spektrometer yang terbatas. Alat yang sulit untuk diperoleh membuat penelitian
tentang spektrum cahaya jarang dilakukan. Padahal penelitian tentang spektrum
merupakan suatu hal yang penting dalam ilmu fisika bidang optika. Kekurangan dana
menjadi salah satu penyebab keterbatasan alat spektrometer tersebut. Alat
spektrometer yang terlalu mahal mengakibatkan jumlah peralatan optika
dilaboratorium menjadi sangat sedikit.
Banyak hal yang dapat dilakukan untuk mengatasi persoalan ini. Penelitian
spektrum cahaya dapat dilakukan tanpa harus menggunakan alat spektrometer yang
mahal. Banyak bahan alat spektrometer yang ada dilaboratorium yang dapat
dimanfaatkan untuk merancang alat spektrometer sederhana. Salah satunya adalah kisi difraksi yang ada dilaboratorium dapat digunakan untuk merancang alat spektrometer
sederhana. Kisi merupakan piranti yang dapat membelokan cahaya karena adanya
halangan celah sempit yang menimbulkan pola penyebaran gelombang [4].
Penelitian ini merancang alat spektrometer transmisi sederhana yang dapat
digunakan untuk menganalisis spektrum cahaya tampak. Spektrometer transmisi
sederhana yang memanfaatkan fungsi kisi difraksi sebagai pemisah spektrum
berdasarkan panjang gelombang [5]. Spektrometer transmisi sederhana dirancang
menggunakan paralon yang dipasang kisi difraksi didalamnya, sehingga tanpa harus
mengeluarkan banyak uang untuk merancangnya. Dengan alat spektrometer transmisi
sederhana ini, penelitian tentang spektrum cahaya tampak dapat dilakukan.
Cahaya yang mengenai spektrometer transmisi sederhana akan menghasilkan
spektrum garis, apabila cahaya tersebut berasal dari sumber cahaya diskrit yang diakibat oleh lecutan suatu gas yang menggunakan tegangan tinggi dan akan menghasilkan spektrum kontinyu, apabila cahaya yang mengenainya berasal dari bola lampu filamen [4]. Supaya hasil spektrum cahaya dapat dianalisis, dibutuhkan alat bantu yaitu kamera digital untuk merekam spektrum cahaya yang dihasilkan oleh spektrometer transmisi sederhana.
Memanfaatkan fungsi kamera digital spektrum cahaya direkam. Sebagai alat
untuk membuat gambar obyek yang dibiaskan melalui lensa kepada sensor CCD (ada juga yang menggunakan sensor CMOS) yang hasilnya direkam dalam format digital ke dalam media simpan digital. Karena hasilnya disimpan secara digital maka hasil rekam gambar ini harus diolah menggunakan pengolah digital pula semacam komputer atau
mesin cetak yang dapat membaca media simpan digital tersebut. Kamera digital
mempunyai kelebihan dapat mengambil beberapa gambar dalam per detik. Hasil
rekaman spektrum dianalisis menggunakan program MatLab sehingga menghasilkan
grafik dari spektrum cahaya. Grafik yang dihasilkan menunjukan panjang gelombang dari setiap spektrum.
Spektrometer transmisi sederhana digunakan untuk meneliti beberapa lampu
dijual dipasaran seperti lampu neon PH dan lampu neon TR merupakan sumber cahaya
kontinyu, sehingga menghasilkan spektrum kontinyu [6]. Dengan menggunakan
spektrometer transmisi sederhana dapat diperoleh spektrum serapan dari lampu gas neon murni, lampu neon PH dan lampu neon TR.
Penelitian ini mempelajari karakterisasi spektrum serapan yang dihasilkan oleh cahaya lampu gas neon. Spektrum serapan lampu gas neon dianalisis untuk memperoleh grafik. Melalui grafik spektrum serapan lampu gas neon dapat diketahui panjang
gelombang dari puncak ‐ puncak garis spektrum. Penelitian ini juga membandingkan
struktur spektrum serapan lampu gas neon dengan struktur spektrum serapan lampu neon PH dan lampu neon TR. Selain untuk meneliti spektrum lampu gas neon, lampu neon PH dan lampu neon TR, spektrometer transmisi sederhana dapat juga digunakan untuk meneliti spektrum lampu yang lain seperti lampu gas hidrogen, lampu natrium, lampu mercury, dan semua sumber cahaya tampak.
