I.
PENDAHULUAN
PENDAHULUAN
A.
Latar Belakang
Kita
sering melihat benda-benda bercahaya seperti matahari atau benda lainnya atau
bola lampu listrik yang dapat memancarkan spektrum luas yang terdiri dari
banyak panjang gelombang. Panjang-panjang gelombang itu yang berhubungan dengan
cahaya tampak adalah mampu untuk mempengaruhi retina mata manusia dan karenanya
menyebabkan kesan-kesan subyektif dari penglihatan. Tetapi banyak dari radiasi
yang dipancarkan oleh benda-benda panas terletak di luar daerah di mana mata peka,
dan kita mengatakan tentang daerah-daerah ultranya (ultra ungu) dan spektrum
yang terletak di kedua sisi sinar tampak.
Spektrometer
merupakan sebuah alat yang digunakan untuk mengamati spektrum cahaya yang
terurai setelah melewati suatu medium. Susunan dari spektrometer terdiri dari
komponen-komponen kolimator, teleskop dan meja spektrometer. Kolimator adalah
sebuah tabung yang dilengkapi dengan lensa akromatik di mana satu ujungnya
(yang menghadap prisma) dan sebuah celah S. Fungsi dari lensa kolimator adalah
untuk mensejajarkan berkas sinar yang keluar dari celah. Lebar celah dapat
diatur dengan menggunakan sekrup pengatur di ujung teropong teleskop (PC).
Teleskop yang digunakan terdiri dari lensa obyektif dan lensa okuler. Posisi
lensa okuler terhadap lensa obyektif dapat diatur dengan sekrup PF. Untuk
menentukan posisi celah dengan tepat, digunakan benang silang sebagai rujukan.
Meja spektrometer merupakan tempat untuk meletakan prisma.
B. Tujuan Percobaan
Adapun tujuan dari percobaaan ini adalah:
1.
Dapat mengungkapkan dasar kerja spektrometer.
2.
Mengatur komponen spektrometer.
3.
Dapat menentukan indeks bias bahan prisma dengan cara deviasi minimum.
II.
TINJAUAN PUSTAKA
A.
Dispersi Cahaya
Dispersi cahaya adalah penguraian cahaya polikromatik
(cahaya putih) menjadi cahaya monokromatik (merah, jingga, kuing, hijau, biru
nila, ungu) lewat pembiasan atau pembelokan. Cahaya merupakan gelombang
transversal yang termasuk gelombang elektromagnetik. Sifat-sifat cahaya diantaranya
adalah dapat mengalami pemantulan (refleksi), pembiasan (refraksi), pelenturan
(difraksi), diserap arah getarnya (polarisasi), dan diuraikan (dispersi). Dispersi
yaitu peristiwa terurainya cahaya putih menjadi cahaya yang berwarna-warni. Suatu
cahaya putih terdiri atas beberapa spektrum warna yang terbagi berdasarkan
panjang gelombang masing-masing. Saat suatu sinar cahaya melewati suatu medium
yang transparan maka akan mengalami pembiasan akibat perbedaan indeks bias
medium yang dilewatinya. Cahaya putih yang dapat terurai menjadi cahaya yang
berwarna-warni disebut cahaya polikromatik sedangkan cahaya tunggal yang tidak
bisa diuraikan lagi disebut cahaya monokromatik. Peristiwa dispersi juga
terjadi apabila seberkas cahaya putih dilewatkan pada suatu prisma sehingga
membentuk spektrum cahaya.Spektrum ini dapat diamati melalui spectrometer (Sears, Zemansky. 2001).
B.
Prisma
Prisma adalah zat bening yang
dibatasi oleh dua bidang datar. Apabila seberkas sinar 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 optik kurang rapat ke zat
optik lebih rapat yaitu dari udara ke kaca.Sebaliknya pada bidang pembias II,
sinar dibiaskan menjahui garis normal, sebab sinar datang dari zat optik rapat
ke zat optik kurang rapat yaitu dari kaca ke udara. Sehingga seberkas sinar
yang melewati sebuah prisma akan mengalami pembelokan arah dari arah semula.
Sudut yang dibentuk antara arah
sinar datang dengan arah sinar yang meninggalkan prisma disebut sudut deviasi
diberi lambang D. Besarnya sudut deviasi tergantung pada sudut datangnya
sinar.
Besarnya 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
prisma akan memotong prisma itu menjadi segitiga sama kaki, sehingga berlaku i1
= r2 = i (dengan i = sudut datang), dan i2 = r1
= r (dengan r = sudut bias) (Beiser,
1987).
