Laporan Eksperimen Spektroskopi Kisi Atom

Spektroskopi Kisi Atom

Oleh : Mahasiswa Prodi Fisika

FMIPA Institut Bandung - Indonesia

Tanggal Praktikum      : 1 Mei 2010

Asisten                        : Mahasiswa Senior Prodi Fisika

      TUJUAN PRAKTIKUM

1  Memahami spektroskopi optik  menggunakan kisi difraksi.

2  Mengamati dan menentukan spektrum panjang gelombang yang dipancarkan lampu helium dan cadmium saat terjadi transisi elektron antara keadaan energi yang berbeda-beda.

3  Menentukan panjang gelombang komponen deret-deret spektrum atom helium dan cadmium  menggunakan model atom bohr.

4  Menentukan lebar kisi yang tidak diketahui dari panjang gelombang spektrum atom yang diamati.

     ALAT DAN BAHAN

1  Spektrometer kisi.

2  Catu daya 220 V/ AC.

3  Catu daya 12 V/ DC.

4  Transformator.

5  Lampu atom (helium dan cadmium).

6  Kisi 800 garis/ mm dan kisi yang tak diketahui jumlah garisnya.

      TEORI DASAR

3.1 Transisi tingkat energi

Sistem mekanika kuantum terikat menyatakan bahwa energi sistem tidak dapat mempunyai setiap harg tapi berada dalam suatu tingkat energi diantara tingkat-tingkat energi atau keadaannya.  Transisi sistem antar keadaanya itu dapat terjadi bila hukum –hukum kekekalan dasar terpenuhi. Selama transisi dari tingkat energi yang lebih tinggi ketingkat energi yang lebih rendah, suatu kuantum radiasi atau partikel dapat dipancarkan, yang membawa energi yang hilang dari sistem tersebut. Menurut teori kuantum, atom yang tereksitasi akan memancarkan foton saat bertransisi ke tingkat yang lebih rendah. Perbedaan energi atom antara keadaan awal E_i dengan akhir  E_f adalah

E_i  - E_f = hv                  (1)

Dengan h adalah tetapan Planck dan v adalah frekuensi foton yang dipancarkan.
 

3.2 Spektrum Garis

Radiasi elektromagnet dari berbagai atom dapat dikelompokan ke dalam spektrum kontinu dan diskret/ garis.  Pada spektrum kontinu, panjang gelombang radiasi yang dipancarkan merentang dari suatu nilai minimum. Dengan demikian, sebuah objek panas berpijar memancarkan semua frekuensi spektrum cahaya tampak. Jika sebaliknya, kita timbulkan loncatan bunga api listrik dalam sebuah tabung yang berisi sejumlah kecil gas atau uap suatu unsur tertentu misalnya neon, maka hanya sehimpunan panjang gelombang diskrit cahaya tertentu saja yang dipancarkan.

Bila kita melewatkan seberkas cahaya putih melalui suatu cuplikan gas maka akan kita temukan beberapa panjang gelombang cahaya tersebut diserap oleh gas yang dilewati, dan dihasilkan lagi suatu spektrum garis. Semua panjang gelombang ini berkaitan dengan panjang gelombang yang tampak dalam spektrum pancar (emisi). Banyaknya celah (garis) per satuan panjang (N) pada kisi difraksi adalah :

3.3 Pengukuran panjang gelombang 
Pengukuran panjang gelombang dengan spektroskopi dapat dilakukan dengan disperse melalui difraksi oleh kisi. Persamaan difraksi oleh kisi untuk gelombang cahaya dengan panjang gelombang λ adalah :

d sin θ = n λ                            (3)

dengan : d= jarak antar garis pada kisi, n =orde interferensi maksimum dan θ=sudut terjadinya interferensi maksimum.