2. DASAR TEORI 2.1 Kisi Difraksi
Kisi seringkali digunakan untuk mengukur panjang gelombang dan dikaji struktur dari intensitas garis ‐ garis spektrum. Kisi difraksi merupakan suatu piranti atau alat optik
yang terdiri dari serangkaian aperatur dan digunakan untuk mengubah atau
menghasilkan panjang gelombang yang didifraksikan dengan cara mengatur perioda
atau jarak antar celah atau sudut cahaya datang. Kisi dibuat dengan menggarisi galur ‐ galur sejajar yang berjarak tertentu terhadap satu dengan yang lain pada sebuah pelat
gelas atau pada sebuah pelat logam dengan menggunakan sebuah ujung runcing
pemotong yang terbuat dari intan yang geraknya diatur secara otomatis [7]. Sebuah susunan dari sejumlah besar celah sejajar dengan lebar yang sama dan jarak antara pusat ‐ pusatnya sama [8]. Dalam penelitian ini menggunakan kisi difraksi transmisi yang memanfaatkan efek difraksi seperti yang diterangkan pada gambar dibawah ini seberkas sinar yang mengenai kisi difraksi.
Gambar 1. Sebuah penampang kisi transmisi dengan celah ‐ celah tegak lurus terhadap bidang yang dilewati seberkas cahaya, dengan pola interferensi cahaya yang
Seberkas cahaya yang mengenai kisi difraksi mengalami pola interferensi, dimana maksimum ‐ maksimum berada dalam posisi yang sama dan tajam. Karena maksimum ‐ maksimum sangat tajam, maka posisi sudut dapat diukur sampai ketelitian yang tinggi. Maksimal interferensi berada pada sudut
θ
yang diberikan
λ
θ
m
d
sin
m=
d merupakan jarak tiap garis ‐ garis dan m disebut bilangan orde. Jika m = 0 tidak terjadi
pembelokan.
Bila sebuah kisi yang mengandung ratusan atau ribuan celah disinari oleh sebuah berkas sinar ‐ sinar cahaya monokromatik yang sejajar, maka terbentuk sederet pola garis ‐ garis yang sangat tajam pada sudut ‐ sudut tertentu. Garis ‐ garis m = 1 dinamakan orde pertama, garis ‐ garis m = 2 dinamakan garis ‐ garis orde dua, dan seterusnya. Jika kisi disinari oleh cahaya putih dengan distribusi panjang gelombang kontinyu, maka setiap nilai m bersesuaian dengan sebuah spektrum kontinyu dan jika
kisi disinari oleh cahaya dengan distribusi panjang gelombang maka setiap nilai m
bersesuaian dengan spektrum garis [8].
2.2 Daya Pisah Kisi Difraksi
Dalam spektrokopi seringkali penting untuk membedakan panjang gelombang ‐
panjang gelombang yang berbeda sedikit. Dua berkas cahaya dengan
λ
1 danλ
2berbeda kecil sekali
(
Δ
λ
=
λ
2−
λ
1<<
1
)
jatuh pada sebuah kisi maka maksimum orde yang samaλ
1 danλ
2 berhimpit. Agar keduaλ
tersebut dapat dibedakan atau dilihat secara terpisah maka maksimumλ
1 berhimpit dengan minimumλ
2. Maksimum orde ke‐m terjadi bila selisih fasaφ
untuk celah ‐ celah yang berdekatan adalahφ
=
2
π
m
minimum pertama disamping maksimum terjadi bila
φ
=
2
π
m
+
2
π
/
N
, dimana Nadalah banyaknya celah.
