diketahui : = 60° = 69,4 ditanya : n……………? jawab
=
:
°
= °
, °
n = 1,807894
=
.
= 674.5544nm
.
Dari contoh perhitungan diatas, maka dapat diketahui besar nilai perhitungan yaitu: Tabel 3.3 Nilai perhitungan pada lampu gas neon
No 1 2 3 4
spektrum warna merah orange kuning hijau
λ ref (nm) 650 630 575 525
λp 674.5544 606.7639 577.8209 526.1392
Dari perhitungan panjang gelombang, maka dapat dihitung pula besarnya error panjang gelombangnya. Nilai errornya dapat dicari menggunakan persamaan rumus sebagai berikut : diketahui : referensi = 650nm hitung = 674,5544nm ditanya : error……………………..? jawab : = 100%
,
= 100% = 3,777594% Berikut tabel nilai error panjang gelombang pada lampu gas neon : Tabel 3.4 Error pada lampu gas neon
No 1
spektrum warna merah
λ ref (nm) 650
λp
% error
674.5544
3.777594
SPEKTROMETER (2015) (1-5) 2 3 4
orange 630 kuning 575 hijau 525 error rata-rata
4 606.7639 577.8209 526.1392
3.688264 0.490591 0.216992 2.04336
Dari hasil analisa data sudut deviasi tersebut maka dapat dihitung indeks bias prisma. Berikut tabelnya: Tabel 3.6 Indeks bias prisma pada lampu gas helium
Dan grafik adalah sebagai berikut :
Lampu Gas Neon
1.82
y = 6867.x + 1.792 R² = 0.934
indeks bias (n)
1.815
spektrum warna
1 2 3 4
merah orange kuning hijau tosca ungu
indeks bias (n) 1.807894 1.813811 1.818191 1.825522
λ ref (nm) 690 625 525 400
Dari contoh perhitungan diatas, maka dapat diketahui besar nilai perhitungan yaitu:
neon
1.81
No
Linear (neon)
1.805 0.00E+00 1.00E-06 2.00E-06 3.00E-06 4.00E-06 1/(λ ref)^2
Gambar 3.3 Grafik fungsi n terhadap 1/λ referensi lampu gas neon
Untuk percobaan kedua yaitu lampu gas helium dimana lampu gas helium ini merupakan cahaya polikromatik. Cahaya polikromatik adalah cahaya tampak yang terdiri dari beberapa spectrum warna. Pada pengamatan ini terdapat warna cahaya biru yang dominan.
Tabel 3.7 Nilai perhitungan pada lampu gas helium
No
spektrum warna
λ ref (nm)
1 2 3 4
merah orange kuning hijau tosca ungu
690 625 525 400
λp 835.435 579.6657 492.7586 407.213
Kemudian dapat pula dihitung besar error panjang gelombang pada lampu helium yaitu sebagai berikut Tabel 3.8 Nilai error panjang gelombang pada lampu gas helium
No 1 2 3 4
spektrum λ ref warna (nm) merah 690 orange kuning 625 hijau tosca 525 ungu 400 error rata-rata
λp 835.435 579.6657 492.7586 407.213
% error 21.07754 7.253481 6.141228 1.803262 9.068878
Dan grafiknya sebagai berikut : 1.83
indeks bias (n)
1.825
Lampu Gas Helium y = 3834.x + 1.802 R² = 0.919
1.82
1.815
Gambar 3.3 spektrum warna pada lampu helium
Dari pengamatan cahaya tersebut maka dapat diukur sudut deviasi setiap warna cahaya spectrum yang muncul. Pengambilan data ini diulangi sampai lima kali setiap warna cahaya spectrum. Berikut data warna dan sudut deviasinya Tabel 3.5 Analisa Data pada lampu gas helium
No
spektrum warna
1
1.81
1.805
helium Linear (helium)
0.00E+00 2.00E-061/(λ 4.00E-06 ref)^26.00E-06 8.00E-06 Gambar 3.4 Grafik fungsi n terhadap 1/λ referensi lampu gas helium
Sudut deviasi helium (derajad) 1
2
3
4
5
merah
69.1
69.1
69.1
70.2
69.5
2
orange kuning
69.8
69.8
69.8
70.7
70.9
3
hijau tosca
70.7
70.8
70.9
70.7
70.9
4
ungu
71.8
71.8
71.9
71.8
71.8
Dalam percobaan spectrometer ini menggunakan prinsip difraksi atau pembiasan cahaya dan disperse yaitu penguraian cahaya. Karena pada alat spectrometer ini terdapat prisma dan apabila cahaya datang menuju prisma maka cahaya datang mendekati garis normal, dan ketika masuk kedalam prisma cahaya dibiaskan mendekati garis normal.Setelah itu cahaya keluar dan menjauhi garis normal dimana cahaya tersebut mengalami pembelokan dan cahaya terurai menjadi spectrum
