SPEKTROMETER KISI

BAB I

PENDAHULUAN

1.1  Latar Belakang

Cahaya merupakan unsur terpenting dalam kehidupan. Cahaya energi berupa gelombang elektromagnetik. Terdapat beberapa penyebaran gelombang cahaya, diantara lain adalah difraksi. Difraksi merupakan gejala penyebaran arah yang dialami oleh seberkas gelombang cahaya ketika melalui suatu celah sempit dibandingkan dengan ukuran panjang gelombangnya. Semakin kecil ukuran celah maka semakin besar penyebaran gelombangnya. Sesuai dengan prinsip huygens, ketika suatu gelombang datang melewati sebuah celah maka seluruh titik pada celah tersebut akan berfungsi sebagai sumber gelombang sekunder yang akan memancarkan gelombang cahaya baru.

Berbagai segi yang dapat diamati dari radiasi ini dapat diterangkan atas dasar teori kuantum cahaya tak bergantung pada rincian prosesradiasi itu sendiri atau dari sifat materialnya. Pada ekstrim yang lain, atom atau molekul pada gas bertekanan rendah berjarak rata-rata cukup jauh sehingga interaksi hanya terjadi pada saat tumbukan yang kadang-kadang terjadi. Dalam keadaan seperti ini dapat kita harapkan bahwa radiasi yang dipancarkan merupakan karakteristik dari atom atau molekul secara individual yang terdapat disitu; harapan ini ternyata terbukti secara eksperimental.

Untuk eksperimen spektrum kisi ini gelombang cahaya akan mengalami difraksi dengan melewati sebuah celah sempit. Spektrometer dapat membantu kita untuk mengamati garis – garis spektrum warna yang berasal dari sumber cahaya merkuri dengan masing – masing panjang gelombang yang berbeda untuk tiap - tiap spektrum warna baik pada orde satu, orde dua maupun orde tiga. Selain itu juga dapat menentukan jarak antar celah pada sebuah kisi.

1.2  Tujuan

1.      Untuk menentukan harga konstanta Planck dalam percobaan

2.      Untuk menentukan panjang gelombang dari masing-masing spektrum warna yang Nampak dalam percobaan

3.      Untuk mengetahui aplikasi percobaan spektrometer kisi

BAB II

DASAR TEORI

Spectrum gas molecular atau uap molecular berisi pita-pita yang terdiri dari banyak sekali garis yang terletak sangat berdekatan. Pita timbul dari rotasi dan vibrasi (getaran) atom dalam molekul yang tereksitasi elektronis. Telah ditemukan bahwa zat mampat (zat padat dan zat cair) pada setiap temperatur memancarkan radiasi dimana setiap panjang gelombang terdapat, walaupun dengan intensitas yang berbeda-beda.

            Berbagai segi yang dapat diamati dari radiasi ini dapat diterangkan atas dasar teori kuantum cahaya tak bergantung pada rincian prosesradiasi itu sendiri atau dari sifat materialnya. Pada ekstrim yang lain, atom atau molekul pada gas bertekanan rendah berjarak rata-rata cukup jauh sehingga interaksi hanya terjadi pada saat tumbukan yang kadang-kadang terjadi. Dalam keadaan seperti ini dapat kita harapkan bahwa radiasi yang dipancarkan merupakan karakteristik dari atom atau molekul secara individual yang terdapat disitu; harapan ini ternyata terbukti secara eksperimental. Jika gas atomik atau uap atomik yang bertekanan sedikit dibawah dari tekanan atmosfer “diekstasikan”, biasanya dengan mengalirkan arus listrik, radiasi yang dipancarkan mempunyai spektrum yang berisi panjang gelombang tertentu saja. Spektrometer sesungguhnya memakai kisi difraksi. Setiap unsur memperlihatkan spektrum garis yang unik bila sampelnya dalam fase uap diekstansikan, jadi spektroskopi merupakan alat yang berguna untuk menganalisis komposisi zat yang tak diketahui.