φ
diberikan juga olehφ
=
(
2
π
d
sin
θ
)
/
λ
, sehingga interval sudut dθ
yang bersesuaian dengan pertambahan pergeseran fasad
φ
yang kecil dapatdidiferensial persamaan
λ
θ
θ
π
φ
d
d
d
=
2
cos
, dimanad
φ
=
2
π
/
N
,
sehingga, cos 2 2
λ
θ
θ
π
π
d dN = (1)
Atau
N d dcosθ θ = λ
(2)
Untuk nilai sudut d
θ
diantara maksimum ‐ maksimum untuk duaλ
yang sedikitberbeda mempunyai persamaan
λ
θ
mdsin = (3)
λ
θ
θ
d mddcos = (4)
Dari persamaan (2) dan (4) dapat peroleh λ mdλ
N =
dan Nm
dλ =
λ
jika Δ
λ
kecil, maka dλ
=Δλ
, sehingga daya pisah R menjadi NmR =
Δ =
λ λ
(5) Makin besar jumlah garis pada kisi dan makin tinggi orde dari spektrum, maka daya pisah kisi makin besar.
3. RANCANGAN ALAT dan PRINSIP KERJANYA
Telah diketahui bahwa cahaya dapat didispersikan oleh prisma maupun kisi difraksi. Jika cahaya yang jatuh pada kisi difraksi adalah cahaya monokrom maka akan muncul pola gelap dan terang pada layar. Pada rancangan alat ini, spektrometer transmisi sederhana dirancang dengan memanfaatkan kisi difraksi dan digunakan untuk melakukan penelitian dengan cara menjatuhkan cahaya pada kisi difraksi. Kisi difraksi yang digunakan memiliki jumlah celah 570 garis per milimeter, dengan demikian jarak kisinya adalah 1.7 mikrometer.
Merancang spektrometer transmisi sederhana memerlukan alat bantu sebagai
teropong. Dalam rancangan spektrometer kali ini menggunakan paralon yang harganya
relatif murah dan mudah didapatkan. Namun sebelum merancang spektrometer
transmisi sederhana, sudut dari kisi difraksi harus diketahui terlebih dahulu agar semua spektrum dari cahaya yang masuk mengenai kisi difraksi dapat terlihat. Untuk mencari sudut kisi difraksi dilakukan percobaan menggunakan laser merah dan laser hijau dengan cara menjatuhkan sinar laser merah dan laser hijau pada kisi difraksi. Sudut difraksi yang diperoleh dari laser merah dan laser hijau pada kisi inilah yang menjadi acuan untuk merancang spektrometer transmisi sederhana.
Menentukan sudut dispersi laser yang diperoleh dari kisi difraksi. Sinar laser dijatuhkan pada kisi difraksi secara segaris. Pada rancangan alat spektrometer ini digunakan sudut difraksi pada orde pertama yang memiliki resolusi yang rendah. Ini dilakukan karena menyesuaikan CCD yang ada pada kamera digital. CCD kamera digital yang digunakan hanya dapat merekam semua spektrum pada orde pertama. Sedangkan
bila menggunakan orde kedua yang memiliki resolusi yang lebih tinggi akan
mengakibatkan ada sebagian spektrum yang tidak terekam oleh CCD kamera digital. Nilai sudut difraksi dicari dengan cara mengukur jarak sinar utama dari kisi ke layar dan jarak sinar utama ke orde pertama, setelah memperoleh jaraknya kemudian sudutnya dihitung menggunakan arctan. Jarak antara kisi difraksi dan layar dua meter. Untuk laser hijau jarak sinar utama dengan orde pertama 64.7cm sehingga sudut yang diperoleh 180 sedangkan untuk laser merah jarak sinar utama dengan orde pertama 77cm sehingga
sudut yang didapat 210. Sudut yang dipakai adalah 200 sebagai sudut tengah yang
diperoleh dari sudut dispersi laser hijau dan laser merah. Setelah memperoleh sudut kisi
difraksi pada orde pertama, barulah spektrometer transmisi sederhana dirancang
200
Gambar 2. Rancangan alat spektrometer transmisi sederhana yang memakai kisi difraksi dengan jumlah celah 570 garis/mm dan menggunakan paralon sebagai teropong, serta ukuran ‐
ukuran paralon dan sudut kisi difraksi pada orde pertama yang terlihat dari atas. 50.5cm
Kisi Difraksi
(570 garis/mm)
20.5cm
5.5cm
7.5cm 0.5cm
6.5cm
69cm
pantulan cahaya didalam paralon dicat warna hitam sebagai penyerap cahaya yang tidak diinginkan.
