MODUL 3

SPEKTROMETER SEDERHANA

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. TUJUAN

Tujuan dari praktikum fisika dasar II “Spektrometer Sederhana” ini adalah:

1. Mempelajari garis-garis spektra atom dengan cara spektroskopi.

2. Memahami prinsip kerja spektrometer sederhana.

3. Menentukan indeks bias dari spektrum - spektrum gas/Lampu Hg.

1.2. ALAT DAN BAHAN

1. Spektrometer lengkap, terdiri dari:

a. Kolimator.

b. Meja kecil.

c. Teropong.

d. Jarum penunjuk/skala.

2. Prisma sama sisi dan sama kaki.

3. Sumber cahaya (lampu Hg).

4. Sistem tegangan tinggi untuk lampu.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. TEORI DASAR

Pada umunya cahaya terdiri dari beberapa komponen warna dengan panjang

gelombang masing-masing. Jika cahaya datang pada salah satu sisi prisma, maka

akan terjadi penguraian warna dalam bentuk spektrum-spektrum. Gejala ini disebut

dispersi cahaya. Jadi Dispersi adalah peristiwa penguraian cahaya polikromatik

(putih) menjadi cahaya-cahaya monokromatik (me, ji, ku, hi, bi, ni, u) pada prisma

lewat pembiasan atau pembelokan. Peristiwa dispersi ini terjadi karena perbedaan

indeks bias tiap warna cahaya. Salah satu fenomena alam dispersi adalah

munculnya pelangi. Pelangi adalah spektrum sinar matahari yang diuraikan oleh

butir-butir air hujan.

Cahaya berwarna merah mengalami deviasi terkecil sedangkan warna ungu

mengalami deviasi terbesar. Sesuai dengan hukum Snellius. karena indeks bias yang

lebih besar untuk panjang gelombang yang lebih pendek, maka cahaya ungu akan

dibelokkan paling jauh dan merah akan dibelokkan paling dekat.

Hal ini membuktikan bahwa cahaya putih terdiri dari harmonisasi berbagai

cahaya warna dengan berbeda-beda panjang gelombang. Hal ini dapat diamati

melalui Spektrometer.

Spektrometer adalah alat yang dipakai untuk mengukur panjang gelombang

cahaya dengan akurat yaitu dengan menggunakan kisi difraksi. atau prisma untuk

memisahkan panjang gelombang cahaya yang berbeda. Sebuah prisma atau kisi kisi

mempunyai kemampuan untuk menguraikan cahaya menjadi warna warna

spektralnya. Indeks cahaya suatu bahan menentukan panjang gelombang cahaya

mana yang dapat diuraikan menjadi komponen komponennya. Untuk cahaya

ultraviolet adalah prisma dari kristal, untuk cahaya putih adalah prisma dari kaca,

untuk cahaya infrared adalah prisma dari garam batu.

Gambar 3.1. Dispersi cahaya pada prisma

Prinsip kerja dari Spektrometer adalah, cahaya di datangkan lewat celah

sempit yang disebut kolimator. Kolimator ini merupakan fokus lensa, sehingga

cahaya yang diteruskan akan bersifat sejajar. Cahaya yang sejajar, kemudian

diteruskan ke kisi untuk kemudian ditangkap oleh teleskope yang posisinya dapat

digerakkan. Pada posisi teleskope tertentu yaitu pada sudut θ, merupakan posisi

yang sesuai dengan terjadinya pola terang (pola maksimum), maka hubungan

panjang gelombang cahaya memenuhi persamaan :

λ = Sin θ . d/m

Dimana m adalah bilangan bulat yang merepresentasikan orde, dan d jarak

antara garis-gartis pada kisi. Dengan mengukur nilai θ, maka nilai panjang

gelombang (λ) dari cahaya dapat diukur.

Gambar 3.2. Spektrometer Prisma

Alat ini juga dapat dipakai untuk menentukan ada tidaknya jenis-jenis molekul

tertentu pada spesimen laboratorium dimana analisa kimia tidak dapat dipakai.

Sinar cahaya yang digunakan berupa lampu gas yang diberikan tegangan

tinggi, sehingga lampu akan memancarkan sinar-sinar dengan panjang gelombang

yang spesifik (tergantung jenis gas yang digunakan.