C.
Spektrometer
Spektrometer adalah sebuah alat yang digunakan untuk
mengamati spektrum cahaya yang terurai setelah melewati suatu medium sehingga
membentuk suatu spektrum. Dalam
astronomi dan beberapa cabang kimia, spektrometer adalah alat optik untuk
menghasilkan garis spektral dan mengukur panjang gelombang dan intensitasnya. Metoda penyelidikan dengan bantuan spektrometer disebut
spektrometri. Variabel yang paling sering diukur adalah lampu. Dalam
spektrometer modern, sinar yang datang pada sampel diubah panjang gelombangnya
secara kontinyu. Hasil percobaan diungkapkan dalam spektrum dengan absisnya
menyatakan panjang gelombang (atau bilangan gelombang atau frekuensi) sinar
datang dan kordinatnya menyatakan energi yang diserap sampel (Artoto, 2007).
Spektrometer terdiri dari lima bagian
utama yaitu, celah masuk, kolimator, pendispersi, lensa, detektor. Terdapat dua
jenis spektrometer jika ditinjau dari bagian pendispersi, yaitu dengan prisma
dan kisi. Pada spektrometer berbasis prisma, prisma memiliki keuntungan
menghasilkan satu spektrum cahaya yang jelas (terang), tapi nilainya tidak
linear. Dispersi akan berkurang secara signifikan di daerah panjang gelombang
merah, dan analisis spektral selanjutnya memerlukan tiga referensi
(pengukuran ulang) untuk kalibrasinya. Sedangkan pada kisi mempunyai kemampuan untuk memberikan resolusi
yang sangat baik, tapi grating juga akan
mendispersikan spektrum visibel pada gambar. Ini berarti tidak semua spektrum
cocok dibidang kamera, mungkin diperlukan beberapa eksposur untuk menangkap gambar (Soedojo,
1985).
D.
Hukum Snellius
Hukum refleksi dan hukum refraksi
mengenai arah sinar masuk, sinar yang direfleksikan, dan sinar yang
direfraksikan pada antar muka yang halus diantara dua material optik ialah. Sinar
yang masuk, sinar yang direfleksikan, dan sinar yang direfraksikan dan normal
terhadap permukaan semuanya terletak pada bidang yang sama. Sudut refleksi θr
sama dengan sudut 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 itu, rasio dari sinus sudut θa dan θb, dimana kedua
sudut itu diukur dari normal terhadap permukaan, sama dengan kebalikan dari
rasio kedua indeks refraksi. Persamaan ini dinamakan hukum refraksi atau hukum
Snellius. Persamaan ini memperlihatkan bahwa apabila sebuah sinar lewat dari
satu material (a) ke dalam material lain (b) yang mempunyai indeks refraksi
yang lebih besar (nb> na) dan karena itu maka laju
gelombang dalam material itu lebih lambat, maka sudut θb, dengan
normal lebih kecil dalam material kedua dari pada sudut θa dalam
material pertama, maka sianr itu dibelokkan mendekati normal. Apabila material
kedua itu mempunyai indeks refraksi yang lebih kecil dari pada material pertama
(nb< na) dan karena itu maka laju gelombang dalam
material itu lebih cepat , maka sinar itu dibelokkan menjauhi normal (Zemansky,
2001).
E.
Spektrum Kasat
Mata
Spektrum kasat mata adalah bagian dari spektrum optik;
mata normal manusia akan dapat menerima panjang gelombang dari 400 sampai 700
nm, meskipun beberapa orang dapat menerima panjang gelombang dari 380 sampai
780 nm (frekuensi 790-400 terahertz). Mata yang telah beradaptasi dengan cahaya
biasanya memiliki sensitivitas maksimum di sekitar 555 nm, di wilayah hijau
dari spektrum optik. Warna pencampuran seperti pink atau ungu, tidak terdapat
dalam spektrum ini karena warna-warna tersebut hanya akan didapatkan dengan
mencampurkan beberapa panjang gelombang.
Panjang gelombang yang kasat mata didefinisikan oleh
jangkauan spektral jendela optik, wilayah spektrum elektromagnetik yang
melewati atmosfer Bumi hampir tanpa mengalami pengurangan intensitas atau
sangat sedikit sekali (meskipun cahaya biru dipencarkan lebih banyak dari
cahaya merah, salah satu alasan menggapai langit berwarna biru). Radiasi
elektromagnetik di luar jangkauan panjang gelombang optik, atau jendela
transmisi lainnya, hampir seluruhnya diserap oleh atmosfer. Dikatakan jendela
optik karena manusia tidak bisa menjangkau wilayah di luar spektrum optik.