3.1 Eksperimen
Sumber cahaya
masuk sejajar
Kamera
Digital
Kisi Difraksi
Lensa
kamera
CCD
kamera
Dispersi cahaya
Gambar 3. Susunan alat spektrometer transmisi sederhana, kamera digital, dan sumber cahaya. Sumber cahaya yang sejajar dipancarkan mengenai kisi difraksi. Cahaya yang mengenai kisi difraksi didispersikan. Dispersi cahaya kemudian masuk ke lensa kamera digital dan direkam oleh
CCD kamera digital
Pada ekperimen ini spektrometer transmisi sederhana dipasang segaris dengan sumber cahaya. Sumber cahaya yang sudah segaris dengan spektrometer dilihat dari sinar utama yang masuk mengenai kisi difraksi. Jarak celah sempit spektrometer dengan sumber cahaya adalah satu meter. Kamera digital dipasang tepat pada sudut kisi difraksi, dengan demikian spektrum orde pertama dapat diterima oleh kamera digital. Posisi kamera, kisi difraksi, dan sumber cahaya dipasang tetap. Setelah semuanya dipasang, kemudian sumber cahaya dinyalakan. Pancaran cahaya yang sejajar masuk ke celah sempit mengenai kisi difraksi dan mengalami dispersi. Cahaya yang telah mengalami dispersi pada orde pertama masuk ke lensa kamera digital dan diterima oleh CCD kamera digital kemudian direkam dalam bentuk digital. Eksperimen dilakukan secara bergantian dari beberapa sumber cahaya dengan posisi tetap. Hasil dari foto kamera digital disimpan dalam bentuk file kemudian dianalisis menggunakan Matlab. Analisis
piksel. Kemudian dikalibrasi menggunakan standard panjang gelombang dari sumber cahaya sehingga didapatkan grafik intensitas terhadap panjang gelombang.
4. HASIL dan ANALISIS DATA 4.1 Spektrum Gas Neon
Lampu neon terdiri dari dua elektroda (logam) yang terletak diujung ‐ ujung sebuah tabung berisi gas neon, argon, atau krypton. Ketika kedua elektroda diberi tegangan listrik, maka elektron akan keluar dari salah satu elektroda menuju elektroda lain. Dalam perjalanannya, elektron ‐ elektron ini akan menabrak atom ‐ atom gas neon. Gas neon akan tereksitasi (energinya naik) dalam waktu yang singkat untuk kemudian kembali ke keadaan semula. Selama proses kembali ke keadaan semula itu, gas neon akan memancarkan energi berupa gelombang cahaya. Cahaya lampu gas neon yang
sejajar masuk pada spektrometer transmisi sederhana dan mengenai kisi difraksi
sehingga menghasilkan spektrum. Dibawah ini adalah spektrum gas neon yang diperoleh dari hasil eksperimen.
Gambar 4. Spektrum lampu gas neon yang memiliki beberapa garis warna dan grafik intensitas terhadap nomor piksel yang menunjukan intensitas spektrum garis dari
lampu gas neon
Spektrum yang dihasilkan oleh lampu gas neon memiliki beberapa spektrum garis warna. Setiap spektrum garis warna memiliki panjang gelombang yang berbeda ‐ beda. Untuk mengetahui panjang gelombang dari masing ‐ masing garis spektrum gas neon,
spektrum dianalisis menggunakan Matlab. Untuk menganalisisnya, rekaman spektrum
lampu gas neon dicrop, kemudian dianalisis menggunakan program Matlab. Hasil
analisis memperoleh grafik intensitas terhadap nomor piksel yang terlihat pada grafik diatas.
dengan menggunakan standard panjang gelombang lampu gas neon. Kalibrasi dilakukan dengan mencocokan puncak ‐ puncak grafik intensitas terhadap piksel yang sesuai dengan grafik intensitas terhadap panjang gelombang dari standard lampu gas neon yang telah diteliti.