Dengan meletakkan lampu gas (Hg) di depan Kolimator, maka sinar yang

menuju ke arah salah satu sisi prisma akan membentuk spektrum pada sisi lain.

Spektrum ini dapat diamati melalui teropong dan diketahui kedudukannya dengan

membaca skalanya.

Gambar 3.2. Skema Spektrometer

Jika spektrum diketahui panjang gelombangnya, maka spektrometer ini dapat

digunakan untuk menentukan panjang gelombang spektrum zat yang belum

diketahui. Untuk lampu Hg paling sedikit ada Sembilan garis spektrum, diantaranya

dengan panjang gelombang sebagai berikut:

No

.Warna λ (Å)

1 Merah 6234

2 Merah 6152

3 Kuning 5700

4 Kuning 5770

5 Hijau 5461

6 Hijau – biru 4916-4539

7 Biru 43348

8 Violet 4078

9 Violet 4047

Tabel 3.1. Garis spektrum lampu Hg

Jika ditinjau dari susunan spektrumnya, maka :

a) Indeks bias (n) : Ungu terbesar sedang merah terkecil.

b) Deviasi (δ) : Ungu terbesar sedang merah terkecil.

c) Frekuensi (f) : Ungu terbesar sedang merah terkecil.

d) Energi photon (Eph) : Ungu terbesar sedang merah terkecil.

e) Panjang gelombang (λ ) : Ungu terkecil sedang merah terbesar.

f) Kecepatan (v) : Ungu terkecil sedang merah terbesar.

Sudut yang dibentuk antara deviasi sinar merah (deviasi terkecil) dan sudut

deviasi sinar ungu (deviasi terbesar) dinamakan sudut dispersi (ω) atau disebut juga

dispersi fraunhofer

2.2. PEMBIASAN PADA PRISMA

Prisma adalah benda bening (transparan) terbuat dari gelas yang dibatasi oleh

dua bidang permukaan yang membentuk sudut tertentu yang berfungsi

menguraikan (sebagai pembias) sinar yang mengenainya. Permukaan ini disebut

bidang pembias, dan sudut yang dibentuk oleh kedua bidang pembias disebut sudut

pembias (β). Cahaya yang melalui prisma akan mengalami dua kali pembiasan, yaitu

saat memasuki prisma dan meninggalkan prisma. Jika sinar datang mulamula dan

sinar bias akhir diperpanjang, maka keduanya akan berpotongan di suatu titik dan

membentuk sudut yang disebut sudut deviasi. Jadi, sudut deviasi ( δ ) adalah sudut

yang dibentuk oleh perpanjangan sinar datang mula-mula dengan sinar yang

meniggalkan bidang pembias atau pemantul.

Gambar 3.2. Sudut deviasi pada pembiasan prisma

Pada segiempat ABCE berlaku hubungan:

β + ∠ABC = 180o

Pada segitiga ABC berlaku hubungan:

r1+i2 +∠ABC = 180o

Sehingga diperoleh hubungan:

β+ ∠ABC = r1 +i2 +∠ABC

β= r1 + i2 .......... (1)

dengan: β = sudut pembias prisma

i2 = sudut datang pada permukaan 2

r1 = sudut bias pada permukaan 1

Pada segitiga ACD, ADC + CAD + ACD = 180o dengan CAD = i1 – r1 dan ACD =

r2 – i2, sehingga berlaku hubungan:

ADC + (i1 – r1) + (r2 – i2) = 180o

ADC = 180o + (r1 + i2) – (i1 + r2)

Jadi, sudut deviasi (δ) adalah:

δ = 180o – ADC

= 180o – [180o + (r1 + i2) – (i1 + r2)]

= (i1 + r2) – (r1 + i2)

Diketahui β = r1 + i2 (persamaan (1)), maka besar sudut deviasi yang terjadi

pada prisma adalah:

δ = (i1 + r2) – β ............ (2)

dengan: δ = sudut deviasi

i1 = sudut datang mula-mula

r2 = sudut bias kedua

β = sudut pembias

Sudut deviasi berharga minimum ( δ= 0) jika sudut datang pertama (i1) sama

dengan sudut bias kedua (r2). Secara matematis dapat dituliskan syarat terjadinya

deviasi minimum ( δm ) adalah i1 = r2 dan r1 = i2, sehingga persamaan (2) dapat

dituliskan kembali dalam bentuk:

δm = (i1 + i1) –β

= 2i1 – β

i1 = δm + β /2 ............. (3)

Selain itu, deviasi minimum juga bisa terjadi jika r1 = i2,maka dari persaman (3)

diperoleh:

β = r1 + r1 = 2r1

r1 = β/2 .......................... (4)

Bila dihubungkan dengan Hukum Snellius diperoleh:

n1.sin i1 = n2.sin r1

sin i1/sin r1 = n2/n1

Masukkan i1 dari persamaan (3) dan r1 dari persamaan (4) sehingga:

Sin i1/sinr1 = n2/n1 n2/n1 = sin ½ (β + δm) / sin ½ β

sin ½ (β + δm) = sin ½ β . n2 / n1 …………….(5)

Untuk sudut pembias yang kecil (β< 15o):

δm = [(n2/n1) – 1] β ……………….(6)

Jika n1 = udara, maka n1 = 1, sehingga persamaan di atas menjadi:

δm = (n2-1) β .................. (7)

dengan: n1 = indeks bias medium

n2 = indeks bias prisma

β = sudut pembias (puncak) prisma

δm = sudut deviasi minimum

2.3. SUDUT DISPERSI

Sudut dispersi merupakan sudut yang dibentuk antara deviasi sinar satu

dengan sinar lain pada peristiwa dispersi (penguraian cahaya). Sudut ini merupakan

selisih deviasi antara sinar-sinar yang bersangkutan. Jika sinar-sinar polikromatik

diarahkan

pada prisma, maka akan terjadi penguraian warna (sinar monokromatik) yang

masingmasing sinar mempunyai deviasi tertentu. Selisih sudut deviasi antara dua

sinar adalah sudut dispersi, .

Gambar 3.3. Dispersi sinar merah terhadap sinar ungu

Sebagai contoh, pada Gambar 3.3 dapat dinyatakan:

a) deviasi sinar merah δm =(nm -1) β

b) deviasi sinar ungu δu =(nu -1) β

Dengan demikian, dispersi sinar merah terhadap ungu sebesar:

= δu - δm .............. (8)

= (nu – 1)β – (nm – 1)β

= (nu – nm) β............................. (9)

dengan: = sudut dispersi

nu = indeks bias warna ungu

nm = indeks bias warna merah

β = sudut pembias prisma

BAB III

PROSEDUR PERCOBAAN

1. Memasang lampu Hg pada sistem tegangan tinggi.

2. Mengatur letak lampu dibelakan celah kolimator sehingga sinar sampai ke

prisma. Lalu menghubungkannya dengan sumber tegangan.

3. Mengatur fokus teropong sehingga dapat melihat benda di tak terhingga.

4. Mengatur letak dan celah kolimator sehingga spektrum yang terjadi cukup

tajam dan spektrum tampak bersama-sama dengan pembagian skala.

5. Mencatat kedudukan teropong untuk semua garis spektrum lampu Hg.

6. Mencatat kuat dan lemahnya garis-garis spektrum (intensitasnya).

7. Meletakkan prisma sama sisi di atas meja spektrometer dengan mengubah

kadudukan teropong. Mencari kedudukan spektrumnya pada kedua sisi

(kanan dan kiri). Mencatat kedudukan skala pada teropong.

8. Mencatat kedudukan teropong hingga terlihat pantulan cahaya oleh kedua

sisi prisma.

9. Mengganti prisma dengan prisma yang sama kaki, kemudian mengulangi

percobaan no. 5 dan 6 dengan cara yang sama

BAB IV

HASIL PERCOBAAN DAN ANALISA DATA

4.1. DATA DAN PENGAMATAN

No. Warna

Deviasi minimum Dmin ( 0) Panjang

gelombang λ

(Angstrom Å)

β = 600 β = 900

Sisi 1 Sisi 2 Sisi 1 Sisi 2

1 Merah 138,50 146,00 155,20156,2

06234

2 Jingga 138,00 145,70 155,00156,1

06152

3 Kuning 138,00 145,50 154,80156,0

05790

4 Hijau muda 137,00 145,30 154,50155,8

05770

5 Hijau 136,50 145,00 154,40155,7

05461

6 Biru 136,00 144,80 154,10155,5

04358

7 Ungu 135,50 144,60 153,90155,2

04047

Tabel 3.2. Data Hasil Percobaan

4.2. PERHITUNGAN

4.2.1. Indeks Bias Prisma

Rumus : n = sin ½ (β + δm) / sin ½ β

Dimana: n = indeks bias

β = sudut puncak prisma

δm = deviasi minimum

No

.Warna

Deviasi minimum δm ( 0)