Bila cahaya putih dilewatkan melalui gas, ternyata gas itu akan menyerap cahaya dengan panjang gelombang tertentu dari panjang gelombang yang terdapat dari spektrun emisi. Spektrum garis absorpsi yang terjadi terdiri dari latar belakang  yang terang ditumpangi oleh garis gelap yang bersesuaian dari panjang gelombang yang diserap. Garis Fraunhofer dalam spektrum surya timbul karena bagian bersemeri (bercahaya terang) dari matahari yang meradiasi dengan ramalan teoritis benda bertemperatur 5800 K, dilingkungi oleh selubung gas yang lebih dingin yang menyerap cahaya dengan panjang gelombang yang tertentu saja.

            Pada akhir abad ke-sembilanbelas ditemukan orang bahwa panjang gelombang yang terdapat pada spektrum atomik jatuh pada kumpulan tertentu yang disebut deret spektral. Panjang gelombang dalam setiap deret dapat dispesifikasikan dengan rumus empirisyang sederhana dengan keserupaan yang mengherankan antara rumusan dari berbagai deret yang menyatakan spektrum lengkap suatu unsur. Deret spektral pertama yang serupa itu didapatkan oleh J.J Balmer pada tahun 1885 ketika ia mempelajari bagian tampak spektrum hidrogen. Ketika panjang gelombangnya bertambah kecil, garisnya didapatkan bertambah berdekatan dan intensitasnya lebih lemah sehingga batas deret pada 3.643 Å dicapai, di luar batas itu tidak terdapat lagi garis yang terpisah, hanya terdapat spektrum malar (kontinu) yang lemah. Rumus balmer untuk panjang gelombang dalam deret ini memenuhi :

 = R( - )      n = 3,4,5, dst  ........................................ (2.1)

Terdapatnya keteraturan yang mengherankan ini dalam spektrum hidrogen, bersamaan dengan keteraturan yang serupa itu dalam unsur yang lebih kompleks, membuka test yang menentukan untuk teori struktur atomik.

(Arthur Beiser, 1991)

Spektroskop adalah perangkat untuk mengukur panjang gelombang akurat menggunakan kisi difraksi, atau prisma, untuk memisahkan panjang gelombang cahaya yang berbeda. Cahaya dari sumber melewati celah sempit di kolimator tersebut. Celah berada pada titik fokus lensa, sehingga cahaya paralel jatuh pada kisi-kisi. Teleskop bergerak dapat membawa sinar ke fokus. Tidak akan terlihat dalam teleskop melihat kecuali diposisikan pada sudut yang sesuai dengan puncak difraksi ( urutan pertama biasanya digunakan ) dari panjang gelombang yang dipancarkan oleh sumber. Sudut dapat diukur dengan akurasi yang sangat tinggi, sehingga panjang gelombang garis dapat ditentukan dengan akurasi tinggi menggunakan :

Sin = mλ / d .........................................................................................(2.2)

Dimana m adalah bilangan bulat yang mewakili perintah, dan d adalah jarak antara garis kisi (garis yang Anda lihat dalam spektroskop sesuai untuk setiap panjang gelombang sebenarnya gambar dari celah S, jadi sempit celah, jika cahaya mengandung sempit - tapi redup - adalah garis, dan lebih tepat dapat pengukurannya. berbagai berkesinambungan panjang gelombang, maka Anda akan melihat spektrum kontinu dalam spektroskop).

Dalam beberapa spektroskopis, kisi-kisi refleksi atau prisma digunakan. Sebuah prisma, karena dispersi, lengkungan cahaya dari panjang gelombang yang berbeda dalam sudut yang berbeda. Prisma A memiliki kelemahan yang menghasilkan garis-garis kurang tajam dan kurang mampu memisahkan garis yang berdekatan. Tapi itu memiliki keuntungan membelokkan cahaya lebih banyak (dan jadi lebih berguna untuk sumber redup) dari kisi difraksi biasa, karena dengan huruf sebagian besar cahaya melewati langsung melalui ke puncak pusat.

Namun, grating refleksi sekarang dapat dibuat yang memiliki alur berbentuk, sehingga sebagian besar cahaya tercermin pada tepat. Jika spektrum sumber dicatat (misalnya, pada film) daripada dilihat oleh mata, perangkat ini disebut spektrometer, dibandingkan dengan spektroskop, meskipun istilah ini kadang-kadang digunakan secara bergantian. Perangkat yang juga dapat mengukur intensitas cahaya dari panjang gelombang tertentu disebut spektrofotometer.