Gambar 5 . Grafik spektrum lampu gas neon yang telah diketahui memiliki puncak ‐ puncak panjang gelombang, digunakan untuk mengkalibrasi spektrum lampu gas neon yang diperoleh
dari hasil eksperimen [9]
Setelah mendapatkan puncak ‐ puncak yang sama, panjang gelombang dan nomor piksel dapat diperoleh. Panjang gelombang dan nomor piksel yang telah diperoleh, dibuat grafik. Dari grafik tersebut diperoleh nilai persamaan linier yang digunakan untuk kalibrasi.
Hasil kalibrasi kemudian dimasukan pada nomor piksel. Sehingga diperoleh grafik
intensitas terhadap panjang gelombang. Dengan menggunakan grafik ini panjang
gelombang pada setiap puncak ‐ puncak spektrum gas neon yang diperoleh dari hasil eksperimen dapat diketahui.
Gambar 7. Struktur spektrum garis yang dimiliki lampu gas neon dengan puncak ‐
Lampu gas neon adalah gas bertekanan rendah sehingga bila dipijarkan akan mema
u k S n m p
puncak panjang gelombang pada setiap garis warna spektrum.
ncarkan energi hanya pada warna, atau panjang gelombang tertentu saja, dimana
letak setiap garis atau panjang gelombang garis merupakan ciri gas yang
memancarkannya (h kum irchoff). pektrum ya g dihasilkan gas neon eru akan
spektrum emisi berupa garis ‐ garis spektrum seperti yang diperoleh dari hasil
eksperimen. Gambar spektrum memperlihatkan bahwa lampu gas neon memiliki dua
struktur garis ‐ garis spektrum. Pada gambar 7 terlihat ada sekumpulan garis warna spektrum yang rapat yaitu spektrum warna kuning sampai merah, sedangkan ada dua garis warna spektrum yaitu biru muda dan ungu yang terpisah jauh dari kumpulan garis warna spektrum yang rapat. Dari strukturnya lampu gas neon lebih dominan pada spektrum warna merah. Bila dilihat dari grafik spektrum gas neon mempunyai empat spektrum utama yaitu ungu, biru muda, kuning dan merah. Panjang gelombang keempat spektrum berbeda ‐ beda yaitu 451.3nm, 497.9nm, 586.5nm, 649.7nm. Selain panjang gelombang keempat spektrum utama, gas neon juga memiliki panjang gelombang dari
sekumpulan spektrum neon yang rapat yaitu 594.8nm, 608.1nm, 612.2nm, 623.2nm,
Gambar 8. Nilai FWHM dari puncak panjang gelombang 586.5nm yang dimiliki oleh lampu gas neon
Mencari nilai FWHM dari puncak spektrum gas neon yang panjang gelombangnya
586.5nm, memiliki nilai FWHM sebesar 1.3nm. Nilai FWHM menunjukan spektrometer
transmisi sederhana dapat memisahkan puncak ‐ puncak dari panjang gelombang garis warna spektrum yang memiliki resolusi sekurang ‐ kurangnya 1.3nm.
4.2 Perbandingan Spektrum Gas Neon, Neon PH Putih, Neon PH Kuning
ambar 9. Grafik spektrum lampu neon , warna merah (‐) adalah grafik spektrum lampu neon PH
s
lampu PH dan TR yang memiliki perbedaan komposisi struktur spektrumnya
1.3nm FWHM
G
sehingga mbar 9.