Inframerah terletak sedikit di luar jendela optik, namun tidak dapat dilihat
oleh mata manusia.
Banyak spesies yang dapat melihat panjang gelombang di
luar jendela optik. Lebah dan serangga lainnya dapat melihat cahaya
ultraviolet, yang membantu mereka mencari nektar di bunga. Spesies tanaman
bergantung pada penyerbukan yang dilakukan oleh serangga sehingga yang
berkontribusi besar pada keberhasilan reproduksi mereka adalah keberadaan
cahaya ultraviolet, bukan warna yang bunga perlihatkan kepada manusia. Burung
juga dapat melihat ultraviolet (300-400 nm).
Tabel
2.1 Warna-warna di dalam spektrum
|
Warna
|
Panjang gelombang (nm)
|
|
Ungu
|
380-450
|
|
Biru
|
450-495
|
|
Hijau
|
495-570
|
|
Kuning
|
570-590
|
|
Jingga
|
590-620
|
|
Merah
|
620-750
|
|
Pink
|
1000-10.000
|
Meskipun spektrum optik adalah spektrum yang kontinu
sehingga tidak ada batas yang jelas antara satu warna dengan warna lainnya.
IV.
HASIL
PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN
A.
Data
Pengamatan
Adapun data yang
diperoleh dari percobaaan dapat dilihat pada Tabel 4.1 dan Tabel 4.2
Tabel 4.1. Hasil Pengamatan Untuk Sumber
Cahaya Lampu Hg
|
No.
|
Warna
|
i
|
r
|
δmin
|
n
|
|
1.
|
Ungu
|
306,6’
|
345,2’
|
380
|
1,5
|
|
2.
|
Biru
|
306,6’
|
344,1’
|
380
|
1,5
|
|
3.
|
Hijau
|
306,6’
|
343,4’
|
560
|
1,69
|
|
4
|
Kuning
|
306,6’
|
344,5’
|
540
|
1,67
|
|
5
|
Merah
|
306,6’
|
343,1’
|
|
|
Table 4.2. Hasil Pengamatan Untuk Sumber
Cahaya Lampu Na
|
No.
|
Warna
|
i
|
r
|
δmin
|
n
|
|
1.
|
Merah
|
306,2’
|
253,1’
|
380
|
1,5
|
|
2.
|
Kuning
|
306,2’
|
254,1’
|
380
|
1,5
|
|
3.
|
Hijau
|
306,2’
|
254,2’
|
560
|
1,69
|
|
4
|
Orange
|
306,2’
|
254,4’
|
540
|
1,67
|
|
5
|
Kuning
|
306,2’
|
253,6’
|
|
|
|
6
|
Biru
|
306,2’
|
252,1’
|
|
|
|
7
|
Ungu
|
306,2’
|
251,3’
|
|
|
B.
Pembahasan
Cahaya polikromatik dapat
terdispersi menjadi cahaya monokromatik bila dilewatkan pada sebuah prisma.
Spektrum-spektrum warna yang terbentuk dapat diamati melalui spektrofotometer.
Dengan mengetahui skala kedudukan teropong (sudut deviasi minimum) dan sudut
bias prisma, maka secara matematis indeks bias prisma dapat diketahui. Pembacaan
skala kedudukan teropong (Dmin) dilakukan dua kali, dari sisi kanan dan sisi
kiri. Hal ini bertujuan untuk meminimalisir kesalahan pembacaan skala. Dengan
pembacaan dua sisi diharapkan ketelitian dalam membaca skala sehingga di dapat
data yang akurat.
Pertama-tama yang dilakukan dalam percobaan ini yaitu peralatan
dirangkai seperti pada Gambar (3.2) kemudian
lampu Hg dipasang pada sistem tegangan tinggi. Lalu setelah lampu terpasang
barulah rangkaian disambungkan ke PLN. Kemudian letak lampu diatur dibelakang
kolimator hingga sinar dari lampu dapat sampai ke prisma. Kemudian fokus
teropong diatur agar dapat melihat benda di tak terhingga. Lalu posisi dari
kolimator diatur agar spektrum cahaya yang terlihat pada celah kolimator dengan
cukup tajam dan spektrum tampak bersama-sama dengan pembagian skala. Lalu
ditentukan besar sudut pelurus pada kolimator yang ditunjukkan pada skala
vernier dengan teleskop. Kemudian ditentukan besar sudut deviasi yang
ditunjukkan pada skala vernier pada setiap warna yang terlihat. Setelah itu
dilakukan percobaan serupa dengan menggunakan variasi lampu Na dengan urutan
langkah kerja yang sama.