SPEKTROMETER (2015) (1-5) warna. Pada lampu yang digunakan yaitu lapu gas neon dan lampu gas helium, hal ini karena lampu gas neon dan helium mempunyai panjang gelombang yang diskrit dimana panjang gelombang tersebut terpaket paket energi, dank arena diskrit jadi mudah untuk mengalami pengamatan spectrum warna cahayanya. Berbeda dengan panjang gelombang yang continue, spectrum warna cahaya nya seperti terdegradasi jadi campur campur sehingga sulit untuk mengamati spectrum warna cahayanya. Fungsi alat alat dalam percobaan spectrometer ini adalah spectrometer sendiri berfungsi untuk mengukur besarnya panjang gelombang dari tiap-tiap spectrum cahaya.Didalam spectrometer terdiri dari kolimator yaitu sebagai penyearah sinar atau memfokuskan sinar dari cahaya yang masuk ke lensa sehigga dapat dipancarkan tepat pada prisma. Selanjutnya skala vernier untuk menunjukkan besar nilai dari sudut disperse dan spectrum warna yang dihasilkan. Teleskop sebagai penerima sinar didispersikan sehingga dapat diamati spectrum warna yang dihasilkan. Kemudian lampu gas neon dan helium sebagai sumber cahaya yang akan didispersikan oleh prisma. Step up dan down transformer, reastat, dan power supply. Cahaya putih diarahkan ke prisma, maka cahaya putih akan terurai menjadi cahaya merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Cahaya-cahaya ini memiliki panjang gelombang yang berbeda. Setiap panjang gelombang memiliki indeks bias yang berbeda. Semakin kecil panjang gelombangnya semakin besar indeks biasnya. Dispersi pada prisma tersebut terjadi karena adanya perbedaan indeks bias kaca setiap warna cahaya. Dari hasil pengamatan pada spectrum warna merah, warna merah mempunyai sudut deviasi yang paling tinggi diantara lainnya dan yang paling rendah sudut deviasinya yaitu warna ungu. Hal ini dikarenakan merah mempunyai nilai indeks bias yang rendah dibangdingkan dengan warna ungu. Dan karena merah rendah nilai indeks biasnya makan panjang gelombangnya semakin besar.Begitu sebaliknya pada warna ungu, indeks biasnya yang tinggi maka mempunyai panjang gelombang yang kecil. Dan pada grafik dapat diketahui hubungan antara indeks bias lampu gas dengan panjang gelombang spektrum warna yang telah diketahui dari referensi. Grafik pada lampu gas neon dan helium, keduanya menunjukkan penurunan indeks bias terhadap penambahan panjang gelombang, artinya semakin panjang panjang gelombangnya, semakin kecil indeks biasnya. Error yang dihasilkan antara panjang gelombang menurut referensi dan panjang gelombang secara perhitungan percobaan saat menggunakan lampu gas helium adalah 9.068878 %, sedangkan Error yang dihasilkan antara panjang gelombang menurut referensi dan panjang gelombang secara perhitungan percobaan saat menggunakan lampu gas neon adalah 2.04336 %. IV. KESIMPULAN Dari percobaan yang telah dilakukan maka telah didapatkan kesimpulan bahwa semakin panjang panjang gelombangnya, semakin kecil indeks biasnya. Error yang dihasilkan antara panjang gelombang menurut referensi dan panjang gelombang secara perhitungan percobaan saat menggunakan lampu gas helium adalah 9.068878%,
5 sedangkan Error yang dihasilkan antara panjang gelombang menurut referensi dan panjang gelombang secara perhitungan percobaan saat menggunakan lampu gas neon adalah 2.04336%.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada asisten, rekanrekan praktikan dan semua pihak yang terkait Praktikum Spektrometer dalam melakukan percobaan dan menyelesaikan laporan ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Giancoli, Douglas, C. 2001. “ Fisika Dasar Jilid 2 “. Jakarta ; Erlangga. [2] Bueche, F. J. 1998. “Principle of Physics : Fifth Edition “. USA [3] Utami, Hesti P. 2007. “ Mengenal Cahaya dan Optik “. Jakarta ; Ganesa Exact. [4]Young, D Bough. 2012. “ University Physics “. USA ; Addisaon Weasly.