Indeks bias (n)β = 600

Sisi 1 Sisi 1 Rata-rata

1 Merah 138,50 146,00 142,25 1,962

2 Jingga 138,00 145,70 141,85 1,964

3 Kuning 138,00 145,50 141,75 1,964

4 Hijau muda 137,00 145,30 141,15 1,966

5 Hijau 136,50 145,00 140,75 1,967

6 Biru 136,00 144,80 140,40 1,968

7 Ungu 135,50 144,60 140,05 1,969

Tabel 3.3. Perhitungan indeks bias prisma 600

No

.Warna

Deviasi minimum δm ( 0)

Indeks bias (n)β = 900 (A)

Sisi 1 Sisi 1 Rata-rata

1 Merah 155,20 156,20 155,70 1,188

2 Jingga 155,00 156,10 155,55 1.189

3 Kuning 154,80 156,00 155,40 1,190

4 Hijau muda 154,50 155,80 155,15 1,192

5 Hijau 154,40 155,70 155,05 1,192

6 Biru 154,10 155,50 154,80 1,194

7 Ungu 153,90 155,20 154,55 1.196

Tabel 3.4. Perhitungan indeks bias prisma 900

4.2.2. Kurva Dispersi

Prisma dengan β = 600

No. Panjang gelombang (λ)

Indeks bias (n)

1 4047 Å 1,9692 4358 Å 1,9683 5461 Å 1,9674 5770 Å 1,9665 5790 Å 1,9646 6152 Å 1,9647 6234 Å 1,962

Tabel 3.5. Hubungan panjang gelombang dan indeks bias prisma 600

4047 Å 4358 Å 5461 Å 5770 Å 5790 Å 6152 Å 6234 Å1,958

1,960

1,962

1,964

1,966

1,968

1,970

Kurva Dispersi

Panjang gelombang

Inde

ks b

ias

Grafik 3.1. Kurva Dispersi prisma 600

Prisma dengan β = 900

No. Panjang gelombang (λ)

Indeks bias (n)

1 4047 Å 1,1962 4358 Å 1,1943 5461 Å 1,1924 5770 Å 1,1925 5790 Å 1,1906 6152 Å 1,1897 6234 Å 1,188

Tabel 3.6. Hubungan panjang gelombang dan indeks bias prisma 900

4047 Å 4358 Å 5461 Å 5770 Å 5790 Å 6152 Å 6234 Å1,1841,1861,1881,1901,1921,1941,1961,198

Kurva Dispersi

Panjang gelombang

Inde

ks b

ias

Grafik 3.1. Kurva Dispersi prisma 900

4.2.3. Daya Dispersi masing-masing warna

1. Prisma β = 600

No

.Warna

Panjang gelombang (λ)

(Angstrom Å)

Indeks

bias (n)Daya Dispersi (D)

D = n/λ

1 Merah 6234 1,962 3,147 . 10-4

2 Jingga 6152 1,964 3,193 . 10-4

3 Kuning 5790 1,964 3,392 . 10-4

4 Hijau muda 5770 1,966 3,407 . 10-4

5 Hijau 5461 1,967 3,602 . 10-4

6 Biru 4358 1,968 4,516 . 10-4

7 Ungu 4047 1,969 4,865 . 10-4

Tabel 3.7. Perhitungan Daya Dispersi prisma 600

2. Prisma β = 900

No

.Warna

Panjang gelombang (λ)

(Angstrom Å)

Indeks

bias (n)Daya Dispersi (D)