Penggunaan penting dari setiap perangkat ini adalah untuk identifikasi atom atau molekul. Bila gas dipanaskan atau arus listrik yang besar melewatinya, gas memancarkan spektrum garis karakteristik yaitu, hanya panjang gelombang tertentu dari cahaya yang dipancarkan, dan ini berbeda untuk unsur yang berbeda dan senyawa . Spektrum garis hanya terjadi untuk gas pada suhu tinggi dan tekanan rendah. Cahaya dari padatan dipanaskan, seperti bola filamen lampu, dan bahkan dari benda padat gas seperti matahari, menghasilkan spektrum kontinu termasuk berbagai panjang gelombang. Atom dan molekul menyerap cahaya pada panjang gelombang yang sama di mana mereka memancarkan cahaya.

Garis penyerapan matahari adalah karena penyerapan oleh atom dan molekul di atmosfer luar lebih dingin dari matahari, maupun oleh atom dan molekul di atmosfer bumi. Sebuah analisis yang cermat dari semua ribuan baris mengungkapkan bahwa setidaknya dua pertiga dari semua elemen yang hadir di atmosfer matahari. Kehadiran elemen di atmosfer planet lain, di ruang antar, dan mulai juga ditentukan oleh spektroskop.

Spektroskopi berguna untuk menentukan adanya beberapa jenis molekul dalam spesimen laboratorium tempat analisis kimia akan sulit. Misalnya, DNA biologis dan berbagai jenis protein menyerap cahaya di daerah tertentu dari spektrum (seperti dalam UV ). Bahan yang akan diperiksa, yang sering dalam larutan, ditempatkan dalam sinar monokromatik dengan panjang gelombang yang dipilih oleh penempatan prisma atau kisi difraksi. Jumlah penyerapan, dibandingkan dengan solusi standar tanpa spesimen, dapat mengungkapkan tidak hanya kehadiran jenis tertentu molekul, tetapi juga konsentrasi. Emisi cahaya dan penyerapan juga terjadi di luar bagian terlihat dari spektrum, seperti di daerah UV dan IR. Karena kaca menyerap cahaya di wilayah ini, grating refleksi dan cermin (di tempat lensa) yang digunakan. Jenis khusus film, atau fotosel detektor, digunakan untuk mendeteksi.

(Douglas C. Giancoli, 1991)

Difraksi merupakan gejala pembelokan gelombang cahaya karena melalui celah sempit. Semakin sempit celah yang dilalui cahaya, semakin dapat menghasilkan perubahan arah penjalaran cahaya yang semakin lebar. Peristiwa difraksi ini dijelaskan melalui pernyataan Augustin Fresnel yang berisikan bahwa setiap titik muka gelombang di celah merupakan sumber cahaya titik dari gelombang bola, sehingga muka gelombang neto pada titik-titik di luar celah adalah hasil superposisi gelobang yang bersumber dari titik muka gelombang di celah.

            Arah gelombang saat keluar dari celah tidaklah lurus diakibatkan oleh munculnya muka gelombang sekunder sebagai sumber gelombang yang mengalami pembelokan dari arah semula. Seandainya lebar celah tunggal itu adalah a, dan semua cahaya yang ditinjau berarah menuju ke titik P di layar. Distribusi intensitas cahaya di layar sebagai fungsi 𝛳 dapat dihitung dengan mengandaikan celah di sepanjang sumbu y dibagi oleh sekat-sekat, dan setiap sekat lebarnya dy.

            Pola interferensi destruktif maksimum di P bila di P berintensitas minimum atau garis gelap bila beda lintasan cahaya pada celah kelompok 1 ke garis intensitas minimum pertamanya. Secara umum, interferensi destruktif maksimum yang terjadi di layar (ketika lebar celah a, panjang gelombang λ, pada orde garis gelap m, dan sudut celah ke P terhadap garis datar di pusat celah adalah 𝛳) dipenuhi syarat maksimum ketika 𝛳 bernilai nol.

            Garis terang atau puncak spectrum terjadi salah satunya pada 𝛳 = 0, puncak itu berada di antara garis minimum pertama sebelah kanan puncak pusatnya. Jarak antara kedua garis berintensitas maksimum itu disebut lebar puncak pusat. Lebar puncak pusat bertambah lebar bila a semakin kecil dan bila a lebih besar maka 𝛳 mengecil. Jika a jauh lebih besar dari λ, maka semua cahaya yang jatuh di layartidak memberikan garis berintensitas minimum, sebab lebar intensitas pusat amatlah besar.