1        METODA

4.1              Penentuan posisi sudut awal (θ_o)

Metode yang digunakan pada percobaan ini dengan cara diatur posisi lensa pada teropong (tanpa kisi) sehingga bayangan celah tepat berimpit dengan garis vertikal (crosshead).  Possisi ini ditetapkan sebagai sudut awal (θ_o).  Percobaan ini dilakukan  untuk lampu Cadmium dan Helium.

4.2              Penentuan posisi sudut untuk tiap spektrum warna (θ_n)

Metoda percobaan yang digunakan pada percobaan ini dengan cara diletakan kisi di atas meja spektrometer kemudian teropong diputar ke kanan sambil diamati hingga spektrum orde pertama (mulai dari garis ungu, biru, hijau dan merah) terlihat. Kedudukan teropong diatur untuk setiap garis spektrum hingga berimpit dengan crosshead. Posisi sudut teropong dicatat untuk setiap spektrum warna yang teramati. Langkah- langkah yang sama dilakukan untuk orde difraksi berikutnya sampai spektrum warna tidak teramati lagi. Percobaan ini dilakukan untuk lampu Cadmium dan Helium.

Metode percobaan di atas diulangi dengan menggunakan kisi lain (N yang belum diketahui jumlahnya) untuk lampu Cadmium. 

 

2           HASIL PERCOBAAN

        Tabel 5.1. Data hasil pengamatan  spectrum warna menggunakan lampu Cadmium dan kisi 80/mm

Spektrum	Orde	θ₀	θn	∆θ	sin ∆θ	λ (nm)	`l	nλ
Ungu	1	179.4	177.3	2.1	0.037	462.5	470.7	462.5
	2	179.4	175.1	4.3	0.074	462.6		925.2
	3	179.4	172.8	6.6	0.115	487.0		1437.6
Biru	1	179.4	177.2	2.2	0.038	475.0	491.5	475
	2	179.4	174.9	4.5	0.078	487.5		975
	3	179.4	172.5	6.9	0.120	512.0		1500
Hijau	1	179.4	177.1	2.3	0.040	500.0	514.6	500
	2	179.4	174.6	4.8	0.083	518.7		1037.4
	3	179.4	172.3	7.1	0.124	525.0		1550
Merah	1	179.4	176.7	2.7	0.047	587.5	621.9	587.5
	2	179.4	173.4	6	0.105	656.2		1312.4

  Table 5.2. Data hasil pengamatan spektrum warna menggunakan lampu Helium dan kisi 80/mm

Spektrum	Orde	θ₀	θn	∆θ	sin ∆θ	λ (nm)	`l	nλ
Ungu	1	179.2	177.2	2	0.035	437.5	434.4	437.5
	2	179.2	175.2	4	0.069	431.3		862.6
Biru	1	179.2	177.1	2.1	0.037	462.5	465.7	462.5
	2	179.2	174.9	4.3	0.075	468.8		937.5
Hijau	1	179.2	176.9	2.3	0.04	500	500	500
	2	179.2	174.6	4.6	0.08	500		1000
Jingga	1	179.2	176.6	2.6	0.045	562.5	562.5	562.5
	2	179.2	173.9	5.3	0.09	562.5		1125
Merah	1	179.2	176.2	3	0.052	650	650	650

  Table 5.2. Data hasil pengamatan spektrum warna menggunakan lampu Cadmium dan kisi yang belum diketahui

Spektrum	Orde	θ₀	θn	∆θ	sin ∆θ	λ (nm)	d (x 10-3mm)	đ	N=1/d
Ungu	1	179.2	163.8	15.4	0.266	462.5	1.72	1.6	625
Biru	1	179.2	162.7	16.5	0.284	475.0	1.67
Hijau	1	179.2	161.2	18	0.309	500.0	1.62
Merah	1	179.2	156.1	23.1	0.392	587.5	1.49

      PEMBAHASAN

Dari hasil percobaan diperoleh data bahwa panjang gelombang untuk spectrum warna ungu lampu Cadmium adalah 470.7 nm, sedangkan untuk lampu Helium adalah 434.4 nm. Sementara pada literatur, panjang gelombang spectrum ungu berkisar antara 380 – 450 nm. %kesalahan percobaannya adalah :