Spektrum cahaya pada prisma terjadi
akibat dari pembelokan cahaya oleh prisma. Prisma terdiri dari dua bidang
datar, pembias I dan pembias II. Pada bidang pembias I, sinar dibiaskan
mendekati garis normal, sebab sinar datang dari zat optik kurang rapat ke zat
optik lebih rapat yaitu dari udara ke kaca. Sebaliknya pada bidang pembias II,
sinar dibiaskan menjahui garis normal, sebab sinar datang dari zat optik rapat
ke zat optik kurang rapat yaitu dari kaca ke udara. Sehingga seberkas sinar
yang melewati sebuah prisma akan mengalami pembelokan arah dari arah semula dan
terbentuklah spektrum warna.
Kolimator berfungsi untuk mengubah
sinar atau cahaya menjadi berkas yang sejajar. Sinar yang berasal dari sumber
merupakan berkas sinar baur (memancar kesegala arah). Kalimator sinar baur
tersebut diubah menjadi berkas sinar yang sejajar sebelum dilewatkan ke prisma.
Adapun
mekanisme lampu gas baik Hg maupun
Na memancarkan cahaya polikromatik. Pada saat sistem
dihubungkan dengan sumber tegangan PLN, maka lampu gas akan mengalami pemanasan
oleh tegangan listrik. Besarnya
nilai tegangan ini diperoleh dari transformator step up yang memperbesar nilai
tegangan sumber PLN. Pemanasan ini mengakibatkan elektron yang berada pada
atom-atom lampu gas baik Hg maupun Na menjadi tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi
disebabkan elektron-elektron ini mendapat energi tambahan akibat pemanasan
tersebut. Eksitasi elektron ini bisa terjadi dari tingkat energi terendah ke
satu tingkat energi di atasnya ataupun ke dua tingkat energi di atasnya dan
seterusnya. Ketika elektron mengalami eksitasi maka elektron tersebut akan
menjadi tidak stabil. Hal ini akan membuat elektron kembali ke tingkat energi
asalnya. Loncatan dari tingkat energi lebih tinggi ke tingkat energi rendah
akan mengakibatkan elektron memancarkan energi dalam bentuk foton. Foton inilah
yang bertindak sebagai cahaya. Karena adanya variasi eksitasi seperti yang
dijelaskan sebelumnya, maka foton memiliki variasi energi yang berbanding
terbalik dengan nilai panjang gelombangnya. Variasi inilah yang menyebabkan
timbulnya cahaya polikromatik dari lampu gas baik Hg maupun Na.
Dari data hasil
percobaan pada
Tabel 4.1, maka dapat diketahui bahwa cahaya dari lampu Hg yang sifatnya polikromatik diuraikan
menjadi cahaya monokromatik, yaitu ungu biru, hijau, kuning, dan merah. Hal ini bisa
dijelaskan sebagai berikut. Pada saat cahaya dari lampu Hg telah disejajarkan dengan pengaturan
pada letak dan celah kolimator, lalu cahaya diarahkan ke prisma yang terletak
di dalam spektrometer. Kemudian cahaya mengalami pembiasan dari medium udara ke
kaca prisma lalu ke udara yang ada di dalam prisma. Setelah itu, cahaya akan
mengalami penguraian cahaya dengan sudut deviasi terkecil dialami oleh cahaya
dengan panjang gelombang terbesar yaitu cahaya merah dan sudut deviasi terbesar
dialami oleh cahaya dengan panjang gelombang terbesar yaitu cahaya warna ungu. Dari teleskop pada spektrometer,
penguraian cahaya ini dapat dilihat dalam bentuk diskret cahaya dimana tiap
warna memiliki cahaya uraian yang lebih halus yang dinamakan duplet (dua cahaya
halus) dalam percobaan ini warna orange, kuning, hijau, ungu dan triplet (3
cahaya halus) dalam percobaan ini merah dan biru.