            Seperti halnya celah tunggal, celah bergeometri bundar dan tunggal juga dapat menamilkan pola interferensi di layar karena peristiwa difraksi cahaya. Intensitas cahaya fungsi sudut (𝛳) oleh difraksi celah bundar yang memiliki diameter tertentu akan berintensitas maksimum bila berada di pusatnya (𝛳 = 0). Selain itu terdapat pula deretan intensitas maksimum dan maksimum sekunder dengan posisi anguler pada minimum pertamanya. Pemisahan anguler adalah selisih anguler antara intensitas maksimum oleh sumber pertama, terhadap intensitas maksimum dari sumber kedua yang terletak di suku difraksi minimum oleh sumber pertama. Sejumlah alat optik menggunakan celah bundar, misalnya : teleskop, mikroskop, dan kamera.

(Tri Kuntoro Priyambodo, 2010)

Kisi dapat dibuat dengan menggoreskan sederetan garis-garis sejajar pada film transparan. Garis-garis ini kemudian berfngsi sebagai ruang diantar celah-celah, kisi difraksi kisi refleksi, yaitu kisi yang dibentuk oleh sederetan garis-garis yang dibuat pada permukaan metal. Daerah antara dua garis yang akan memantulkan cahaya membuat suatu pola difraksi. Jika cahaya polikromatik jatuh pada kisi, tiap-tiap  akan membentuk garis maksimum pada sudut-sudut yang berbeda-beda kecuali pada orde m=0. Sudut ini sama untuk semua panjang gelombang. Maksimal dari berkas tersebut pada suatu orde akan merupakan suatu spektrum. Jadi ada spektrum orde ke 1,2,3, dan seterusnya. Semakin besar  makin besar deviasi untuk suatu orde, berarti warna merah dideviasi lebih besar daripada warna violet, hal ini kebalikan dari apa yang terjadi pada dispersi oleh prisma.

Deviasi adalah perubahan arah dari jalan sinar. Dispersi adalah peristiwa penguraian warna dari suatu berkas campuran panjang gelombang.

D = = dispersi sudut atau daya dispersi

d sin =matau sin , maka jika dideferensiasi diperoleh

cos ,

Jadi,

Sehingga D =  =  ...............................................................(2.3)

Kisi difraksi penting untuk menganalisis spektrum gelombang elektromagnetik yang memiliki daerah yang luas dan lebih menguntungkan daripada mengunakan prisma. Salah satu hal yang menguntungkan adalah kisi difraksi tidak bergantung kepada sifat-sifat dispersif dari bahan, hanya bergantung pada geometri (bentuk, ukuran) dari kisi.

Dua berkas cahaya dengan panjang gelombang λ₁ dan λ₂ yang berbeda kecil sekali (∆λ= λ₁ – λ₂ ≈ 0) jatuh pada sebuah kisi difraksi, maka maksimum utama pada orde yang sama λ₁ dan λ₂ dapat terbentuk sangat berdekatan sehingga sukar untuk membedakannya apakah berkas yang asli monokromatis atau tidak. Agar supaya kedua panjang gelombang dapat dibedakan atau dilihat secara terpisah pada suatu orde tertentu, haruslah maksimum dari λ₁ berimpit dengan minimum dari λ₂ dan sebaliknya.

 (Ganijanti Aby Sarojo, 2011)

Pada tahun 1912, max von laue menyarankan bahwa, lantern susunan angular atom – atomnya yang sedemikian rupa, kristal - kristal dapat digunakan sebagai kisi – kisi difraksi untuk sinar x. Sinar X merupakan radiasi elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang sekitar 1Å, yaitu suatu ukuran yang sama dengan jarak interatomik dalam kristal tertentu.  