 

 

Untuk spectrum warna biru lampu Cadmium diperoleh panjang gelombangnya sebesar 491.5 nm dan pada lampu Helium sebesar 465.7 nm. Sementara pada literatrur berkisar antara 450 – 495 nm. %kesalahan percobaannya adalah :

Untuk spectrum warna hijau lampu Cadmium diperoleh panjang gelombangnya sebesar 514.6 nm dan pada lampu Helium sebesar 500 nm. Sementara pada literatrur berkisar antara 495 - 570 nm. %kesalahan percobaannya adalah :

Panjang gelombang spectrum jingga hasil percobaan pada lampu Helium adalah sebesar 562.5 nm, sementara pada literature berkisar antara 590 – 620 nm. Sehingga % kesalannya sebesar :

 

Panjang gelombang spectrum warna merah hasil percobaan pada lampu Cadmium adalah 621.9 nm, sedangkan pada lampu Helium adalah 650 nm. Sementara pada literature berkisar antara 620 – 750 nm. %kesalahannya adalah :

Dari perbandingan hasil grafik diatas menunjukan bahwa hasil panjang gelombang spectrum yang kami peroleh mendekati dengan panjang gelombang spectrum pada literature, namun tetap ada perbedaan sedikit. Hal ini dikarenakan kemungkinan adanya eror dalam percobaan ini.Beberapa hal yang menyebabkan eror diantaranya adalah kesalahan paralaks saat penentuan crosshead untuk tiap garis spectrum yang diamati. Selain itu karena ketelitian alat ukur, pengamatan pada saat pengukuran (berhubung ruang yang gelap) dan kesalahan pembacaan nilai sudut karena kami terkadang melakukannya secara bergantian juga menyebabkan data yang diperoleh bisa kurang tepat.

Mengenai spectrum warna merah yang tidak terlihat di orde ketiga pada percobaan menggunakan lampu Cadmium, dan orde kedua pada percobaan lampu Helium menunjukan bahwa spectrum panjang gelombang warna merah adalah yang paling jauh, sehingga karena jangkaun sudut pada spectrometer yang kami gunakan terbatas menyebabkan spectrum warna merah tersebut tidak terlihat lagi.

      SIMPULAN

Dengan menggunakan spektrometer optik kisi atom kita dapat mengamati dan menentukan spectrum panjang gelombang yang dipancarkan lampu atom (Cadmium dan Helium) saat terjadi transisi elektron antara keadaan energi yang berbeda-beda. Dari hasil percobaan yang telah dilakukan diperoleh data bahwa spectrum panjang gelombang yang paling mendekati literature untuk warna ungu adalah 434.4 nm dengan % kesalahan sebesar 3.47%, warna biru 491.5 nm dengan %kesalahan sebesar 0.7%, warna hijau 500 nm dengan % kesalahan sebesar 1.01%, warna jingga sebesar 562.5 dengan % kesalahan sebesar 4.66% dan warna merah 621.9 nm dengan %kesalahan sebesar 0.3%. lebar kisi yang diamati pada percobaan ini memiliki jarak antar kisi (d) sebesar 1.014 x 10^-3 milimeter, dan memiliki celah (garis) persatuan panjang (N) sebanyak 986 garis/mm.

2        PUSTAKA

[1] Beiser, Arthur. (2003). Concepts of Modern Physics Sixth edition.  New York : The Mc Graw Hill. 
[2] Gautreau, Ronald dan William Savin. (1999). 
[3] Fisika Modern Edisi Kedua (Terjemahan).  Jakarta : Erlangga. 
[4] Krane, Kenneth. (1992). Fisika Modern (Terjemahan). Jakarta : Universitas Indonesia (UI Press). 
[5] Modul Eksperimen Fisika 1. (2010). Laboratorium Fisika Lanjut. ITB.