D = n/λ

1 Merah 6234 1,188 1,906 . 10-4

2 Jingga 6152 1.189 1,933 . 10-4

3 Kuning 5790 1,190 2,055 . 10-4

4 Hijau muda 5770 1,192 2,066 . 10-4

5 Hijau 5461 1,192 2,183 . 10-4

6 Biru 4358 1,194 2,740 . 10-4

7 Ungu 4047 1.196 2,955 . 10-4

Tabel 3.8. Perhitungan Daya Dispersi prisma 900

4.2.4. Dispersi Fraunhofer

3. Prisma β = 600

Diketahui : nb = indeks bias warna biru = 1,194

nm = indeks bias warna merah = 1,188

nk = indeks bias warna kuning = 1,190

Ditanyakan : Daya dispersi Fraunhofer = ω

Jawab: Rumus: ω = nb- nm / nk – 1

= 1,194 – 1,188 / 1,190 – 1

= 6,224 . 10-3

4. Prisma β = 900

Diketahui : nn = indeks bias warna biru = 1,968

nm = indeks bias warna merah = 1,962

nk = indeks bias warna kuning = 1,964

Ditanyakan : Daya dispersi Fraunhofer = ω

Jawab : Rumus: ω = nb – nm / nk – 1

= 1,968 – 1,962 / 1,964 – 1

= 3,157 . 10-2

4.3. PEMBAHASAN1. Hasil yang

BAB VKESIMPULAN

1. Hasil yang didapat dari percobaan adalah sebagai berikut:1.1. Prisma β = 600

No

.Warna

Panjang gelombang (λ)

(Angstrom Å)

Indeks

bias (n)Daya Dispersi (D)

1 Merah 6234 1,962 3,147 . 10-4

2 Jingga 6152 1,964 3,193 . 10-4

3 Kuning 5790 1,964 3,392 . 10-4

4 Hijau muda 5770 1,966 3,407 . 10-4

5 Hijau 5461 1,967 3,602 . 10-4

6 Biru 4358 1,968 4,516 . 10-4

7 Ungu 4047 1,969 4,865 . 10-4

Tabel 3.9. Hasil percobaan untuk prisma 600

1.2. Prisma β = 900

No

.Warna

Panjang gelombang (λ)

(Angstrom Å)

Indeks

bias (n)Daya Dispersi (D)

1 Merah 6234 1,188 1,906 . 10-4

2 Jingga 6152 1.189 1,933 . 10-4

3 Kuning 5790 1,190 2,055 . 10-4

4 Hijau muda 5770 1,192 2,066 . 10-4

5 Hijau 5461 1,192 2,183 . 10-4

6 Biru 4358 1,194 2,740 . 10-4

7 Ungu 4047 1.196 2,955 . 10-4

Tabel 3.10. Hasil percobaan untuk prisma 900

2. Dari percobaan diketahui bahwa garis-garis warna spektrum atom merkuri (Hg) berada pada jangkauan sinar tampak, yaitu antara 4000Å - 7000Å

3. Dari percobaan diketahui bahwa:a) Indeks bias (n) : Ungu terbesar sedang merah terkecil.

b) Deviasi minimum (δm) : Ungu terkecil sedang merah terbesar.

c) Panjang gelombang (λ ) : Ungu terkecil sedang merah terbesar.

d) Daya dispersi (D) : Ungu terbesar sedang merah terkecil.

4. Prinsip kerja dari Spektrometer adalah, cahaya di datangkan lewat celah sempit

yang disebut kolimator. Kolimator ini merupakan fokus lensa, sehingga cahaya

yang diteruskan akan bersifat sejajar. Cahaya yang sejajar, kemudian diteruskan

ke kisi untuk kemudian ditangkap oleh teleskope yang posisinya dapat

digerakkan.

DAFTAR PUSTAKA

1. Halliday, Resnick. 1985. Fisika, Edisi III jilid II, Terjemahan Silaban dan

Sucipto. Jakarta: Erlangga

2. http://wahyuriyadi.blogspot.com/2008/10/perbedaan-spektrometri-dan.html

3. http://id.wikipedia.org/wiki/Dispersi

4. http://alifis.wordpress.com

TUGAS AKHIR

1. Turunkan rumus-rumus yang digunakan !2. Terangkan secara singkat kerjanya spektrometer yang dipergunakan!

Jawaban:

1.