            Teori difraksi sinar x dikembangkan oleh Sir William H. Bragg pada tahun 1913. Bragg menunjukkan bahwa sebuah bidang yang berisi atom – atom di dalam kristal, yang disebut bidang bragg, akan memantulkan radiasi dengan cara yang sama persis dengan peristiwa pemantulan cahaya di bidang cermin. Jika kita tinjau radiasi yang dipantulkan oleh bidang bragg yang tersusun secara parallel dan berjarak d satu sama lain, maka ada kemungkinan sinar – sinar datang akan dipantulkan oleh setiap bidang dan saling berinterferensi secara konstruktif untuk menghasilkan penguatan secara menyeluruh terhadap sinar pantul.

            Kondisi untuk interferensi konstruktif tersebut menggambarkan bahwa perbedaan lintasan antara kedua sinar, AB = 2 d sin θ akan sama dengan paduan sejumlah panjang gelombang. Oleh karena itu dapat dinyatakan bahwa :

            nλ = 2d sin θ ……………………………………………………….………………… (2.4)

jika n dan d kecil deketahui, panjang gelombang sinar dating dapat ditentukan dengan mengukur sudut hamburan 2 antara sinar-sinar transmisi dan difraksi. Didalam setiap Kristal, bebberapa jenis bidang Bragg yang berbeda, masing-masing dengan jarak pisah nya sendiri-sendiri, dapat dibentuk dengan mengiris Kristal tersebut melalui berbagai cara. setiap jenis bidang ini dapat menaikkan difraksi. Dengan begitu, jika sinar x dilewatkan kedalam kristal-kristal yang memiliki orientasi acak, seperti dalam sampel bubuk atau dalam timah tipis, pola difraksi yang berbentuk lingkaran-lingkaran konsentris akan teramati di layar yang terletak di belakang sampel.

            Sebuah lingkaran tertentu akan berhubungan dengan difraksi orde tertentuyang dihasilkan oleh jenis bidang tertentu pula. Menurut bidang Bragg utama, jarak pisah tersebut adalah jarak interatomik. Menurut pengukuran sinar x dan mengukur intensitas electron-elektron yang terhambur sebagai fungsi sudut hamburan. Jika tidak terdapat efek difraksi, maka intensitas elektron-elektron yang terhambur akan mengalami penurunan secara monoton terhadap sudut hamburan, tanpa adanya elektron-elektron fraksi besar di setiap sudut tunggal. Alih-alih dijumpai bahwa terdapat sebuah puncak yang jelas untuk intensitas elektron pada sudut hamburan 50^o. dengan sebuah koreksi kecil, panjang gelombang dari perhitungan tersebut akan memenuhi panjang gelombang de Broglie, yang dengan demikian membuktikan hipotesis de Broglie. Jika elektron-elektron berperilaku seperti partikel, citra yang samar akan dihasilkan oleh sinar transisi.

                                                                                                (R.Gautreau dan W.Savin, 2006)

 

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1 Peralatan dan Fungsi

1.      Spektrometer

Fungsi : sebagai alat untuk mengamati spektrum cahaya.

2.      Induktor Ruhmkorf

Fungsi : sebagai sumber tegangan.

3.      Lampu Cd, Hg dan Na.

Fungsi : sebagai sumber cahaya yang diamati.

4.      Kisi 600 Line/cm dan 80 Lines/cm

Fungsi : sebagai celah untuk jalan masukknya cahaya.

3.2  Prosedur Percobaan

1.      Dipasang lampu (Cd/Hg/Na) yang dihubungkan dengan sumber Induktor Ruhmkorf.

2.      Dihidupkan Induktor Ruhmkorf

3.      Diletakkan kisi

4.      Ditentukan besar ө standart

5.      Diukur besar ө kiri dan ө kanan

3.3  Gambar

(terlampir)

DAFTAR PUSTAKA

Beiser, Arthur. 1991. “KONSEP FISIKA MODERN”. Edisi Ketiga. Jakarta : Erlangga

              Halaman : 176-125

Giancoli, Douglas C. 1991. “PHYSICS”. Third Edition. New Jersey: Prentice Hall..

              Pages : 631-635

Priyambodo, Tri Kuntoro. 2010. “FISIKA DASAR”. Yogyakarta : ANDI.

  Halaman : 236-243

Sarojo, Ganijanti Aby. 2011. “GELOMBANG DAN OPTIKA”. Jakarta : Salemba Teknika.

  Halaman : 241-242.

Gautreau, Ronald dan William Savin. 2006 . FISIKA MODERN . Edisi kedua . Jakarta :

Erlangga. Halaman : 68