Bila d
Gambar 10. Grafik lampu neon PH dan lampu neon TR. Grafik warna merah (‐) adalah grafik spektrum lampu PH putih 11 watt dan lampu PH putih 5 watt, grafik warna biru (‐) adalah grafik
Hasil aan. Bila
dibandingkan antara grafik lampu neon PH 1 watt dengan grafik spektrum lampu neon TR 11
Lampu komersil PH merupakan lampu yang memancarkan cahaya kontinyu
spektrum yang dihasilkan adalah spektrum kontinyu seperti pada ga
ibandingkan grafik spektrum lampu neon PH putih dan grafik spektrum lampu neon PH kuning terlihat berbeda. Lampu neon PH putih memiliki spektrum yang dominan disekitar panjang gelombang 450nm ‐ 550nm, ini berarti lampu neon PH putih lebih dominan diantara spektrum warna ungu sampai hijau. Lampu neon PH putih juga memiliki puncak ‐ puncak tidak terlalu kelihatan sedangkan grafik spektrum lampu neon PH kuning memiliki beberapa puncak grafik yang mencolok dan lebih dominan disekitar panjang gelombang 550nm ‐ 650nm, ini memperlihatkan bahwa lampu PH kuning lebih dominan diantara spektrum warna hijau sampai merah. Bila grafik spektrum lampu neon
PH dibandingkan dengan grafik spektrum lampu gas neon terlihat jauh berbeda.
Spektrum lampu gas neon memiliki puncak yang tajam disetiap garis spektrumnya sedangkan lampu neon PH puncak garis spektrumnya lebih melebar. Puncak ‐ puncak spektrum gas neon dan lampu neon PH tidak pada panjang gelombang yang sama. Ini memperlihatkan bahwa lampu neon PH dan lampu gas neon memiliki bahan campuran
yang berbeda sehingga spektrum serapan yang dihasilkan berbeda. Lampu neon
komersil kemungkinan memiliki bahan campuran seperti mercury dan fluoresen [6] yang mengakibatkan spektrum yang dihasilkan tidak seperti spektrum lampu gas neon.
4.3 Perbandingan Neon Komersil PH dan Neon Komersil TR
spektrum lampu neon TR 11 watt, grafik spektrum lampu neon TR 5 watt
grafik lampu neon PH dan lampu neon TR menunjukkan perbed 1
watt dan grafik lampu neon PH 5 watt dengan grafik lampu neon TR 5 watt, lampu
neon PH memiliki puncak ‐ puncak lebih mencolok dibandingkan lampu neon TR.
pektrometer transmisi sederhana dan kamera digital dapat digunakan untuk
elombang spektrum lampu gas neon, menunjukan karakterisasi
spektr
Alat spektrometer transmisi yang dirancang ini belumlah sempurna. Masih bisa hasil spektrum yang diperoleh lebih teliti, kisi difraksi yang n
] Solihin, Abdus.2009.Spektrometer Kisi.
.1992.Azas‐Azas Ilmu Fisika jilid 3.UGM:jogjakarta.
Teknik Jilid 2: Edisi 3, Penerjemah: Dr. B.
[5] hofer Sebagai Metode Alternatif
l
.htm
mengindikasikan setiap lampu neon komersil yang berbeda merk menghasilkan
spektrum yang berbeda.
5. KESIMPULAN S
mencari panjang g
um lampu gas neon dan dapat memperlihatkan perbedaan antara spektrum
lampu neon PH, lampu neon TR dengan lampu gas neon melalui grafik dari ketiga lampu.
Spektrometer transmisi sederhana juga dapat menunjukkan perbedaan struktur
spektrum yang dihasilkan oleh lampu neon komersil yang berbeda merk.
6. SARAN PENELITIAN
dikembangkan lagi. Agar
digu akan pada alat spektrometer transmisi sederhana ini dapat diganti menggunakan kisi difraksi yang mempunyai jumlah celah yang lebih banyak.
DAFTAR PUSTAKA [1
[2] Soedojo, Peter
[3] Tipler, P. A., 2001, Fisika untuk Sains dan Soegijono”, Jakarta, Penerbit Erlangga.
[4] Halliday dan Resnick. 1977.FISIKA Jilid 2.Hanover Firdausi, K Sofjan dkk,2003.Difraksi Fraun
Sederhana untuk Spektroskopi.
[6] http://sriwiwoho.blogspot.com/2011/10/bahaya‐merkuri‐dalam‐lampu‐neon.htm
[7] Soestyo, Boedi dkk.2009.Sistem Kalibrasi Screenmaster.
[8] Young dan Freedman.2001.Fisika Universitas jilid 2.Jakarta,Penerbit Erlangga.
[9] http://www.astrosurf.com/buil/us/spectro8/spaude5_us