Error juga
dapat terjadi pada percobaan spektrometer menggunakan gas helium ini. Pada Tabel 4.1 dapat dilihat bahwa nilai error spektrum warna
merah sangat besar yaitu 54.02 %. Hal
tersebut terjadi karena fokus dari teropong mengalami pergeseran atau tidak
terlalu fokus pada spektrum warna merah, sehingga sudut deviasi yang didapatkan
terlalu besar, akibatnya nilai errornya menjadi besar. Hal ini juga dapat
terjadi karena letak dan celah kolimator yang semula sudah diatur dengan benar
mengalami pergeseran, jika terjadi pergeseran sedikit saja pada kolimator dapat
mempengaruhi sudut deviasi yang terbentuk, karena sudut pelurus dari kolimator
sudah berubah. Faktor lain adalah pengaruh cahaya yang lainnya, seperti cahaya
matahari atau cahaya lampu. Pengaruh cahaya dari luar dapat mempengaruhi
spektrum warna yang terbentuk dari penguraian warna gas hidrogen, cahaya
tersebut dapat membuat spektrum warna menjadi tidak terlalu jelas. Sehingga
sudut yang terbentuk kurang begitu akurat.
Percobaan spektrometer ini didapatkan beberapa data yaitu
sudut pelurus kolimator, sudut puncak prisma, sudut deviasi, dan spektrum warna
yang terbentuk dari gas gas helium dan lampu gas nitrogen. Dari
percobaan, diketahui sudut puncak prisma adalah 60°
dan sudut pelurus kolimator adalah 290°.
Data yang diperoleh dari percobaan ditunjukkan pada Tabel 4.1 dan 4.2. Berikut ini gambar spektrum warna
dari lampu gas helium dan nitrogen (gambar 4.1 dan
4.2).
Berdasarkan Gambar
dapat dilihat bahwa semakin menuju ke warna ungu sudut deviasi yang terbentuk
semakin besar. Warna merah dibelokkan lebih kecil daripada warna ungu yang
dibelokkan lebih besar. Hal ini disebabkan karena warna merah memiliki panjang
gelombang yang lebih besar daripada warna ungu. Semakin besar panjang gelombang
yang dimiliki oleh spektrum warna maka spektrum warna yang terbentuk akan
dibelokkan lebih sedikit.
Dari
hasil percobaan, dapat dilihat bahwa indeks bias prisma memberikan nilai yang
berbeda pada masing-masing panjang gelombang. Hal ini dapat disebabkan karena
masing-masing spektrum warna menghasilkan sudut deviasi minimum yang berbeda.
Dengan mengetahui indeks bias prisma pada masing-masing panjang gelombang, maka
daya dispersi prisma dapat diketahui. Daya dispersi fraunhofer pada prisma sama
sisi adalah sebesar 0,0058 sedangkan pada prisma sama kaki daya dispersi fraunhofer 0,0146. Hal ini dapat menunjukan
bahwa prisma sama kaki memiliki kemampuan menguraikan cahaya lebih besar
dibandingkan dengan prisma sama sisi.
V.
KESIMPULAN
1. Spektrum cahaya
yang terbentuk dari
cahaya lampu gas helium ialah merah,
kuning, hijau, biru, dan ungu dan lampu gas neon adalah merah, orange, kuning, biru dan
ungu. Indeks bias spektrum warna pada lampu gas Hg dari warna merah, kuning,
hijau, biru, dan ungu adalah 1.877, 1.883, 1.890, 1.895, 1.899
2.
Pada lampu gas Na yaitu merah, orange, kuning, biru dan
ungu, berurutan sebesar 1,874, 1,879, 1,880, 1,885, 1,894. Panjang gelombang
masing-masing spektrum cahaya merah, kuning, hijau, biru, dan ungu
berturut-turut pada gas helium sebesar 367,34 nm, 299,92 nm, 287,10 nm, 278,51 nm, dan 272,33 nm
serta pada lampu gas neon dari merah, orange, kuning, biru dan ungu
berturut-turutyaitu 647,94 nm, 570,94 nm, 558,52 nm, 510,15 nm, dan 444,30 nm.
3.
Prisma yang diletakkan dimeja spektrometer membuat cahaya
putih berubah menjadi cahaya dengan warna tertentu sesuai dengan lampu yang
digunakan.
4.
Intensitas cahaya dari dari masing-masing spektrum cahaya
yang dihasilkan mempengaruhi hasil besar sudut bias (r) yang diperoleh.
5.
Besar sudut bias (r)
untuk masing-masing spektrum warna cenderung semakin besar, dan untuk besar
sudut deviasi minimum (δmin) yang diperoleh cenderung semakin besar juga namun
perubahannya kurang teratur.
Post a Comment