Pada segiempat ABCE berlaku hubungan:

β + ∠ABC = 180o

Pada segitiga ABC berlaku hubungan:

r1+i2 +∠ABC = 180o

Sehingga diperoleh hubungan:

β+ ∠ABC = r1 +i2 +∠ABC

β= r1 + i2 .......... (1)

dengan: β = sudut pembias prisma

i2 = sudut datang pada permukaan 2

r1 = sudut bias pada permukaan 1

Pada segitiga ACD, ADC + CAD + ACD = 180o dengan CAD = i1 – r1 dan ACD =

r2 – i2, sehingga berlaku hubungan:

ADC + (i1 – r1) + (r2 – i2) = 180o

ADC = 180o + (r1 + i2) – (i1 + r2)

Jadi, sudut deviasi (δ) adalah:

δ = 180o – ADC

= 180o – [180o + (r1 + i2) – (i1 + r2)]

= (i1 + r2) – (r1 + i2)

Diketahui β = r1 + i2 (persamaan (1)), maka besar sudut deviasi yang terjadi

pada prisma adalah:

δ = (i1 + r2) – β ............ (2)

dengan: δ = sudut deviasi

i1 = sudut datang mula-mula

r2 = sudut bias kedua

β = sudut pembias

Sudut deviasi berharga minimum ( δ= 0) jika sudut datang pertama (i1) sama

dengan sudut bias kedua (r2). Secara matematis dapat dituliskan syarat terjadinya

deviasi minimum ( δm ) adalah i1 = r2 dan r1 = i2, sehingga persamaan (2) dapat

dituliskan kembali dalam bentuk:

δm = (i1 + i1) –β

= 2i1 – β

i1 = δm + β /2 ............. (3)

Selain itu, deviasi minimum juga bisa terjadi jika r1 = i2,maka dari persaman (3)

diperoleh:

β = r1 + r1 = 2r1

r1 = β/2 .......................... (4)

Bila dihubungkan dengan Hukum Snellius diperoleh:

n1.sin i1 = n2.sin r1

sin i1/sin r1 = n2/n1

Masukkan i1 dari persamaan (3) dan r1 dari persamaan (4) sehingga:

Sin i1/sinr1 = n2/n1 n2/n1 = sin ½ (β + δm) / sin ½ β

sin ½ (β + δm) = sin ½ β . n2 / n1 …………….(5)

2. Prinsip kerja dari Spektrometer adalah, cahaya di datangkan lewat celah

sempit yang disebut kolimator. Kolimator ini merupakan fokus lensa, sehingga

cahaya yang diteruskan akan bersifat sejajar. Cahaya yang sejajar, kemudian

diteruskan ke kisi untuk kemudian ditangkap oleh teleskope yang posisinya

dapat digerakkan.

TUGAS PENDAHULUAN

1. Apakah yang dimaksud dengan dispersi cahaya itu ?

2. Terangkan terjadinya spektrum cahaya pada prisma ?

3. Apakah fungsi dari kolimator dan jelaskan !

Jawaban:

1. Dispersi adalah peristiwa penguraian cahaya polikromatik (putih) menjadi

cahaya-cahaya monokromatik (me, ji, ku, hi, bi, ni, u) lewat pembiasan atau

pembelokan. Peristiwa dispersi ini terjadi karena perbedaan indeks bias tiap

warna cahaya.

2. Spektrometer adalah alat yang dipakai untuk mengukur panjang gelombang

cahaya dengan akurat yaitu dengan menggunakan kisi difraksi. Atau prisma

untuk memisahkan panjang gelombang cahaya yang berbeda. Sebuah prisma

atau kisi kisi mempunyai kemampuan untuk menguraikan cahaya menjadi

warna warna spektralnya. Indeks cahaya suatu bahan menentukan panjang

gelombang cahaya mana yang dapat diuraikan menjadi komponen

komponennya. Cahaya berwarna merah mengalami deviasi terkecil

sedangkan warna ungu mengalami deviasi terbesar. Sesuai dengan hukum

Snellius. karena indeks bias yang lebih besar untuk panjang gelombang yang

lebih pendek, maka cahaya ungu akan dibelokkan paling jauh dan merah

akan dibelokkan paling dekat.

3. Kolimatur merupakan suatu celah sempit. Kolimator ini merupakan fokus

lensa, sehingga cahaya yang diteruskan akan bersifat sejajar. Dengan

meletakkan lampu gas (Hg) di depan Kolimator, maka sinar yang menuju ke

arah salah satu sisi prisma akan membentuk spektrum pada sisi lain.